Выпрямительные мосты – удобство применения и широкий выбор - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Виробництво і ресурси

1209
Выпрямительные мосты – удобство применения и широкий выбор

Несмотря на обыденность и, на первый взгляд, простоту выпрямительного моста к его выбору необходимо подходить не менее серьезно, чем к подбору других компонентов. Выпрямитель – эта именно та альфа, без которой не будет омеги.

 

Введение – немного истории

Силовая электроника была и остается наиболее энергоемким направлением развития промышленной электроники. Функции этого направления – это регулируемое преобразование электрической энергии. Одним из важнейших видов преобразования энергии является выпрямление переменного тока. Необходимость выпрямления связана с тем, что в результате, так называемой «Войны токов», которая была следствием серии событий, связанных с внедрением конкурирующих систем передачи электроэнергии в 1890-х годах, победила концепция переменного тока. Эти боевые действия развернулись между основными игроками на рынке использования электроэнергии того времени - компанией изобретателя Томаса Эдисона, организовавшей освещение на лампах накаливания низкого напряжения на постоянном токе (англ. directcurrent, DC), и системой переменного тока (англ. alternating current, AC), разработанной компанией Джорджа Вестингауза не без участия еще одного гения – Николы Тесла.

Передавать напряжение переменного тока оказалось проще, а вот использовать в современных условиях – нет. Большинству оборудованию необходимо напряжение постоянного тока, в том числе и современным системам освещения. Так две не на жизнь, а на смерть враждующие технологии соединились вместе. Мало того, часто мы имеем дело с системами AC/DC/AC/DC/AC, то есть с многократным преобразованием одного вида тока в другой.

Мощные выпрямители впервые были созданы на основе дугового разряда в парах ртути с холодным катодом, которые долгое время были единственным практическим решением. И хотя патент на первый такой прибор был выдан в США Купер Хюиту в 1901 году, основы схемотехники выпрямления так же были заложены в начале XX российским ученым В.Ф. Миткевичем, впоследствии профессором и академиком Академии наук СССР. Им для преобразования переменного тока в постоянный схему выпрямителя была предложена широко известная схема двухполупериодного выпрямитель со средней точкой.

Одно- и двухполупериодное выпрямление с использованием электронных вентилей было предложено 1911 г. российским ученым, доктор физико-математических наук Страсбургского университета Н.Д. Папалекси (в последствии также академиком Академии наук СССР), в его диссертации. В 1924 г. А.Н. Ларионовым была предложена схема трехфазного выпрямителя на трех полумостах на шести диодах, которая, в зависимости от схемы включения обмоток (звезда/треугольник) имеет две разновидности: «звезда-Ларионов» и «треугольник-Ларионов». Эти схемы Ларионова остаются самыми популярными и в эпоху полупроводниковых силовых преобразователей. Что же касается ртутные выпрямителей, которые проложили дорогу в выпрямлении переменного тока, то они прожили долгую жизньи широкоиспользовались болееполувека, не сдав до конца свои позиции до 1980-х годов, но все же передали эстафету полупроводниковым приборам – диодам и тиристорам.

На рис.1 показан трехфазный шестианодный ртутный дуговой выпрямитель, ранее использовавшийся на тяговой подстанции 600 В постоянного тока на железной дороге Афины-Пирей. Сегодня экспонируется в музее ISAP на вокзале Пирей.

Именно с появлением в середине 1950-х годах силовых полупроводниковых приборов был совершен качественный скачок в силовой электронике связан. Большую роль в физике полупроводников сыграл академик А.Ф. Иоффе, который в 1952 году возглавил лабораторию полупроводников АН СССР. На основе его трудов были созданы первые типы промышленных диодов (вентилей) серии ВГ (вентили германиевые) на токи до 200 А (импульсные токи до 900 А) с рабочим напряжением до 200 В. Методом сплавления германия с индием были созданы диоды серии ВГ (сокращение от вентили германиевые) на токи до 200 А при рабочем на напряжение до 200 В.

На рис.2 показан германиевый силовой выпрямительный элемент типа ВГ-10-150 (в сравнении с транзистором КТ315): максимальный рабочий ток 10 А (с радиатором и принудительным охлаждением), максимальное рабочее (обратное) напряжение 150 В. (Фото из Музея электронных раритетов).

