Puente rectificador: 4 diodos vs chip único?

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4 diodos contra puente rectificador

Noto (al menos entre los entusiastas del audio DIY) que cuando llega el momento de diseñar una fuente de alimentación para un amplificador, DAC o lo que sea, la lista de partes inevitablemente incluirá algo como "4 x diodos MUR860" en aras de la construcción de un completo puente rectificador de onda (MUR860 es una opción particularmente popular).

Sin embargo, obtiene estos "chips" rectificadores de puente todo en uno que esencialmente incluyen 4 diodos en la configuración de puente correcta y:

  1. a menudo se alojan en carcasas metálicas que se pueden enfriar si es necesario
  2. normalmente puede manejar clasificaciones de voltaje / corriente mucho más altas
  3. ocupa menos espacio físico / PCB que 4 diodos discretos
  4. a menudo cuestan menos de 4 diodos discretos!

Pregunta : ¿Hay algún beneficio en el uso de diodos separados sobre un solo chip rectificador de puente, y si no, por qué parece tan popular hacerlo? ¿Se trata solo de la satisfacción de "hacerlo usted mismo", o tal vez algo de audiophoolery en el trabajo? ¡Gracias!

abza
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Aprender a construir un circuito rectificador de puente es popular en la escuela, por lo tanto, generalmente se usan diodos individuales para construirlo. En el mundo real, deberá mantener su circuito lo más pequeño posible mientras mantiene el rendimiento igual. Es por eso que necesitaría usar un solo chip en lugar de cuatro diodos.
12Lappie
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Quizás hayas visto este artículo . Un tipo afirma que el MUR860 suena mejor que todos los demás diodos y todos los demás muppets lo siguen.
Steve G
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Una razón particular a menudo tiene que ver con la compra. Si es un diodo simple, como un 1N4004, su compañía puede comprarlos por toneladas por casi nada. Como tal, usar cuatro de ellos en lugar de pedir pequeñas cantidades de un nuevo componente a un costo mayor se vuelve menos atractivo. En cuanto a la huella, a menudo hace poca diferencia, y con el autoensamblaje, la mano de obra no es un problema. Extender aún más la potencia en cuatro partes a menudo alivia la necesidad de un disipador de calor.
Trevor_G
@Trevor, dado que el puente moldeado contiene típicamente la misma parte que usaría como un discreto (1N400, por ejemplo), y el moldeo de plástico es un conductor térmico relativamente pobre ... el puente moldeado será peor térmicamente que las partes discretas.
Jack Creasey
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Tenga en cuenta que el rectificador de puente de una pieza no es un "chip único" (monolítico), internamente son cuatro diodos separados montados en un marco de cables especial. Por otro lado, los diodos duales (p. Ej., En paquetes SOT-23 o TO-220) normalmente son monolíticos.
Dave Tweed

Respuestas:

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No puedo creer que haya escrito toda esa basura sobre diodos ...

MUR860 de hecho sonará mejor, pero la explicación es un poco sutil:

Los diodos de silicio no se apagan instantáneamente. A medida que el voltaje a través del diodo se vuelve negativo, la corriente aún fluye en la dirección inversa por un corto tiempo, hasta que las cargas almacenadas dentro del diodo se eliminan. Cuando se hace esto, el diodo se apaga.

Los diferentes diodos tienen características de recuperación muy diferentes, como se muestra en este diagrama de alcance:

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( fuente )

La corriente se vuelve negativa (la dirección "incorrecta" para un diodo) durante un tiempo que se llama "tiempo de recuperación". El rojo lleva más tiempo.

En un convertidor DC-DC, es crucial tener un diodo que se apague rápidamente. Imagínese usando el viejo 1N4001, con su tiempo de recuperación trr = 30 µs en un convertidor CC-CC que funciona a 200 kHz (tiempo de ciclo 5 µs). Ni siquiera tendría tiempo de apagarse. No funcionaría en absoluto. Es por eso que los convertidores DC-DC usan diodos mucho más rápidos.

Ahora, de vuelta a tus cosas de audio. Verifique los trazos rojos y morados de arriba, notará que el rojo toma más tiempo, pero apaga la corriente suavemente. El púrpura se apaga muy bruscamente, con una gran di / dt (4 amperios en 10ns). No sucede así en un rectificador de 50Hz, la corriente no tiene tiempo para ir a amperios antes de que el diodo se apague, solo unos pocos mA. Pero se entiende la idea.

Una vez que el diodo está apagado, ahora es un condensador. Cualquier inductancia que se encuentre en las trazas, cables, etc., formará un circuito de tanque LC con él y sonará.

La cantidad de timbres depende de la agudeza del desvío y de la corriente a la que se produce el apagado. Los diodos de recuperación rápida y suave producen menos timbres.

