Снабберные RC цепочки параллельно диодам выпрямителя и подавление высокочастотного звона при обратном восстановлении

Выпрямители в блоках питания выглядят на первый взгляд простыми и надежными узлами. Несколько диодов превращают переменное напряжение сети в пульсирующий постоянный ток. Однако при каждом закрытии диода внутри схемы вспыхивает короткий но мощный высокочастотный звон. Этот звон проникает через фильтры в чувствительные цепи и рождает мультипликативный сетевой фон который портит звук в усилителях или поднимает шум в измерительной аппаратуре. Снабберные RC-цепочки установленные параллельно каждому диоду гасят колебания прямо в момент их рождения. Они не просто добавляют пару компонентов а превращают беспокойный выпрямитель в тихий и чистый источник энергии.

Природа высокочастотного звона при закрытии диодов

Диоды не переключаются мгновенно. После смены полярности они еще некоторое время проводят ток в обратном направлении пока не восстановится запирающий слой. Этот обратный ток обрывается резко и встречается с паразитной индуктивностью обмоток трансформатора монтажных проводов и выводов. Получается готовый колебательный контур из индуктивности L и суммарной емкости C состоящей из емкости самого диода и монтажных паразитов.

Частота возникающих колебаний определяется выражением f = 1 / (2 * pi * sqrt(L * C))

Обычно она лежит в пределах от нескольких сотен килогерц до пяти-семи мегагерц. Амплитуда импульсов легко достигает двадцати-сорока вольт даже при скромном напряжении питания. В сетевых выпрямителях на пятьдесят герц такой звон повторяется дважды за период и длится десятки микросекунд. В импульсных источниках питания частота коммутации выше и звон становится еще более выраженным. Без подавления эти всплески излучают помехи в эфир и проникают по цепям питания в полезный сигнал.

Как рождается мультипликативный сетевой фон в сигнале

Высокочастотный звон сам по себе может быть неслышимым. Но он модулируется пульсацией сто герц выпрямленного напряжения. В результате полезный сигнал умножается на эту шумящую огибающую. В спектре появляются боковые полосы вокруг каждой частоты полезного сигнала. Человек слышит характерный гул или треск который становится громче при увеличении громкости.

В аудиоусилителях фон особенно заметен в паузах между музыкальными фразами. В радиоприемниках он поднимает уровень шума на десять-пятнадцать децибел и маскирует слабые станции. В измерительных приборах такой эффект искажает показания на низких уровнях сигнала. Обычные электролитические конденсаторы фильтра здесь бессильны потому что на мегагерцах они ведут себя как индуктивности и не шунтируют высокочастотные всплески. Снаббер обрывает механизм модуляции в самом начале не давая звонам превратиться в слышимый фон.

Принцип действия RC-снаббера и почему его параметры зависят от типа выпрямителя

Снаббер состоит из резистора и конденсатора соединенных последовательно и подключенных параллельно диоду. В момент резкого обрыва обратного тока конденсатор принимает на себя энергию и сглаживает фронт напряжения. Резистор ограничивает ток разряда и переводит контур в апериодический режим без затяжных колебаний.

Для критического демпфирования сопротивление выбирают по формуле R = 0.5 * sqrt(L / C_snub)

Это значение обеспечивает исчезновение звона за один-два периода. Однако выбор емкости C_snub сильно зависит от типа выпрямителя. В классических сетевых трансформаторных блоках питания на пятьдесят герц потери на заряд-разряд конденсатора ничтожны поэтому инженеры используют довольно большие емкости от десяти до ста нанофарад. Такая величина гарантированно подавляет радиочастотный звон даже при значительной паразитной индуктивности.

В высокочастотных импульсных источниках питания работающих на десятках или сотнях килогерц ситуация иная. Здесь конденсатор заряжается и разряжается тысячи раз в секунду поэтому его емкость выбирают в два-четыре раза больше собственной емкости диода в закрытом состоянии. Большие значения привели бы к недопустимым потерям и перегреву резистора. Такое разделение подходов позволяет добиться оптимального результата в каждом конкретном случае.

