Mostki prostownicze

Czym jest mostek prostowniczy?

Mostek prostowniczy jest układem diod służącym do prostowania napięcia przemiennego. Jego zadaniem jest zamiana napięcia AC na napięcie pulsujące DC, które następnie może zostać wygładzone przez kondensatory i wykorzystane do zasilania kolejnych stopni urządzenia.

Mostki prostownicze są powszechnie stosowane w zasilaczach, falownikach, napędach oraz innych urządzeniach elektroniki przemysłowej.

Gdzie stosuje się mostki prostownicze?

Mostki prostownicze można znaleźć między innymi w:

• zasilaczach impulsowych,
• falownikach,
• napędach przemysłowych,
• przetwornicach,
• ładowarkach,
• urządzeniach UPS,
• sterownikach silników,
• układach zasilania automatyki.

W wielu urządzeniach mostek prostowniczy jest jednym z pierwszych elementów stopnia mocy, przez który przepływa energia z sieci zasilającej.

Budowa mostka prostowniczego

Klasyczny mostek jednofazowy składa się z czterech diod połączonych w układ Graetza.

W zależności od zastosowania mogą występować również:

• mostki trójfazowe,
• moduły prostownicze,
• mostki zintegrowane,
• prostowniki sterowane,
• układy prostownicze z tyrystorami.

Konstrukcja musi być odpowiednio dobrana do napięcia, prądu oraz warunków termicznych.

Rola mostka prostowniczego w zasilaczu

W zasilaczu przemysłowym mostek prostowniczy odpowiada za przygotowanie napięcia dla obwodu pośredniego.

Za mostkiem znajduje się zazwyczaj układ filtrujący z kondensatorami, który ogranicza tętnienia napięcia.

Uszkodzenie mostka może więc bezpośrednio wpłynąć na pracę całej przetwornicy.

Objawy uszkodzenia mostka prostowniczego

Awaria mostka może powodować:

• przepalenie bezpiecznika,
• wybijanie zabezpieczeń,
• brak napięcia obwodu pośredniego,
• nadmierny pobór prądu,
• zwiększone tętnienia,
• przegrzewanie,
• brak napięcia wyjściowego,
• niestabilną pracę urządzenia.

W przypadku zwarcia jednej z diod problem może pojawić się natychmiast po podaniu zasilania.

Zwarcie jednej z diod

Jednym z częstszych uszkodzeń mostka jest zwarcie pojedynczej diody.

Może ono prowadzić do:

• gwałtownego wzrostu prądu,
• przepalenia bezpiecznika,
• uszkodzenia elementów wejściowych,
• przeciążenia sieciowego,
• dodatkowych uszkodzeń kondensatorów lub tranzystorów mocy.

Po stwierdzeniu zwarcia należy sprawdzić również elementy znajdujące się za mostkiem.

Przerwa w jednej z diod

Dioda może również ulec uszkodzeniu w sposób prowadzący do przerwy w przewodzeniu.

W takim przypadku prostowanie napięcia może być niepełne, co może powodować:

• obniżenie napięcia DC,
• zwiększenie tętnień,
• niestabilną pracę,
• problemy z uruchomieniem urządzenia,
• zwiększone obciążenie innych elementów.

W przypadku mostków trójfazowych szczególnie ważne jest sprawdzenie wszystkich gałęzi prostownika.

Przegrzewanie mostka

Mostek prostowniczy może wydzielać znaczną ilość ciepła podczas pracy, szczególnie przy dużych prądach.

Przyczyną nadmiernej temperatury może być:

• przeciążenie,
• niewłaściwe chłodzenie,
• zabrudzony radiator,
• niesprawny wentylator,
• zwiększone straty na uszkodzonej diodzie,
• zbyt mały radiator.

Długotrwałe przegrzewanie może prowadzić do degradacji półprzewodników.

Diagnostyka mostka multimetrem

Podstawową diagnostykę można wykonać za pomocą multimetru wyposażonego w funkcję testu diody.

W przypadku klasycznego mostka należy sprawdzić wszystkie wewnętrzne diody zgodnie z jego strukturą.

