Pont redresseur: 4 diodes vs monopuce?

Je remarque (parmi les amateurs de bricolage audio au moins) que lorsque vient le temps de concevoir une alimentation pour un amplificateur, un DAC ou autre, la liste de pièces comprendra inévitablement quelque chose comme "4 x diodes MUR860" dans le but de construire une pleine redresseur de pont d'ondes (MUR860 est un choix particulièrement populaire).

Cependant, vous obtenez ces "puces" de redresseur de pont tout-en-un qui comprennent essentiellement 4 diodes dans la configuration de pont correcte, et:

1. sont souvent logés dans des boîtiers métalliques qui peuvent être refroidis si nécessaire
2. peut généralement gérer des tensions / courants beaucoup plus élevés
3. occupent moins d'espace physique / PCB que 4 diodes discrètes
4. coûtent souvent moins de 4 diodes discrètes!

Question : Y a-t-il des avantages à utiliser des diodes séparées sur une puce de redresseur à pont unique, et sinon, pourquoi cela semble-t-il si populaire? S'agit-il simplement de la satisfaction de «faire soi-même», ou peut-être de l'audiophoolerie au travail? Merci!

Je ne peux pas croire que j'ai écrit toutes ces conneries sur les diodes ...

Le MUR860 sonnera bien mieux, mais l'explication est un peu subtile:

Les diodes au silicium ne s'éteignent pas instantanément. Lorsque la tension aux bornes de la diode devient négative, le courant circule toujours dans le sens inverse pendant une courte période, jusqu'à ce que les charges stockées à l'intérieur de la diode soient éliminées. Lorsque cela est fait, la diode s'éteint.

Différentes diodes ont des caractéristiques de récupération très différentes, comme le montre ce diagramme de portée:

( source )

Le courant devient en effet négatif (la "mauvaise" direction pour une diode) pendant un temps qui est appelé "temps de récupération". Le rouge prend plus de temps.

Dans un convertisseur DC-DC, il est crucial d'avoir une diode qui s'éteint rapidement. Imaginez que vous utilisiez le bon vieux 1N4001, avec son temps de récupération trr = 30µs dans un convertisseur DC-DC fonctionnant à 200 kHz (temps de cycle 5µs). Il n'aurait même pas le temps de s'éteindre. Ça ne marcherait pas du tout. C'est pourquoi les convertisseurs DC-DC utilisent des diodes beaucoup plus rapides.

Maintenant, revenons à vos trucs audio. Vérifiez les traces rouges et violettes ci-dessus, vous remarquerez que la rouge prend plus de temps, mais coupe doucement le courant. Le violet s'éteint très fortement, avec un énorme di / dt (4 ampères en 10ns). Cela ne se passe pas comme ça dans un redresseur à 50 Hz, le courant n'a pas le temps d'aller en ampères avant que la diode ne s'éteigne, seulement quelques mA. Mais vous avez l'idée.

Une fois que la diode est éteinte, c'est maintenant un condensateur. Quelle que soit l'inductance qui se trouve dans les traces, les fils, etc., autour, elle formera un circuit de réservoir LC avec elle et sonnera.

Le nombre de sonneries dépend de la netteté de la coupure et du courant auquel la coupure se produit. Les diodes de récupération rapide et douce produisent moins de sonneries.

Maintenant, cette sonnerie est généralement à une fréquence assez élevée. De plus, le di / dt net à la désactivation génère un bruit RF à large bande. Cela se couplera aux circuits voisins, ajoutant toutes sortes de bruit et de déchets aux signaux sensibles. Ce n'est pas de l'audiophoolery, juste de l'ingénierie.

Cela dit, le MUR860 est cher, vous pouvez donc utiliser des diodes bon marché avec une récupération lente et crémeuse, si vous mettez des bouchons dessus pour absorber le pic de bruit de désactivation. Tous les tuners AM / FM alimentés sur secteur le font, ainsi que la plupart des équipements audio grand public. Les fabricants ne participeront pas à moins que cela ne soit nécessaire! Tout est optimisé en termes de coûts. Mais sans les bouchons, le tuner serait submergé par le bruit et ne recevrait pas la radio.

Vous pouvez ensuite ajouter un amortisseur sur le secondaire du transformateur pour atténuer la sonnerie LC.

Question: Y a-t-il des avantages à utiliser des diodes séparées sur une seule puce de redresseur en pont

L'avantage est que vous pouvez choisir une récupération rapide et douce, ou des diodes schottky. Les ponts à diodes en conserve sont généralement constitués de diodes ultra-lentes.

et sinon, pourquoi cela semble-t-il si populaire?

