Kaip diodiniai tiltai leidžia efektyviai konvertuoti kintamąją įtampą (AC) į nuolatinę įtampą (DC)

Kas yra tiltelinis tiesinimo diodas ir kaip jis keičia kintamąjį srovę į nuolatinę

Tiltinis lygintuvas veikia kaip elektroninė grandinė, kuri paverčia kintamąjį srovę (AC) į nuolatinę srovę (DC), nors ši vis dar turi impulsus. Jis naudoja keturias diodus, išdėstytus taip, kad popieriuje atrodytų kaip tiltas. Palyginkime tai su pusiau bangos lygintuvais, kurie praktiškai išmeta pusę perbėgančios elektros energijos. Tiltinė versija iš tikrųjų apdoroja abu kintamosios srovės signalo polius, todėl gaunama apie dvigubai daugiau galios lyginant su paprastesniais sprendimais. Čia vykstantis procesas iš tiesų yra gana protingas. Neigiamos elektros dalys yra apverčiamos dėl to, kaip kartu laiduoja diodai, užtikrinant, kad srovė tekėtų tik viena kryptimi. Tai labai svarbu, nes daugumai prietaisų reikia pastovios srovės krypties tinkamam veikimui – pagalvokite apie telefonų įkrovimą ar LED lempų naudojimą.

Visasinio lyginimo naudojant keturių diodų konfigūraciją

Keturių diodų tiltas leidžia atlikti visasinį lyginimą per dvi papildomas laidavimo kryptis:

1. Teigiamas pusperiodis : Diodai D1 ir D2 praleidžia srovę per apkrovą
2. Neigiamas pusperiodis : Diodai D3 ir D4 įsijungia, išlaikydami pastovią išvesties poliškumą

Kaip nurodyta tyrimuose apie lygintuvų efektyvumą, šis metodas sumažina bangavimą 50 % lyginant su pusbangiais sistema ir pasiekia 81–85 % efektyvumą standartiniais 60 Hz. Gautas padvigubintas išvesties dažnis (120 Hz) taip pat supaprastina tolesnį filtravimą maitinimo šaltiniuose.

Tilto lygintuvo grandinės pagrindiniai komponentai

Trys pagrindiniai elementai lemia našumą:

• Diodai : Keturi puslaidininkiniai prietaisai (paprastai silikoniniai), leidžiantys keisti dvišalę kryptį į vienpusę
• Transformatorius : Pasirinktinis įtampos keitimas
• Apkrova : Impedansas veikia bangavimo dydį ir bendrą efektyvumą

Centrinio prievado transformatorių pašalinimas sumažina komponentų kainą 15–20 % žemos įtampos taikymo srityse, išlaikant suderinamumą su įvairiomis kintamosios srovės įvestimis.

Tiltelinio lygintuvo konfigūracijos: vienfaziai ir trifaziai dizainai

Vienfazis tiltelinis lygintuvas: struktūra ir veikimas

Vienfazės tiltelio tiesinimo schema iš esmės remiasi keturiais diodais, išdėstytais taip, kad atrodytų kaip kilpa, kurią naudojant kintamoji srovė paverčiama nuolatine. Kai elektros srovės bangos fazė kyla, du diodai leidžia srovei tekėti per juos. Kai banga keičia kryptį, kitus du diodus perima darbą, todėl srovė teka tik viena kryptimi. Pagal straipsnį apie tiltelio tiesintuvus svetainėje GeeksforGeeks, šis pilnosios bangos metodas suteikia žymiai geresnę, švaresnę nuolatinės srovės energiją, palyginti su pusinės bangos variantais, beveik neprarandant įtampos kelyje. Konstrukcija visiškai nesudėtinga, todėl šias grandines galima rasti visur – nuo telefono įkroviklių iki LED šviestuvų valdiklių, kuriuos žmonės šiuolaikiniuose namuose diegia jau dabar.

Trifaziai tilteliniai tiesintuvai pramonės reikmėms

Pramonės sistemose, kurioms reikia didelės galios, dažnai naudojami trijų fazių tiltiniai lygintuvai, kuriuose yra šeši diodai, skirti tvarkyti tris kintamosios srovės bangas, pasislinkusias viena nuo kitos 120 laipsnių. Tokia konfigūracija leidžia gauti nuolatinės srovės išvestį su maždaug 4,2 % įtampos vilnijimu. Tai žymiai geriau nei pusbangio schemose, kurių vilnijimas gali siekti net 48 %. „JAST Power“ specialistai savo pramoninių lygintuvų gide nurodo, kad šie lygintuvai pasiekia iki 98 % efektyvumą, naudojant juos tokiuose įrenginiuose kaip variklių valdikliai ir CNC įranga, nes jie labai sumažina laidumo nuostolius. Be to, kadangi jie veikia su įvesties įtampa nuo 400 iki 690 voltų, jie tampa būtiniais komponentais atsinaujinančios energijos keitikliuose bei įvairiose sunkios paskirties gamybos įrangose, kur stabilus energijos keitimas yra absoliučiai būtinas.