Расчет и подбор компонентов для сетевых и импульсных схем

Расчет начинается с оценки паразитной индуктивности схемы. Для тороидального трансформатора мощностью сто-двести ватт типичное значение лежит в пределах от одного до пяти микрогенри. Емкость быстрого диода в закрытом состоянии обычно составляет от ста до пятисот пикофарад. Дальше проводят практическую подстройку с помощью осциллографа и переменного резистора наблюдая форму напряжения на диоде.

Готовые проверенные значения для разных случаев выглядят так:

• для сетевого выпрямителя на диодах 1N4007 в аудиоусилителе C_snub десять-двадцать два нанофарада R_snub десять-сорок семь ом
• для мощного выпрямителя на диодах MUR860 или UF5408 C_snub сорок семь-сто нанофарад R_snub двадцать два-шестьдесят восемь ом
• для импульсного блока питания на частоте сто килогерц с диодами быстрого восстановления C_snub один-два нанофарада R_snub десять-двадцать ом
• для высоковольтного выпрямителя в ламповой аппаратуре C_snub десять-тридцать три нанофарада R_snub сорок семь-сто двадцать ом

Конденсатор должен выдерживать полное пиковое напряжение сети с запасом и иметь низкие потери на высоких частотах. Резистор выбирают мощностью не менее половины ватта чтобы он не перегревался при длительной работе.

Реальные преимущества снабберов в готовых устройствах

После установки RC-цепочек осциллограмма выпрямленного напряжения становится чистой без затяжных колебаний. Уровень фона в звуковом тракте падает на десять-двадцать децибел особенно заметно в тихих пассажах музыки. Электромагнитное излучение от проводов и трансформатора снижается что позволяет размещать чувствительные приемники рядом с блоком питания без помех.

Кроме того снабберы защищают сами диоды от перенапряжений возникающих при коммутации индуктивных нагрузок. В ламповых усилителях они заметно уменьшают щелчки при включении. В радиопередатчиках снижают уровень внеполосных излучений. Многие разработчики отмечают что после добавления снабберов аппаратура перестает "шипеть" в эфире а шум в наушниках становится практически неразличим даже при максимальной чувствительности.

Когда снаббер обязателен и как избежать лишних потерь

Снаббер необходим во всех схемах с обычными или быстрыми выпрямительными диодами в трансформаторных блоках питания на пятьдесят герц. Особенно критично его присутствие в высококачественной аудиоаппаратуре измерительных приборах и радиоприемниках. В импульсных преобразователях с синхронным выпрямлением на MOSFET ситуация зависит от топологии. В обычных ШИМ-схемах типа Flyback или Forward внутренний паразитный диод транзистора испытывает жесткое обратное восстановление поэтому снабберы или активные кламперы здесь жизненно необходимы для защиты от лавинного пробоя. Только в резонансных топологиях таких как LLC с мягким переключением ZVS или ZCS можно часто обойтись без дополнительных цепочек потому что коммутация происходит при нулевом токе или напряжении.

Единственное ограничение снабберов заключается в небольших дополнительных потерях. При правильном выборе резистора они не превышают долей ватта даже в мощных устройствах. Конденсатор ставят с запасом по напряжению и проверяют его на нагрев. Соблюдение этих правил превращает простую RC-цепочку в надежный инструмент который делает источник питания по-настоящему тихим и стабильным.

Размышляя над работой выпрямителей понимаешь насколько важно гасить переходные процессы именно в месте их возникновения. Без снаббера энергия звона разносится по всей схеме и портит сигнал. С правильно подобранными цепочками она аккуратно поглощается и превращается в едва заметное тепло. Именно поэтому опытные разработчики всегда предусматривают место для этих маленьких но очень эффективных элементов. В результате устройство работает стабильно не мешает окружающим блокам и радует чистым сигналом даже при длительной непрерывной эксплуатации. Такой подход позволяет создавать аппаратуру которая служит долгие годы и сохраняет свои параметры в любых условиях.