Parce que ça marche. Notez que 4 plafonds, à 3 cents chacun, fonctionnent tout aussi bien, mais le facteur de vantardise est moindre. Les diodes rapides sont plus sexy et marquent plus de points d'huile de serpent.

EDIT , une ancienne trace de portée de mon disque dur ... BYV27-150 diodes rapides bon marché, petit transformateur 12V 10VA.

Le bleu est secondaire du transformateur. La partie supérieure plate est lorsque la diode est allumée, le condensateur d'alimentation est en charge, limitant la tension sur le secondaire du transformateur en raison de sa résistance d'enroulement interne. La trace bleue fait un pas vers le bas lorsque la diode s'éteint. C'est très évident, ça baisse de 1V, ça ne peut pas manquer!

Notez que la diode ne s'éteint qu'au pic de l'onde sinusoïdale si la charge ne tire aucun courant. Lorsque la charge consomme du courant, ce qui est généralement le cas, la diode s'éteint après le pic.

Maintenant, j'aime regarder cela à travers un filtre passe-haut (trace jaune ci-dessous). L'amplitude est atténuée, car le filtre passe-haut doit utiliser un minuscule capuchon, environ 100pF, sinon il brouillerait ce que je veux observer, donc la capacité d'entrée de l'oscilloscope interagit avec elle. Mais la forme générale du signal devrait être correcte. Remarquez une pointe aiguë désagréable suivie d'une sonnerie HF. Des diodes Qrr plus élevées comme 1N4001 seraient bien pires.

EDIT 2

J'ai restauré un vieil ampli, changé l'électrolyse à partir de 1979 ... et cet ampli n'a pas de capuchons sur le pont de diodes. Probablement parce qu'il n'a pas de tuner AM. Quoi qu'il en soit, la façon de le faire est de coller la sonde de portée sur l'isolateur de l'un des fils secondaires du transformateur. Pas besoin de faire de contact (sauf la mise à la terre de la sonde évidemment). Cette poubelle se connecte à travers l'isolation du fil et dans la sonde de l'oscilloscope.

C'est un pic de récupération du redresseur. Malheureusement, il apparaît comme mode commun sur les fils du transformateur, ce qui signifie que l'ensemble de l'enroulement secondaire agit comme une antenne et couple capacitivement les pointes dans les circuits à proximité. Les trucs à haute impédance comme le potard de volume sont une victime principale.

C'est probablement pourquoi cet ampli a un transformateur qui est blindé à l'intérieur d'une boîte métallique. Il aurait été moins cher de mettre des bouchons à travers les diodes IMO ...

Maintenant, bien sûr, la tension secondaire peut également être mesurée, en collant la sonde sur les bornes du PCB:

Il a l'apparence habituelle: un sommet plat, puis un pic et une baisse instantanée de quelques volts lorsque la diode s'éteint. Zoom sur la pointe:

Ainsi, les fils du transformateur secondaire ont des pointes de 22 volts (!!!!) avec un temps de montée plutôt rapide de 2µs.

Le problème n'est pas que les diodes sont trop lentes pour une bonne rectification (évidemment, la rectification fonctionne très bien). Le problème se produit lorsque ces pointes se couplent à certains circuits sensibles. Ceci est difficile à éviter, car ils apparaissent comme mode commun sur les fils du transformateur.

UNE AUTRE MODIFICATION

Lorsque l'oscilloscope n'est pas d'accord avec le simulateur, l'un ou les deux peuvent être erronés, mais cela aide toujours à modéliser le circuit réel (c'est-à-dire à tenir compte de l'inductance du transformateur) et à surveiller les paramètres de la simulation ...

Cela fonctionne comme prévu. En raison de l'inductance du transformateur (courant en retard de tension), la diode s'éteint un peu plus tard que ce qui serait attendu de la comparaison visuelle de la tension à vide du transformateur (noir) et de la tension du condensateur (vert). Une diode parfaite s'éteindrait également au même moment, puis la tension secondaire du transformateur reviendrait à sa valeur non chargée. C'est normal.

Ce que la récupération ajoute, c'est un temps minime pour que le courant de diode devienne négatif. Ainsi, lorsque la diode se bloque, le courant d'inductance n'est pas nul, mais plutôt de quelques mA. Ce n'est pas beaucoup, car 50 Hz est très lent.

Cependant, lorsque la diode s'éteint, l'inductance est suffisamment grande pour produire une forte pointe de tension négative qui provoque une sonnerie dans le réservoir LC formé par l'inductance et la capacité de la diode, ce qui est un problème EMI.