Ahora, este timbre suele tener una frecuencia bastante alta. Además, el agudo di / dt en el apagado genera ruido de RF de banda ancha. Esto se acoplará a los circuitos cercanos, agregando todo tipo de ruido y basura a las señales sensibles. Esto no es audiophoolery, solo ingeniería.

Dicho esto, el MUR860 es costoso, por lo que puede usar diodos baratos con una recuperación lenta lenta, si coloca tapas a través de ellos para absorber el pico de ruido de apagado. Todos los sintonizadores AM / FM alimentados por la red eléctrica hacen esto, así como la mayoría de los equipos de audio de consumo. ¡Los fabricantes no pondrán una parte a menos que sea necesaria! Todo tiene un costo optimizado. Pero sin las tapas, el sintonizador sería superado por el ruido y no recibiría la radio.

Luego puede agregar un amortiguador en el transformador secundario para amortiguar el sonido del LC.

Pregunta: ¿Hay algún beneficio al usar diodos separados sobre un solo chip rectificador de puente?

La ventaja es que puede elegir la recuperación rápida y suave, o diodos schottky. Los puentes de diodos enlatados generalmente consisten en diodos ultra lentos.

y si no, ¿por qué parece tan popular hacerlo?

Porque funciona Tenga en cuenta que 4 cápsulas, a 3 centavos cada una, funcionan igual de bien, pero el factor de alarde es menor. Los diodos rápidos son más sexys y obtienen más puntos de aceite de serpiente.

EDITAR , un rastro antiguo del alcance de mi disco duro ... Diodos rápidos baratos BYV27-150, pequeño transformador de 12V 10VA.

El azul es el transformador secundario. La parte superior plana es cuando el diodo está encendido, el condensador de alimentación se está cargando, lo que limita el voltaje en el transformador secundario debido a su resistencia de devanado interno. La traza azul baja un paso cuando el diodo se apaga. Es muy obvio, cae en 1V, ¡no te lo puedes perder!

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Tenga en cuenta que el diodo solo se apaga en el pico de la onda sinusoidal si la carga consume corriente cero. Cuando la carga consume corriente, que suele ser el caso, el diodo se apaga después del pico.

Ahora, me gusta ver esto a través de un filtro de paso alto (trazo amarillo a continuación). La amplitud se atenúa, ya que el filtro de paso alto debe usar una pequeña tapa, alrededor de 100pF, o de lo contrario rechazaría lo que quiero observar, por lo que la capacitancia de entrada del alcance interactúa con él. Pero la forma general de la señal debe estar bien. Observe el repugnante pico agudo seguido de HF sonando. Diodos Qrr más altos como 1N4001 serían mucho peores.

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EDITAR 2

He estado restaurando un viejo amplificador, cambiando los electrolíticos de 1979 ... y este amplificador no tiene tapas a través del puente de diodos. Probablemente porque no tiene un sintonizador de AM. De todos modos, la forma de hacerlo es pegar la sonda de alcance en el aislador de uno de los cables secundarios del transformador. No es necesario hacer ningún tipo de contacto (excepto poner a tierra la sonda obviamente). Esta basura se está acoplando a través del aislamiento del cable y dentro de la sonda telescópica.

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Eso es un pico de recuperación del rectificador. Desafortunadamente, aparece como modo común en los cables del transformador, lo que significa que todo el devanado secundario actúa como antena y acoplará capacitivamente los picos en los circuitos cercanos. Las cosas de alta impedancia como el potenciómetro de volumen son las principales víctimas.

Esta es probablemente la razón por la cual este amplificador tiene un transformador que está protegido dentro de una lata de metal. Hubiera sido más barato poner tapas en los diodos IMO ...

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Ahora, por supuesto, el voltaje secundario también se puede medir, pegando la sonda en los terminales de la PCB:

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Tiene el aspecto habitual: parte superior plana, luego un pico y una caída instantánea de unos pocos voltios cuando el diodo se apaga. Zoom sobre la espiga:

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Por lo tanto, los cables del transformador secundario tienen picos de 22 voltios (!!!!) con una duración bastante rápida de 2 µs.

El problema no es que los diodos sean demasiado lentos para una rectificación adecuada (obviamente, la rectificación funciona bien). El problema ocurre cuando estos picos se acoplan en algunos circuitos sensibles. Esto es difícil de evitar, ya que aparecen como modo común en los cables del transformador.

OTRA EDICIÓN

Cuando el osciloscopio no está de acuerdo con el simulador, uno o ambos pueden estar equivocados, sin embargo, siempre ayuda modelar el circuito real (es decir, tener en cuenta la inductancia del transformador) y observar los parámetros del simulador ...

