Jak czytać karty katalogowe? Część 4 - mostki prostownicze

W poprzedniej części omawialiśmy diody prostownicze. Naturalnym, dalszym krokiem jest mostek prostowniczy - tzw. mostek Graetza. I tym elementem zajmiemy się dzisiaj.

Mostek prostowniczy składa się z czterech odpowiednio połączonych ze sobą diod prostowniczych. Jest to tak zwany prostownik dwupołówkowy, czyli taki, który korzysta z obu połówek sinusoidy napięcia przemiennego.

Na rysunku poniżej widzimy prosty zasilacz, składający się ze źródła napięcia przemiennego VIN, obciążenia RL oraz czterech diod - D1...D4, które formują mostek. Tego rodzaju elementy stosuje się w układach, w których potrzebujemy prostować większą moc i zależny nam na wydajności prądowej naszego zasilacza.



Powyższy układ narysowano w LTspice, co pozwala nam zamodelować jego działanie. Na poniższym oscylogramie widzimy przebieg napięcia na obciążeniu - napięcie AC jest prostowane - obie połówki są przepuszczane przez mostek, nie tak jak tylko jedna w przypadku pojedynczej diody, ale dolna część przebiegu jest "odwracana". Jeśli do takiego układu dodamy jeszcze kondensator filtrujący, to uzyskamy już całkiem przyzwoity niestabilizowany zasilacz DC.



Na schemacie mostek zbudowany jest z czterech dyskretnych diod prostowniczych. Jakkolwiek w rzeczywistości też można tak zrobić, to dużo prościej wykorzystać jest scalony mostek prostowniczy, jakich spora liczba - o różnych parametrach - dostępna jest na rynku.

Przykładowa karta katalogowa mostka prostowniczego

Jako przykład mostka prostowniczego wybierzmy GBU4M, produkcji firmy Vishay. Kartę katalogową tego elementu znaleźć możemy tutaj, otwórzmy ją w tle lub wydrukujmy - znacząco pomoże nam to w czytaniu artykułu.

Na pierwszej stronie nie widzimy niczego zaskakującego. Pokazane jest pełne oznaczenie układu, schemat wewnętrzny i opis wyprowadzeń elementu. Znajduje się też tutaj tabela z podstawowymi cechami tego elementu, wliczając w to informację, że wszystkie elementy z tej rodziny mają taki sam prąd maksymalny - 4 A - i różnią się jedynie maksymalnym napięciem wstecznym.

Jedną z rzeczy, na które warto zwrócić uwagę, jest numer UL, zawarty w liście głównych cech układu ("Features"). Początkowo wydawać może się dziwne, że tutaj znajduje się numer certyfikatu z UL, ale wiedząc, że tego rodzaju mostki często stosowane są w komercyjnych zasilaczach, dobrze jest mieć numer UL pod ręką, jeśli chcemy, aby projektowany przez nas zasilacz charakteryzował się dobrymi parametrami.

Poniżej znajduje się tabela z wartościami maksymalnymi. Widzimy tutaj trzy różne napięcia wsteczne, aczkolwiek w przypadku tej karty katalogowej wszystkie te wartości są opisane w dosyć czytelny sposób. Widzimy, że maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne, jest takie same jak maksymalne stałe napięcie wsteczne. Dla wybranego przez nas układu (GBU4M) wynosi ono 1000 V, więc powinno być dostatecznie wysokie do zastosowania we wszystkich sytuacjach, jakie możemy sobie wyobrazić.

W kolejnej linii napotykamy coś ciekawszego - widzimy, że są tutaj dwie specyfikacje maksymalnego prądu płynącego w kierunku przewodzenia, które różnią się warunkami pomiaru.

W pierwszym momencie wydawać się może, że układ, gdy ma wyższą temperaturę, jest w stanie wytrzymać wyższy prąd niż gdy jest zimny. Jeśli przyjrzymy się bliżej, to widzimy, że chodzi tutaj o TC, czyli temperaturę obudowy i TA czyli temperaturę otoczenia. Czytając dalej, trafiamy na dwie notki (1) oraz (2) które informują, że wyższa temperatura jest akceptowalna wtedy, gdy element przykręcony jest do radiatora, a niższa gdy pracuje bez niego.

Oznacza to, że nasz czteroamperowy mostek jest bez radiatora w rzeczywistości mostkiem, który ma maksymalny prąd równy 3 A. To bardzo istotna informacje i fajnie, że jest zawarta w karcie katalogowej, aczkolwiek jeszcze lepiej by było gdyby była zawarta w bardziej czytelny sposób niż z opisami w przypisach dolnych.

Kolejny parametr, jaki widzimy to imponujący prąd w kierunku przewodzenia (w impulsie, którego charakter jest dokładnie opisany - to jeden okres sinusa) wynoszący 150 A. w Tabeli na kolejnej stronie natomiast widzimy, że spadek napięcia na każdej z diod układu wynosi 1 V, a prąd wsteczny nie przekracza 0,5 mA (warunki, w jakich to zmierzono, zawarte są w tabeli).



Finalnie, w ostatniej z tabeli, które nas interesują w tej części karty katalogowej, znajdują się parametry termiczne - rezystancja cieplna pomiędzy złączem i obudową (to przyda nam się, jeśli będziemy chcieli zamontować układ na radiatorze) i pomiędzy złączem i otoczeniem (w wypadku pracy bez radiatora).

