Виробництво і ресурси

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.