Что касается дальнейшего развития выпрямителей, то оно шло и далее бурными темпами. Одним из шагов в их развитии стали компактные мостовые однофазныевыпрямители (схема их включения показана на рис.3), которые и являются темой данной статьи. Именно эти устройства и топология совместно с трехфазными держат пальму первенства в применении выпрямителей.

Достоинства мостового выпрямителя заключаются в двухполупериодном выпрямлении с малыми пульсациями, что позволяет уменьшить выходную фильтрующую емкость выпрямителя. К недостаткам следует отнести потери на диодах моста, которые зависят от величины тока, и зависимость выходного напряжения от нагрузки. Необходимость учитывать при выборе конденсатора фильтра не рабочее, а максимальное напряжение холостого хода, которое равно √2 • Vin. 

Имеется также не всем известный факт – использование дешевых кремниевых диодов с большим начальным участком вольтамперной характеристики (ВАХ), приводит к высокому уровню электромагнитных помех (ЭМП). Причем, как кондуктивных, так и излучаемых. С этим крайне неприятным эффектом автор статьи столкнулся в конце 1970-х годов, когда широкополосная ЭМП от диодного моста (от него питались сильноточные каскады), выполненного на отдельных, кремниевых диодах, просто «забивала» входные цепи чувствительного приемника. И это при всем притом, что последний питался от своего собственно выпрямителя со стабилизатором и имел по цепям питания все необходимые фильтры. Менее всего этому эффекту и потерям подвержены выпрямители на диодах Шоттки, обладающие меньшим прямым падением напряжения, емкостью и зарядом обратного восстановления, что позволяет выполнять на них высокочастотные выпрямители.

Как уже было сказано, выпрямитель – это альфа большинства РЭА, поскольку выход его из строя приведет к ее полному отказу. Кроме того, он может быть источником потерь мощности и ЭМП, создавая проблемы в части электромагнитной совместимости (ЭМС). Соответственно, к выбору этого важного компонента необходимо относиться ответственно, и ответственный разработчик остановит свой выбор на продуктах, гарантирующих качество и надежность в балансе с приемлемой для конкурентного приложения ценой.

 

Выпрямительные мосты – есть что предложить, и есть из чего выбрать

Ассортимент интересующих нас в рамках предлагаемой статьи мостовых выпрямителей, включает в себя однофазные мостовые выпрямители, в версиях для поверхностного монтажа (SMD), монтажа в сквозные отверстия («through-hole») и трехфазные мостовые выпрямительные модули (в том числе и управляемые) с выводными терминалами и исполнением «под винт».

Перечень коммерчески доступных компонентов, перекрывающих широкий диапазон токов и напряжений, кроме «классических» выпрямительных мостов и модулей, включает в себя сверхминиатюрные мосты и монтируемые в отверстия компактные выпрямители с высокой плотностью тока, позиционируемые как isoCink+TM. Краткие сведения по коммерчески доступным выпрямительным мостам в зависимости от их исполнения сведены в табл.1. Указанный в табл.1 прямой номинальный ток – это максимальный длительный ток на резистивную и индуктивную нагрузки.

И хотя большинство предложений вписывается в общее «классическое» представление о мостовом выпрямителе, здесь стоит особо отметить серию, которая позиционируется компанией Vishay, как isoCink+TM, рассчитанную на рабочие токи 45, 30, 25, 20, 15, 12 и 10 А. Хотя эту серию силовых мостовых выпрямителей нельзя отнести к новинкам компании Vishay, но она дает разработчикам компактное сильноточное решение для первичных выпрямителей в импульсных источниках питания самого широкого спектра применения.

Обладая высокой производительностью, сравнимой с мостовыми устройствами больших габаритов. Одно из их достоинств – это низкое тепловое сопротивление достигнутой благодаря использованию алюминиевой основы для передачи тепла от диодов к радиатору или внешней среде. Благодаря такому решению температура моста снижается на 10°С, что, как известно из теории надежности, повышает время наработки на отказ в два раза. Соответственно силовые мосты этой серии позволяют снизить требования к размерам радиаторов, поскольку для них требуется отвод меньшего тепла.

