Jaké diody používat pro DCC

Problém

Dlouhou dobu všichni železniční modeláři používali ty nejběžnější univerzální usměrňovací diody. Dnes jsou v této kategorii zejména 1N4001 až 1N4007 (1A/50-1000V), nebo podobné. Jsou to levné a spolehlivé diody na obecné použití. Pro vyšší proudy pak vyhoví např. 1N5408 (3A/1000V).

V analogu to bylo jedno a s příchodem digitálu se nad tím nikdo moc nezamýšlel. Ale – dlouhou dobu to v modelářském světě nikdo nezdůrazňoval a možné chyby se spíš házeli na hlavu špatnému přenosu signálu v kolejišti, výpadkům paketů apod. – je tu potenciální riziko. Tyto diody jsou pomalé pro frekvence, na kterých běží DCC. A to může způsobit nečekané problémy. Proč?

Na následujícím obr. 1 je znázorněn průběh signálu DCC.  Napětí teď není důležité, může být od 8V pro nejmenší rozchody až po cca 18-20V pro „maxi“ měřítka. Ale délka impulsů je poměrně striktně předepsaná, zejména pro jedničku (58 ±3µs). Nula musí být delší než 95µs, aby se spolehlivě odlišila od jedničky. Pokud to převedeme na frekvenci, pak jedničce odpovídá 8,6 kHz a nule méně než 5kHz (https://www.nmra.org/sites/default/files/standards/sandrp/pdf/s-9.1_electrical_standards_2006.pdf).

Ve škole jsme se učili, že dioda propouští proud pouze jedním směrem, od anody ke katodě. Není to tak úplně pravda, maličký proud může protékat i opačným směrem, ale u kvalitních křemíkových diod ho skutečně můžeme zanedbat. Co však zanedbat nemůžeme je proudový impuls v závěrném směru, který vznikne v době uzavření diody. Je způsoben fyzikálními jevy v p-n přechodu diody, které zde podrobně popisovat nebudu (rekombinace elektronů a děr, měnící se oblast prostorového náboje). Důsledkem je, že po jistou kratší dobu po překlopení do „nevodivého“ stavu teče diodou poměrně velký proud i v závěrném směru. Jeho velikost i doba trvání závisí zejména na složení polovodičového materiálu (koncentrace a typ příměsí) i na napětí na přechodu. Děj je znázorněn na obr. 2.  V příkladu na obrázku je doba trvání tohoto impulsu přibližně čtvrtina půlperiody signálu. To už je relativně dost. Tato doba je více-méně stejná pro danou diodu, logicky tedy pro vyšší frekvence představuje větší část periody.

Doba, po kterou tento proud teče, se nazývá doba zotavení (anglicky Reverse Recovery Time) a v katalogu ji najdeme pod označením t_rr. U nejobyčejnějších diod ji výrobci často neuvádí, protože se není čím chlubit. Ale bývá až desítky mikrosekund. Pro normální síťovou frekvenci 50Hz (která má půlperiodu 10 ms), to podstatné není, ale pro frekvence řádu kilohertzů to už problém způsobit může.

Na obr. 3 je znázorněn čas zotavení i jeho dvě složky (převzato z  https://www.electrical4u.com/reverse-recovery-time-of-diode/, kde je možné získat více informací).

Pokud vezmeme do úvahy, že t_rr obyčejné usměrňovací diody 1N4007 je 30 µs a porovnáme to s obr. 1, zjistíme, že je to až polovina doby impulsu pro jedničku. A to už je závažný problém, pokud z nějakých důvodů musíme DCC signál kvůli usměrnění vést přes diodu. Dioda se značnou dobu chová jako vodič a ne jako usměrňovač. Typickým problémem mohou být tzv. ABC brzdící úseky, kde zapojujeme do série tři až čtyři diody a předpokládáme, že tím vyvoláme nesymetrii signálu. Nebo pokud z DCC vedeme napětí přes usměrňovací diodu (nebo můstek) na LED. Předpokládáme, že přes LED teče proud pouze jedním směrem, ale tento předpoklad nemusí být pravdivý. LED se po čase může zničit, protože nesnáší napětí v závěrném směru vyšší než pár voltů.

Navíc, DCC není napětí sinusové, ale obdélníkové. Obsahuje tedy velký podíl vyšších harmonických frekvencí  a právě ty mohou být nevhodnou diodou významně zkreslené.

Tolik stručná teorie. A co praxe?

Řešení

Je to poměrně jednoduché. Existuje celá řada diod, označovaných jako rychlé. https://www.gme.cz/univerzalni-a-rychle-diody-do-1-a?price=0;171&tech_par[77][]=16771&showFilter=77&tech_par[77][]=23106&showFilter=77&tech_par[77][]=22566&showFilter=77&page=1#products. Pro nás jsou vhodné zejména UF4007 (HER108) (1A/1000V/75ns), pro menší proudy oblíbená 1N4148 (75V/0,2A/4ns), vše v cenách kolem jedné Kč i méně. Jen pro porovnání, doposud často používaná 1N4007 má t_rr = 30µs, tedy je 400 krát pomalejší než UF4007. Při stejné ceně. Pro větší proudy pak lze vybírat z řady HER200, HER300 nebo HER500
(https://www.tme.eu/cz/katalog/#id_category=113119&search=dioda+rychl%C3%A1&s_field=accuracy&s_order=DESC&visible_params=2%2C1088%2C224%2C10%2C35%2C227%2C2207%2C229%2C909%2C234%2C230&used_params=227%3A24741%2C24791%2C24811%3B230%3A26147%2C26145%3B1088%3A91168%3B). Tyto diody byly původně určeny do spínaných zdrojů, ale dnes často nahrazují ty univerzální.

Stejně tak existují i rychlé usměrňovací můstky – obvykle mají v názvu písmeno F za číslicemi označujícími napětí (B40FD … B380FD), a jejich t_rr je kolem 300 ns.
https://www.tme.eu/cz/katalog/polovodice_112140/#id_category=112809&s_field=artykul&s_order=ASC&visible_params=2%2C223%2C1247%2C234%2C224%2C227%2C35%2C909%2C2207%2C1322%2C117&used_params=2207%3A85325%3B

Není proto nejmenší důvod držet se starých pomalých typů diod (snad jen velké šuplíkové zásoby, které hodně modelářů má … Ty si nechme pro usměrňování 50Hz.). Všude tam, kde diodou nebo můstkem protéká impulsový proud (tedy i DCC), patří rychlé diody.

Mezi rychlé, nebo dokonce ultrarychlé, řadíme také Schottkyho diody. Ty nejsou tvořeny přechodem p-n jako klasické diody, ale k usměrnění dochází na přechodu křemík-kov. Čas zotavení je u nich prakticky nulový (pikosekundy), protože zde nedochází k rekombinaci děr a elektronů. Takže z tohoto hlediska vyhovují. Jejich nevýhodou je malé maximální závěrné napětí (desítky voltů), ale to u modelové železnice nevadí. Další problém je vyšší zbytkový proud v závěrném směru. Naopak výhodou je malý úbytek napětí v propustném směru. Takže se hodí např. v diodových obvodech pro ABC jako ta samotná jedna dioda, zapojená antiparalelně k trojici až čtveřici diod v propustném směru (viz např. zde, ale s výhradou doporučovaných diod).