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Esto funciona como se esperaba. Debido a la inductancia del transformador (voltaje de retardo de corriente), el diodo se apaga un poco más tarde de lo que cabría esperar de la comparación visual del voltaje sin carga del transformador (negro) y el voltaje del condensador (verde). Un diodo perfecto también se apagaría en el mismo momento, luego el voltaje secundario del transformador volvería a bajar a su valor descargado. Esto es normal.

Lo que agrega la recuperación es una pequeña cantidad de tiempo para que la corriente de diodo se vuelva negativa. Por lo tanto, cuando el diodo se bloquea, la corriente del inductor no es cero, sino que es de unos pocos mA. Esto no es mucho, porque 50Hz es muy lento.

Sin embargo, cuando el diodo se apaga, el inductor es lo suficientemente grande como para producir un pico de voltaje negativo agudo que provoca un zumbido en el tanque LC formado por la inductancia y la capacitancia del diodo, que es un problema EMI.

En la vida real, el timbre es mucho más corto de lo que se muestra aquí, porque el inductor tiene muchas pérdidas a alta frecuencia. Aquí suena a aproximadamente 1MHz.

El uso de diodos más rápidos (Qrr bajo) hace que se apaguen a una corriente negativa más baja, por lo que reduce la cantidad de energía disponible para excitar el sonido. Los diodos de recuperación suave producen un paso de corriente más suave, que tiene el mismo efecto. Entonces, los diodos de recuperación rápida / suave trabajan para reducir los problemas de EMI aquí. Pero una solución más barata es simplemente poner tapas en los diodos. Funciona igual de bien.

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El rastro rojo es sin tapas y sin amortiguador. Suena a 1MHz. Agregar una tapa de 10nF a través del diodo reduce la frecuencia de timbre a 100kHz (verde), lo que ya no es un problema, también suaviza los bordes, por lo que el problema de EMI desapareció. Azul es con amortiguador agregado (R3 / C3). Mucho más limpio, pero no estrictamente necesario. Las pérdidas de hierro de los transformadores la amortiguarían principalmente.

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Resumen: los diodos superrápidos causan menos ruido, pero es solo debido a un sutil efecto secundario: permiten que se acumule menos corriente (y energía) en el inductor antes de apagarse, en cuyo punto la energía almacenada del inductor se convierte en un timbre. Absorber la energía del inductor en un condensador y disiparlo en una resistencia amortiguadora es igual de bueno, de hecho, funciona mejor por menos dinero ... lo que significa que no hay una ganancia real de costo / beneficio para diodos superrápidos caros. Pero ellos trabajan. Simplemente no son la solución óptima.

Peufeu
fuente
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Una vez que la salida rectificada del rectificador de puente se encuentra con los condensadores de filtro, ¿qué diferencia hace la sutil charitarística de los diferentes diodos?
Mike Waters
Un cierre de diodo tiene una di / dt muy alta, emite RF de banda ancha pulsada. Una gran tapa de suavizado tiene> 20nH de inductancia más traza de inductancia y no filtra nada en RF. Además, el cableado del transformador y el puente rectificador a través del orificio actúan como antenas de bucle. Poner tapas a través de los diodos reduce el área de la antena de bucle, lo que la hace mucho menos eficiente para irradiar basura. El diseño es importante, las tapas deben estar justo a través de los diodos.
peufeu
Gracias por esto: la velocidad de los diodos respondió directamente a mi pregunta sobre los beneficios del uso de diodos separados. Saludos - ¡Tengo mucha lectura que hacer!
abza
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Esta es una descripción de solución completamente errónea para un rectificador que funciona a 50/60 Hz. Para realmente necesitar diodos de recuperación rápida, debe tener una velocidad de dV / dt rápida para la señal entrante. Para una onda sinusoidal que se rectifica, la tasa de cambio es 0 cuando la señal está en su pico. Con el modelo del diodo siendo Vf y una resistencia en serie, y la salida siendo un almacenamiento de condensadores. La corriente directa en realidad disminuye lentamente. No hay voltaje transitorio rápido que requiera un diodo de conmutación rápido.
Jack Creasey
El diodo no deja de conducir en la parte superior de la onda sinusoidal, sino un poco más tarde, a menos que la carga extraiga corriente cero. Ver ediciones.
peufeu
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Casi invariablemente, el tipo de rectificador de puente que muestra no es más barato que los diodos individuales y contiene los mismos diodos que podría usar en un puente discreto. Las unidades moldeadas son:
1. Típicamente, un montaje de tornillo único para facilitar el ensamblaje físico donde no hay PCB.
2. Es más fácil de montar en un disipador térmico cuando se encuentra en una caja de aluminio (los tamaños más grandes) y puede tener conexiones Tab para un cableado físico fácil. 3. Típicamente para uso por debajo de 400 Hz

El TO220 y similares contendrán diodos discretos unidos por cable y sin encapsular. Estos factores de forma son mucho más fáciles de manejar (tanto el ensamblaje humano como el de máquina)

Sin embargo, el MUR860 NO es un rectificador de puente y es poco probable que se use en las mismas aplicaciones en las que se ven los rectificadores de puente moldeados. Este es un par de diodos de alta velocidad utilizado en fuentes de alimentación conmutadas y un dispositivo relativamente especializado.