Удобство использования мостовых выпрямителей этой серии заключается еще и в том, что шаг и их расположение выводов, совместимы с классическими мостами в исполнении GBU и GSIB-5S. Соответственно мосты isoCink+™ дают возможность разработчикам увеличить мощность уже имеющихся выпрямительных систем без изменения компоновки печатных плат или конструктивного решения теплоотвода. А использование мостовых выпрямителей этой серии в новых разработках, не только экономит место на печатной плате, а также, благодаря своему исполнению (рис.4), упростит, при необходимости его использования, и решение по отводу тепла.

Области применения выпрямительных мостов isoCink+TM:

  • Импульсные источники питания и адаптеры для настольных ПК, серверов, ноутбуков.
  • Источники питания ЖК-телевизоров и ЖК-мониторов.
  • Первичные выпрямители бытовой техники инверторного типа, такой как холодильники, стиральные машины, кондиционеры и индукционные панели.
  • Первичная схема выпрямления в блоках питания телекоммуникационной аппаратуры.

Кроме перечисленных в табл.1 выпрямительных мостов компании-изготовители, например, такая известная компания, как Vishay предлагает мосты повышенной мощности с обратным напряжением до 1600 В, а также силовые выпрямительные мостовые модули (табл.2).

Здесь несомненный интерес представляют управляемые выпрямительные мосты серий VS-P100 и VS-P400 – серии интегральных силовых модулей, состоящих из мощных тиристоров и диодов, собранных в одном корпусе. Благодаря изолирующей опорной плите, механически конструкция значительно упрощена, что дает преимущества в снижении затрат и уменьшения габаритов. Приложения для таких устройств включают в себя: источники питания, цепи управления и зарядные устройства. По факту в составе этих серий имеются по три варианта (четвертая цифра в обозначении «Circuit configuration» – конфигурация):

0 = однофазный гибридный мост с общим катодом

2 = однофазный гибридным мост для удвоителя напряжения

3 = однофазный, полностью тиристорный мост (SCR bridge)

Схемы, представлены на рис.5 в схемах конфигурации 0 и 1 по два диода моста заменены на тиристоры (G1 и G2) с выведенным управляющим электродом. В схеме конфигурации 3 все четыре диода – это тиристоры (G1, G2, G3 и G4).

 

Заключение

Преимущество использования мостовых выпрямителей в сравнении с решениями на дискретных выпрямительных диодах заключается в том, что готовые диодные выпрямительные сборки, как правило, удобное и проще использовать. С точки зрения простоты применения и соотношения цена/качество у диодных мостов нет конкурентов. Кроме того, диоды в таких сборках, как мостовые выпрямители, имеют очень близкие характеристики с минимальным разбросом не только ВАХ, но и собственной емкости и заряда обратного восстановления, что снижает проблемы в части генерации ЭМП и упрощает сертификацию по ЭМС.

Автор статьи неоднократно использовал описанные продуктыв самых разных приложениях собственной разработки: от блоков питания малой и средней мощности, блока питания групповых высокочувствительных приемников и до 300 Вт ,блока питания для системы восьми высокочастотных усилителей мощности с круглосуточным 24/7 режимом работы. При должном выборе за все время эксплуатации таких устройств выходов из строя выпрямителей не наблюдалось даже в режиме предельной нагрузки в условиях повышенных температур, а вопросы подавления ЭМП и ЭМС без проблем решались стандартными фильтрами и экранированием.

Сейчас многие компании имеют в своих портфелях мостовые выпрямители, как говорится, на любой вкус и цвет. Однако, необходимо отметить, что кроме изготовителя необходимо выбрать и соответствующего поставщика, гарантирующего поставку оригинального компонента, а не его дешевого (в прямом и переносном смысле) подобия, которое сварганили ушлые «бизнесмены», нанеся на него марку бренда. Это не тот цент, который сбережет вам доллар.

Сподобалась стаття? Розповідайте друзям!
СХОЖІ СТАТТІ
comments powered by Disqus

ASANZA banner

ELEKTROSVIT banner

UKRPOSHTA banner

UKRPOSHTA banner

UKRPOSHTA banner

banner