Мостовой выпрямитель на транзисторах • HamRadio

Мостовой выпрямитель на транзисторах, контекст разработки и основные требования были опубликованы в журнале Practical Electronics, идея понравилась и вот появилась статья.

В процессе создания схемы для применения в выпрямителях переменного тока (идеальный мостовой выпрямитель на транзисторах MOSFET) авторы прошли через этап обмена идеями, обсуждений и уточнений. В итоге сформулировали несколько ключевых требований:

— Минимальное количество компонентов — стремление к простоте.

— Схема должна «просто работать без дополнительных доработок.

— Минимальный обратный ток при включении и выключении транзисторов MOSFET — критично для предотвращения паразитных токов и нагрева.

В ходе разработки концептуальная схема временно усложнилась, но затем авторы вернулись к изначальным целям, отбросив избыточные элементы.

Компоновка и варианты печатных плат мостовой выпрямитель на транзисторах

Есть два варианта печатных плат так как была поставлена задача уменьшить размер платы. В результате представлены две версии печатных плат:

— Версия для монтажа в отверстия (through-hole) — использует выводные компоненты.

— Версия для поверхностного монтажа (SMD) — более компактная, предназначена для компактных устройств.

Обе платы используют одинаковую схему. В SMD-версии применены резисторы типоразмера 1206 и транзисторы в корпусе SOT23, что делает сборку несложной.

Важное решение, в обеих версиях используются транзисторы MOSFET в корпусе TO-220. Это сделано для удобства установки радиаторов при необходимости. Хотя существуют сильноточные SMD MOSFET, но их сложнее охлаждать, и в данном случае они заняли бы больше места, чем TO-220.

Авторы отмечают, что платы не будут миниатюрными, как обычные мостовые выпрямители, но их размеры разумны и с высокой вероятностью позволят разместить плату в существующем корпусе.

Ограничения по применению мостовой выпрямитель на транзисторах

Трансформаторы с разделёнными вторичными обмотками

Схема оптимизирована для трансформаторов с двойной или с отводом в вторичной обмоткой, где средняя точка обмоток подключается к земле выходных конденсаторов. Такое подключение позволяет формировать двухполярное питание.

Если трансформатор имеет одну вторичную обмотку, схема тоже будет работать, но работа может стать «шумным» (неоптимальным). Для таких случаев авторы рекомендуют использовать специализированные микросхемы, например LT4320, которые они применяли в других проектах. В тех проектах нижние транзисторы MOSFET включаются на полный полупериод, обеспечивая чистое переключение.

Токовые ограничения и охлаждение

— P-канальные транзисторы имеют более высокое сопротивление Rds(on), чем N-канальные, поэтому они определяют максимально допустимый ток из-за падения напряжения и рассеиваемой мощности.

— До 10 А радиаторы не требуются, но при токе выше 5 А рекомендуется устанавливать небольшие радиаторы.

— При токе выше 10 А необходимы большие радиаторы, хорошие радиаторы такого типа могут выдерживать минимум 15 А.

— При ещё больших токах может потребоваться принудительное воздушное охлаждение.

Принципиальная схема и её особенности

Схема (рисунок в тексте) состоит из двух идентичных секций — верхней и нижней. Они имеют противоположную полярность для обеспечения тока в противоположных направлениях:

— Верхняя секция: два P-канальных MOSFET, четыре PNP-биполярных транзистора, два NPN-биполярных транзистора.

— Нижняя секция: два N-канальных MOSFET, четыре NPN-биполярных транзистора, два PNP-биполярных транзистора.

Принцип управления мостовой выпрямитель на транзисторах

Каждая из четырёх секций измеряет входное переменное напряжение на одном выводе. MOSFET включается только тогда, когда входное напряжение примерно на 34 мВ превышает выходное (выше положительной шины или ниже отрицательной). Это предотвращает включение MOSFET при равенстве напряжений и исключает обратный ток из конденсаторов в трансформатор, который мог бы вызвать скачки тока, помехи и перегрев.

Детали работы одной секции (на примере верхнего узла)

В состав секции входят диоды D1, D2, PNP-транзисторы Q5 и Q6. Q5 включён диодом (база соединена с коллектором).

— Резистор 68 Ом играет ключевую роль: он создаёт гистерезис (порог срабатывания).

— Через резисторы коллектора 22 кОм протекает ток около 0,5 мА, который задаётся источником постоянного тока на транзисторах Q7 и Q8 (стандартная двух транзисторная схема).

— Этот ток проходит через пары Q5/D1 и Q6/D2, создавая падение напряжения ≈1,2 В, а также через резистор 68 Ом, создавая дополнительное падение ≈34 мВ.

— Пока входное напряжение не превысит выходное на 34 мВ, ток базы Q6 остаётся выше, чем Q5, Q6 открыт, и затвор транзистора MOSFET удерживается в высоком состоянии (транзистор закрыт). Как только превышение достигается, Q6 начинает закрываться, и затвор MOSFET через резистор 22 кОм подтягивается к низкому уровню, открывая MOSFET.

Отрицательная обратная связь и линейный режим

Схема содержит цепь отрицательной обратной связи, которая стремится поддерживать разность между входом и выходом равной 34 мВ. Без резистора 68 Ом схема пыталась бы удерживать нулевую разность, что из-за разброса параметров могло бы привести к постоянному включению транзисторов MOSFET.

При малых токах нагрузки транзистор MOSFET работает в линейном режиме с низким падением напряжения (регулирование осуществляется через обратную связь). При увеличении тока падение напряжения на транзисторе MOSFET превышает 34 мВ из-за Rds(on), и схема подаёт на затвор большее напряжение. В итоге VGS достигает 12 В, и стабилитрон защиты затвора (ZD1) открывается, предотвращая превышение допустимого напряжения.

Выбор MOSFET и особенности P-канальных транзисторов

Из-за такого способа управления использование MOSFET со сверхнизким Rds(on) (например, 10 мкОм) не даёт особых преимуществ. До токов 5–6 А падение напряжения определяется контуром обратной связи, а не сопротивлением канала.

P-канальные MOSFET, используемые в верхней секции, имеют большее Rds(on), чем N-канальные, что ограничивает максимальный ток. Авторы сознательно отказались от схемы повышения напряжения на затворе (charge pump), которая позволила бы использовать четыре одинаковых N-канальных MOSFET, посчитав, что дополнительные компоненты и возможные новые виды отказов не оправданы.

Источник постоянного тока (Q7, Q8)

Источник тока построен на двух NPN-транзисторах (стандартная схема). Он подключён к отрицательной выходной шине для компараторов положительной полярности и к положительной шине для компараторов отрицательной полярности. Такое решение:

— Обеспечивает максимальное управление затвором MOSFET при работе в низковольтном режиме (особенно во время запуска, когда конденсаторы заряжаются большими токами);

— Снижает рассеиваемую мощность на MOSFET в периоды высокой нагрузки;

— Позволяет избежать подключения заземления к печатной плате, упрощая разводку.