На просторах интернета много форумов и сайтов где поднимается вопрос о необходимости шунтирования диода конденсатором. Строятся различные гипотезы и предположения, но конкретного ответа никто так и не даёт. В этой статье я наглядно покажу для чего диоды (диодные мосты) шунтируются конденсаторами на примере простого блока питания.
Типичная схема сетевого блока питания представлена на рисунке 1. Схема может быть как линейной, так и импульсной. В данном случае будем рассматривать линейный блок питания 220 В 50 Гц.
рисунок 1
Эту схему можно представить в виде эквивалентной схемы, заменив трансформатор паразитными индуктивностью рассеяния и емкостью вторичной обмотки:
рисунок 2
Rt, Lt, Ct – сопротивление вторичной обмотки трансформатора и ESR конденсатора фильтра (объединенные в один резистор для более реалистичного моделирования), индуктивность рассеяния и емкость между выводами обмотки соответственно. Rн – сопротивление нагрузки.
Схема на рисунке 2 была промоделирована в программе LTspice.
Двухполупериодный выпрямитель может быть представлен так же, как и на рисунке 2, но с двумя диодами, включенными последовательно. Это позволит уменьшить паразитную емкость диодов вдвое, а сам анализ останется в силе.
Я моделировал всем известные диоды 1N4007.
На рисунке 3 показан процесс моделирования. Ток нагрузки около 100 мА.
Второй пик более наглядно показывает установившийся режим. На рисунке трудно рассмотреть, но каждые 6,25 мс и 22 мс диоды закрываются и видно пачку импульсов "звона".
рисунок 3
Для детального рассмотрения процесса, увеличим рисунок в области времен 22 мс.
рисунок 4
На рисунке 4 явно видны колебания с частотой примерно 560 кГц.
Как известно, частота колебаний параллельного колебательного контура определяется формулой:
Подставляем свои значения:
Сt=500пФ+емкость диода=550пФ
Lt=0,133мГн
емкость диода по datasheet 50пФ
подставляем:
Частота соответствует действительности.
Теперь параллельно диоду поставим конденсатор емкостью 0,01мкФ или 10нФ. Схема будет иметь вид:
Моделируем и смотрим что получилось:
"Звон" по-прежнему отчетливо виден. Ни демпфирования, ни подавления колебаний нет, уменьшилась только частота колебаний. Новая частота будет равна:
Улучшение качества звука в этом случае будет явно заметно, это связано с тем, что уменьшилась частота колебаний и, соответственно, возможность проникновения помех в другие цепи. Фактически, чем больше конденсатор, тем меньше частота колебаний. Все это в значительной мере зависит от качества компонентов и трансформатора. Не будет новостью то, что каждый блок питания должен быть настроен индивидуально для каждой схемы.
Мы посмотрели, что происходит при закрытии выпрямительного диода на частоте 50Гц, нетрудно догадаться что происходит на более высоких частотах, например, в импульсных источниках питания.
Для более качественного подавления «звона» при закрытии диода, необходимо использовать RC – цепь. Методика расчета приведена на этом же сайте по ссылке: тык на меня
Мной был сделан калькулятор в excel для ленивых, чтобы долго не мучаться с формулами, его можно найти по ссылке выше.
подставляем исходные данные:
Выбираем резистор 470 Ом 0,25 Вт и конденсатор 3,3нФ
Схема будет иметь следующий вид:
Моделируем:
"Звон" практически подавлен, исключая начальный импульс. Выброс хорошо согласуется с коэффициентом демпфирования 0,5.
А что будет если использовать параллельно нашему снабберу еще и конденсатор, который мы ставили в первый раз? Проверим!
Рассчитаем заново элементы снабберной цепи, так как добавиться еще емкость конденсатора 10нФ:
Резистор 110 Ом 0,25Вт, конденсатор 62,8нФ
Схема имеет вид:
Моделируем:
Это решение наиболее лучшее из всех. "Звон" полностью подавлен RS, СS и, благодаря Сх, длительность начального импульса больше.
Частота "звона" выступает в роли несущей, проникая во все цепи устройства. В довершение всего, емкость диода нелинейна, соответственно спектр частоты "звона" полон высокочастотными составляющими, вплоть до мегагерцового диапазона. Другой проблемой является то, что конструктивно схема велика и содержит силовые трансформаторы, диоды, емкости фильтра. В совокупности с соединительными проводами все это занимает большую площадь. Соответственно, перенос помех в другие цепи может осуществляться как через магнитное поле, так и через емкостную связь. Это давно известно, и многие конструкторы размещают блок питания на отдельной плате или вообще в экранированном корпусе.
Уделив внимание рациональной разводке проводников печатной платы БП, расстановке компонентов, экранировке, можно уменьшить влияние "звона" на другие цепи. Но эти меры устраняют следствие, но не причину их вызвавшую. Поэтому в схемах чувствительной аппаратуры и применяют снабберы.
(только после того как выложил материал, увидел, что частота была установлена не 50, а 60 Гц. По даташиту на диод - полоса рабочих частот до 1000 Гц )