Dans la vraie vie, la sonnerie est beaucoup plus courte que celle illustrée ici, car l'inductance présente de nombreuses pertes à haute fréquence. Ici, il sonne à environ 1 MHz.

L'utilisation de diodes plus rapides (faible Qrr) les fait s'éteindre à un courant négatif inférieur, ce qui réduit la quantité d'énergie disponible pour exciter la sonnerie. Les diodes de récupération douce produisent une étape de courant plus fluide, qui a le même effet. Ainsi, les diodes de récupération rapide / douce fonctionnent pour réduire les problèmes EMI ici. Mais une solution moins coûteuse consiste à simplement mettre des bouchons sur les diodes. Cela fonctionne aussi bien.

La trace rouge est sans capuchons et sans amortisseur. Il sonne à 1 MHz. L'ajout d'un cap de 10nF à travers la diode abaisse la fréquence de sonnerie à 100 kHz (vert), ce qui n'est plus un problème, cela adoucit également les bords, de sorte que le problème EMI a disparu. Le bleu est avec un amortisseur ajouté (R3 / C3). Beaucoup plus propre, mais pas strictement nécessaire. De toute façon, les pertes de fer du transformateur l'amortiraient de toute façon.

Résumé: les diodes ultrarapides provoquent moins de bruit, mais ce n'est qu'en raison d'un effet secondaire subtil: elles laissent moins de courant (et d'énergie) s'accumuler dans l'inducteur avant de s'éteindre, à quel point l'énergie stockée par l'inducteur est transformée en sonnerie. Absorber l'énergie de l'inductance dans un condensateur et la dissiper dans une résistance d'amortissement est tout aussi bon, en fait, cela fonctionne mieux pour moins d'argent ... ce qui signifie qu'il n'y a pas de réel gain coût / avantage pour les diodes ultra-rapides coûteuses. Mais ils fonctionnent. Ce n'est tout simplement pas la solution optimale.

Presque invariablement, le type de pont redresseur que vous montrez n'est pas moins cher que les diodes individuelles et contient les mêmes diodes que vous pourriez utiliser dans un pont discret. Les unités moulées sont:
1. Généralement un montage à vis unique pour faciliter l'assemblage physique là où il n'y a pas de PCB plus facile.
2. Plus facile à monter sur un dissipateur thermique dans un boîtier en aluminium (les plus grandes tailles) et vous pouvez avoir des connexions Tab pour un câblage physique facile. 3. Généralement pour une utilisation en dessous de 400 Hz

Le TO220 et similaires contiendront des diodes discrètes reliées par fil et non encapsulées. Ces facteurs de forme sont beaucoup plus faciles à manipuler (assemblage humain et machine)

Cependant, le MUR860 n'est PAS un pont redresseur et il est peu probable qu'il soit utilisé dans les mêmes applications que celles que vous voyez utilisées pour les pont redresseurs moulés. Il s'agit d'une paire de diodes à haute vitesse utilisée pour la commutation d'alimentations et d'un appareil relativement spécialisé.

Lorsque vous regardez les performances des redresseurs fonctionnant à 50/60 Hz, vous pouvez utiliser le simulateur de circuit CircuitLab.

Voici un simple redresseur demi-onde utilisant une diode 1N4001. Cela a un temps de récupération inverse très faible, mais il est sans conséquence à 50/60 Hz. J'ai ajouté une résistance en série à la source CA car dans ce simulateur, il ne fait pas partie de l'élément source.

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Si vous exécutez la simulation, vous verrez qu'il n'y a pas de courant de récupération inverse vu. En effet, à 50/60 Hz, le taux de variation de la source de tension est très faible, de sorte que toute énergie stockée dans la jonction se dissipe facilement.

Cependant, l'histoire change si vous augmentez la fréquence, et à seulement 1 kHz, le temps de récupération inverse devient un facteur. Si vous examinez les courbes, vous verrez que le I (RR) est d'environ 130 mA.

Si nous allons encore plus loin à 20 kHz, vous pouvez voir que la diode est sérieusement compromise par le stockage de la charge de jonction et le temps de récupération inverse.

Ainsi, bien que les temps de récupération inversés soient un problème sérieux aux hautes fréquences, à 50/60 Hz, ils ne le sont pas. Ceci est principalement dû au fait que le taux de variation de tension (dv / dt) est très inférieur aux basses fréquences.

Pourriez-vous mettre des diodes de récupération rapide dans une application de redresseur 50/60 Hz, bien sûr. Voudriez-vous voir une amélioration ..... très très douteux.

Je mets au défi quiconque de trouver une bonne raison d'utiliser des diodes rapides dans ce type d'application.