Jack Creasey
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Ah, pero este es el mundo de los "audiófilos", donde a menudo no se aplican las reglas normales y el sentido común. Algunas personas pagan más de $ 1000 por cables de línea de CA porque se supone que hacen que su amplificador suene mejor. Quizás tengan cobre libre de oxígeno. Lo mismo para los cables de los altavoces. Si recuerdo bien, alguien tenía un ladrillo especial que podría poner en su amplificador que mejoraría también la calidad del sonido. (Por supuesto, hay audiófilos sensibles, es solo que hay mucha información errónea y muchos estafadores.)
John D
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@JohnD. No se tiene en cuenta el audiófilo ... por eso se ven productos como cables Monster a precios exorbitantes. Triste de verdad.
Jack Creasey
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@johnD - 1000 USD no es nada. Hay personas que gastan 10,000 USD para instalar postes de servicios públicos separados: wsj.com/articles/…
Whiskeyjack
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@Whiskeyjack Increíble. ¿Crees que el estudio de grabación que hizo el disco que el chico estaba escuchando pagó su propia pole para alimentar todo el equipo de grabación y masterización, jaja?
John D
@johnD - Realmente quiero cambiar en secreto su configuración a cables regulares y postes de servicios públicos y ver si sienten alguna diferencia. Y si no, díselo y ve su reacción.
Whiskeyjack
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Al observar el rendimiento de los rectificadores que funcionan a 50/60 Hz, puede usar el simulador de circuitos CircuitLab.

Aquí hay un simple rectificador de media onda que usa un diodo 1N4001. Esto tiene un tiempo de recuperación inversa muy pobre, pero es intrascendente a 50/60 Hz. He agregado cierta resistencia en serie a la fuente de CA ya que en este simulador no es parte del elemento fuente.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Si ejecuta la simulación, verá que no se ve ninguna corriente de recuperación inversa. Esto se debe a que a 50/60 Hz, la tasa de cambio de la fuente de voltaje es muy baja, por lo que cualquier energía almacenada en la unión se disipa fácilmente.

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Sin embargo, la historia cambia si aumenta la frecuencia, y a solo 1 kHz el tiempo de recuperación inversa se convierte en un factor. Si examina las curvas verá que el I (RR) es de aproximadamente 130 mA.

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Si vamos aún más lejos a 20 kHz, puede ver que el diodo está seriamente comprometido tanto por el almacenamiento de carga de unión como por el tiempo de recuperación inversa.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Entonces, si bien los tiempos de recuperación inversa son un problema grave a altas frecuencias, a 50/60 Hz no lo son. Esto se debe principalmente a que la tasa de cambio en el voltaje (dv / dt) es mucho más baja a bajas frecuencias.

¿Podría poner diodos de recuperación rápida en una aplicación de rectificador de 50/60 Hz, seguro que podría? ¿Vería alguna mejora ... muy, muy dudosa?

Desafiaría a cualquiera a encontrar una buena razón para usar diodos rápidos en este tipo de aplicación.

Jack Creasey
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Simple. Cuando la simulación muestra resultados muy diferentes de un osciloscopio, generalmente la simulación es incorrecta;) Las explicaciones más probables son: los rectificadores en el amplificador que probé podrían ser más lentos que 1N4001 (después de todo, son tecnología de casi 40 años), y se olvidó el transformador inductancia. Ejecuté su sim de nuevo con R1 = 0R2 con 100 µH en serie, R2 = 120R, 1 µs de paso de tiempo (muy importante), 50Hz, y obtuve el pico como se esperaba. Es un problema EMI, que puede o no importar dependiendo de qué circuitos cercanos puedan captar el ruido.
peufeu
@peufeu. Pero la simulación muestra exactamente los resultados que verías en un CRO. Sigues discutiendo sobre cuándo un diodo se 'rompe' y cosas por el estilo. No lo hacen, no son dispositivos activos. El único momento en que puede esperar un comportamiento transitorio es cuando lo impulsa una onda cuadrada con bordes dv / dt muy grandes. Cambia la simulación a una onda cuadrada para ver a qué me refiero. Le está dando características de diodos que no tienen en base a la mala interpretación (o medición) de las señales. Pero como siempre, puedes tener tu opinión.
Jack Creasey
Hmm, tal vez lo expliqué mal. Hice otro intento, échale un vistazo LOL
peufeu