Visojo ir pusinio bangos lyginimo: našumo palyginimas

Pilnojo bangos tiltiniai lygintuvai pranašesni už pusinio bangos, nes jie veikia abiem kintamosios srovės ciklo pusėm. Tai reiškia dvigubai daugiau impulsų per sekundę ir žymiai mažesnį išvesties įtampos svyravimą. Pagal paskutinių metų IEEE paskelbtus tyrimus, šie pilnojo bangos sprendimai pasiekia apie 90 procentų efektyvumą, tuo tarpu pusinio bangos – tik apie 40 procentų. Kitas didelis privalumas yra tas, kad pilnojo bangos schemoms nebereikia tų specialių centrinio atvimo transformatorių. Masinės gamybos metu tai sumažina gamybos kaštus maždaug 2 doleriais ir 10 centų vienetui. Vis dėlto yra situacijų, kai pusinio bangos variantas turi prasmės. Daugelis paprastųjų jutiklių taikymų ir elementarių valdymo grandinių nereikalauja viso to papildomo efektyvumo. Projektams, kur kaina yra svarbi, o greitas veikimas svarbesnis nei maksimalus našumas, pusinio bangos lygintuvas lieka praktišku pasirinkimu, nepaisant jo trūkumų.

Pagrindiniai našumo rodikliai: efektyvumas, bangavimas ir diodų charakteristikos

Tiltinių lygintuvų konversijos efektyvumas

Šiuolaikiniai tiltiniai lygintuvai pasiekia 94–97 % efektyvumą pilnosios bangos konversijoje, o pagrindinės nuostoliai kyla dėl diodų tiesioginio įtampų kritimo (0,7 V vienam silicio diodui). 2024 m. atlikto galios elektronikos tyrimo duomenimis, pakeitus silicį Schottky diodais (0,3 V kritimas), laidumo nuostoliai sumažėja 42 % esant 12 V išvesties įtampai, taip padidinant bendrą sistemos efektyvumą.

Bangavimo faktoriaus, bangavimo įtampos ir dažnio supratimas

Kalbant apie pilnosios bangos lygintuvus, jie sukuria kintamosios srovės (AC) tinklų su dažniu 50 Hz maždaug 100 Hz bangavimo dažnį arba 120 Hz, jei naudojami 60 Hz tinklai. Tai reiškia, kad paprastai reikia mažesnių filtrų kondensatorių, palyginti su pusbangio lygintuvais. Bangavimo faktorius iš esmės matuoja, kiek kintamosios srovės dedamoji lieka, palyginti su nuolatinės srovės (DC) išvesties įtampa. Ši vertė keičiasi priklausomai nuo to, koks tipas apkrovos prijungtas ir koks yra filtro grandinės efektyvumas. Daugumai praktinių tikslų asmuo, projektuojantis šias grandines, gali nustatyti, kad 1000 mikrofaradų kondensatorius veikia gana gerai, kad bangavimas būtų žemiau 5 procentų, dirbant su apkrovomis apie 500 miliamperų. Žinoma, yra išimčių, priklausančių nuo specifinių reikalavimų, tačiau tai yra geras pradinis taškas daugeliui taikymų.

Didžiausias atvirkštinis įtampis (PIV) ir jo vaidmuo diodų parinkime

Norint užtikrinti tinkamą veikimą, kiekvienam diodui reikia išlaikyti taip vadinamą maksimalų atvirkštinį įtampą, atitinkantį kintamosios srovės įvesties aukščiausią tašką. Paimkime standartinę 120 V efektinės vertės schemą, kurios įtampa iš tiesų pasiekia apie 170 voltų. Dauguma inžinierių renkasi diodus, kurie yra įvertinti maždaug 200 V atvirkštinės įtampos, kad būtų saugiau. Tačiau žiūrint į duomenis iš SPICE modeliavimų, čia pastebimas kažkas įdomaus. Jei komponentai veikia net 15 % virš jų atvirkštinės įtampos ribos, ypač kai temperatūra pakyla iki apie 85 laipsnių Celsijaus, gedimų skaičius smarkiai išauga – beveik iki trijų kartų daugiau nei įprastai. Dėl šios priežasties daugelis patyrusių technikų visada parenka tokias dalis šiems grandynams su atsarga.

Efektyvumo ir šilumos sklaidos balansavimas projektuojant

Šilumos valdymas yra labai svarbus: kiekvienas 10 °C padidėjimas virš 75 °C sumažina diodų patikimumą du kartus dėl padidėjusių galios nuostolių (P = I × V). Efektyvūs sprendimai apima PCB vario užpildus ir šilumos skleistuvus su 2 W/mm² šilumos sąsajomis, kurios pereinamąją temperatūrą išlaiko žemiau 110 °C net esant 5 A pastoviai apkrovai.

Išlyginimo kondensatoriaus filtravimas nuolatinės srovės maitinimo šaltiniuose

Tilteliniai lygintuvai generuoja pulsuojančią nuolatinę srovę, netinkančią jautriai elektronikai. Kondensatoriaus filtravimas stabilizuoja šį išėjimą, padarydamas jį tinkamą šiuolaikinėms skaitmeninėms ir analoginėms sistemoms.