Można wykryć między innymi:

• zwarcie,
• przerwę,
• nieprawidłowe przewodzenie,
• znaczącą różnicę pomiędzy poszczególnymi gałęziami.

Pomiar powinien być wykonany przy odpowiednio odłączonym i rozładowanym urządzeniu.

Pomiar mostka zamontowanego w urządzeniu

Pomiar mostka bezpośrednio w układzie może być utrudniony przez obecność innych elementów.

Na wynik mogą wpływać:

• kondensatory,
• rezystory,
• tranzystory,
• uzwojenia transformatorów,
• inne diody.

Jeżeli wynik pomiaru jest niejednoznaczny, warto odłączyć mostek od części układu lub wykonać pomiary bezpośrednio na jego wyprowadzeniach zgodnie z dokumentacją.

Diagnostyka mostka trójfazowego

Mostki trójfazowe są powszechnie stosowane w falownikach i napędach przemysłowych.

W przypadku diagnostyki należy sprawdzić wszystkie ścieżki przewodzenia pomiędzy zaciskami wejściowymi AC i wyjściem DC.

Uszkodzenie jednej gałęzi może powodować:

• asymetrię prądu,
• obniżone napięcie DC,
• zwiększone tętnienia,
• przeciążenie pozostałych diod,
• alarmy urządzenia.

Mostek prostowniczy a napięcie DC BUS

W falownikach oraz niektórych napędach napięcie za mostkiem prostowniczym trafia do obwodu pośredniego DC.

Jeżeli mostek nie pracuje prawidłowo, mogą pojawić się:

• zbyt niskie napięcie DC BUS,
• zwiększone tętnienia,
• błędy zasilania,
• niestabilna praca,
• problemy z uruchomieniem stopnia mocy.

Dlatego w przypadku problemów z DC BUS warto uwzględnić również stan prostownika.

Mostek po przepięciu

Przepięcie w sieci może spowodować uszkodzenie mostka prostowniczego.

Szczególnie narażone są urządzenia, w których uszkodzeniu uległy wcześniej elementy ochronne, takie jak warystory lub bezpieczniki.

Po awarii po stronie wejściowej należy sprawdzić cały tor zasilania, a nie tylko sam mostek.

Mostek po zwarciu tranzystora mocy

Zwarcie tranzystora mocy może doprowadzić do przeciążenia całego obwodu wejściowego i uszkodzenia mostka.

Dlatego w przypadku uszkodzenia MOSFET-a, IGBT lub innego elementu mocy warto sprawdzić również:

• mostek prostowniczy,
• kondensatory obwodu pośredniego,
• bezpieczniki,
• elementy zabezpieczające,
• ścieżki PCB.

Wymiana mostka prostowniczego

Przy wymianie mostka należy dobrać element odpowiedni do warunków pracy urządzenia.

Istotne są między innymi:

• maksymalne napięcie wsteczne,
• dopuszczalny prąd,
• przeciążalność,
• parametry termiczne,
• obudowa,
• sposób montażu,
• sposób chłodzenia.

W przypadku modułów prostowniczych należy uwzględnić również parametry termiczne całego zespołu.

Test po wymianie mostka

Po wymianie mostka należy sprawdzić cały układ zasilania.

Warto zweryfikować:

• pobór prądu,
• napięcie za prostownikiem,
• tętnienia,
• temperaturę mostka,
• napięcie obwodu pośredniego,
• działanie zabezpieczeń,
• zachowanie urządzenia pod obciążeniem.

Test powinien potwierdzić nie tylko sprawność nowego elementu, ale również prawidłową pracę pozostałych części układu.

Podsumowanie

Mostki prostownicze są podstawowymi elementami układów zasilania wielu urządzeń elektroniki przemysłowej. Ich uszkodzenie może prowadzić do zwarć, przepalania zabezpieczeń, braku napięcia DC oraz niestabilnej pracy całego urządzenia.

Diagnostyka powinna obejmować wszystkie elementy prostownika oraz obwody współpracujące. W przypadku awarii mostka warto również sprawdzić przyczynę jego uszkodzenia, ponieważ często jest ona związana z przeciążeniem, przepięciem lub awarią kolejnego stopnia urządzenia.