Krzywe obniżające i parametry przepięciowe

W dalszej części karty katalogowej znaleźć możemy szereg wykresów. Są to tak zwane charakterystyki/krzywe obniżające, które specyfikują o ile poszczególne parametry, wymienione powyżej, pogarszają się w funkcji np. temperatury. Pierwszy z nich opisuje bezpieczny zakres stosowania elementu - mówi, o ile spada maksymalny prąd płynący w kierunku przewodzenia w funkcji temperatury obudowy elementu zamontowanego na radiatorze lub temperatury otoczenia elementu wolnego - bez radiatora.

Oznacza to, że na przykład możemy bezpiecznie korzystać z tego elementu do około 75°C przy płynącym prądzie równym 2 A. Dla porównania, jeśli wykorzystamy radiator, to do 125°C korzystać możemy z pełnego prądu elementu. Krzywą taką możemy samodzielnie nakreślić, gdyż znamy parametry, takie jak rezystancja cieplna układu i maksymalna temperatura jego pracy. Jeśli chcemy, możemy powtórzyć obliczenia producenta, ale nie ma, co robić tego za każdym razem - wykres ten jest po to, by ułatwić nam życie podczas projektowania urządzenia.

Tego rodzaju wykresy często pojawiają się w innych kartach katalogowych, aczkolwiek mogą być różnie nazywane. Warto jednakże zawsze poszukać wykresów mocy rozpraszanej na elemencie w funkcji temperatury otoczenia.

Dalej widzimy krzywą opisującą maksymalny szczytowy prąd mostka w funkcji ilości okresów sinusa, jakie musi wyprostować. Pamiętamy, że dla jednego było to 150 A. Na przykład dla 50 cykli (około 1 s dla napięcia z gniazdka) prąd ten wynosi już tylko 50 A.

Ten parametr jest dużo bardziej istotny, niż podpowiada nam intuicja. Na przykład, jeżeli budujemy typowy zasilacz DC, to za mostkiem prostowniczym zamontujemy duży kondensator. Jeśli kondensator będzie rozładowany w momencie, gdy podłączymy do zasilacza napięcie, to pobierze on duży prąd, gdyż zasadniczo będzie zwarciem dla napięcia zmiennego. Taki prąd mógłby uszkodzić nasz mostek, dlatego ważne jest, aby użyć mostka prostowniczego o odpowiednio dużym prądzie w impulsie. Oczywiście mogą być inne powody do wykorzystania elementu o dużym prądzie w impulsie, ale to temat na osobny artykuł. Autorka opowiada jedynie o przykładzie takiego układu, jaki kiedyś projektowała - mostek wykorzystano do prostowania krótkich impulsów. Przez większość czasu nie przewodził on żadnego prądu, ale okazjonalnie, przez około 10 ms, płynął przezeń prąd 30 A. To mniej niż jeden okres napięcia sieciowego, więc powyższy mostek prostowniczy idealnie nadałby się do takiego zastosowania, mimo że podstawowe parametry wcale nie wskazują na taką możliwość.

Często zdarza się tak, że elementy mogą być wykorzystane poza swoim zakresem katalogowym. Jeden z takich przykładów miał miejsce właśnie podczas testowania opisanego wyżej układu. Testowano intencjonalnie uszkodzony układ na wypadek porażenia użytkownika bądź ryzyka pożarowego. Impulsy podawane na mostek sterowane były z pomocą mikrokontrolera. Autorka konstrukcji zadała sobie istotne pytanie - co się stanie, jeżeli system ten uszkodzi się tak, że przez mostek płynąć będzie prąd cały czas, a nie w impulsie 10 ms.

Typowo na mostek podawano prąd o wysokości 6 A - dwukrotność katalogowej wartości bez radiatora. Zwarto zatem element odpowiadający za przełączanie prądu w impulsach, załączono system i... nic się nie działo.

Na mostku prostowniczym zamontowana była termopara monitorująca jego temperaturę. Założono - całkiem z resztą słusznie - że w pewnym momencie element ten przegrzeje się, pytanie tylko jak szybko. Mostek ten pracować mógł do 150°C (w/g karty katalogowej). Badany element w układzie osiągnął 240°C, a system nadal poprawnie działał. Co więcej - pozostawiono element do wystygnięcia i następnego dnia usunięto zwarcie i przetestowano urządzenie - mostek prostowniczy doskonale działał pomimo spędzenia czterech godzin w temperaturze 240°C.

Mostek był widocznie przypalony, płytka drukowana również, ale sam układ działał poprawnie. Test został zdany - nic się nie zapaliło i wszystko było OK. Jaki z tego morał? Układy elektroniczne potrafią bardzo dziwnie zachowywać się poza swoimi parametrami. Czasami zupełnie inaczej niż się tego spodziewamy, dlatego jeżeli przewidujemy jakiekolwiek wyjście poza parametry katalogowe w projektowanym przez nas systemie, koniecznie musimy sprawdzić jego działanie, a nie zakładać jak będzie.

W kolejnych częściach zajmiemy się innymi rodzajami diod, stosowanych w elektronice, a tymczasem zapraszam do komentowania i zadawania pytań.

Źródło: https://www.eeweb.com/profile/elizabeth-simon/articles/how-to-read-data-sheets-bridge-rectifiers