Išlyginimo kondensatorių vaidmuo mažinant bangavimo įtampą

Kondensatoriai, naudojami lyginimui, veikia kaupdami energiją, kai atsiranda įtampos šuoliai, ir vėliau ją išleisdami, kai įtampa krinta, dėl to padengiami tuščios vietos elektros bangų formose. Pagal įvairius tyrimus srityje elektronikos maitinimo šie komponentai gali sumažinti įtampos svyravimus apie 70 procentų. Paimkime standartinį 100 mikrofaradų kondensatorių – jis normaliomis sąlygomis 12 voltų sistemoje galėtų sumažinti įtampos pokyčius nuo apie 15 voltų iki mažiau nei 5 voltų. Toks našumas daro juos būtinu elementu daugelyje elektroninių grandinių, kuriose svarbiausia stabilus maitinimas.

Projektavimo aspektai efektyviam kondensatorių filtravimui

Optimalus filtravimas reikalauja subalansuoti tris parametrus:

• Apkrovos srovė : Didelėms srovėms reikia didesnių talpų (≈470 µF), kad būtų palaikomas išsikrovimo laikotarpis
• Ripple Frequency : Dvigubos bangos išvestys su aukštesniais dažniais leidžia naudoti mažesnius kondensatorius
• Elektrinio įtampo vertinimas : Kondensatoriai turi būti vertinami ne mažiau kaip 1,5× didesnė už maksimalią įvesties įtampą, kad nebūtų pažeidžiami

Kaip nurodyta elektros inžinerijos šaltiniuose, reikalinga talpuma yra tokia:

C = \frac{I_{load}}{f \cdot V_{ripple}}  

kur A yra apkrovos srovė, f yra bangavimo dažnis, ir V yra leistinas bangavimo įtampas.

Kondensatoriaus dydžio poveikis išvesties stabilumui ir reakcijai

Kondensatoriaus dydis tiesiogiai veikia bangavimo sumažinimą ir dinaminę reakciją. Testų duomenys iliustruoja šį kompromisą:

Jutiklumo talpa	Ripotinis voltas	Pakilimo laikas (0–90 %)
47µF	8,2 V	12 ms
220µF	2.1V	38 ms
1000µF	0,5 V	165 ms

Norint išlyginti našumą, didelio greičio sistemos, tokių kaip SMPS, dažnai kombinuoja 10 µF keraminį kondensatorių su 100 µF elektrolitiniu, sujungtu lygiagrečiai – taip pasiekiant greitą laikiną reakciją ir veiksmingą bangavimo slopinimą.

Praktiniai taikymai ir pasiekimai tiltelinio lygintuvo technologijoje

Tilteliniai lygintuvai vartojami buitinėje elektronikoje ir maitinimo adapteriuose

Tilteliniai lygintuvai leidžia kompaktišką ir efektyvią kintamosios srovės / nuolaukinės srovės (AC/DC) konversiją išmaniuosiuose telefonuose, nešiojamuosiuose kompiuteriuose ir IoT įrenginiuose. Jų pilno bangos architektūra šiuolaikiniuose adapteriuose pasiekia 92–97 % efektyvumą, mažindama energijos švaistymą. Pašalinus gabenusius centrinio perjungimo transformatorius, jie užtikrina 30 % mažesnį tūrį – tai ypač svarbu plonoms, greito įkrovimo USB-PD atitinkančioms įkrovėlėms.

Naudojimas SMPS, pramoninėse sistemose ir mobiliojo ryšio įkrovėlėse

SMPS sistemos reikalauja tiltelio tiesininkų, kad galėtų tvarkyti platų kintamosios srovės įtampų diapazoną nuo 90 iki 264 voltų. Šios maitinimo šaltiniai šiuolaikiniame pasaulyje pasitaiko visur, ypač dideliuose pramoniniuose variklių valdikliuose ir duomenų centrų atsarginėse maitinimo sistemose. Kai kalba eina apie trifazes versijas, jos tikrai puikiai tinka sunkiam darbui. Apie 50 kilovatų tokios sistemos gali pasiekti beveik tobulą efektyvumą – arti 98 %, o taip pat palaiko triukšmingus harmonikus žemiau 5 %. Modulinis požiūris taip pat logiškas saulės energijos ir vėjo jėgainių diegimams. Naudojant aktyviąją tiesinimo technologiją, inžinieriai gauna geresnį valdymą tiek energijos srauto kryptims, tiek tam, kaip sistema prijungiama atgal prie pagrindinės elektros tinklo linijos. Tai tampa labai svarbu, kai vis daugiau atsinaujinančių energijos šaltinių prijungiama skirtingose pramonės šakose.

Atvejo analizė: Integracija kompaktinėse ir modulinėse energijos sprendimuose

Automobilio borto įkroviklio konstrukcija, naudojant integruotus tiltelio modulius, sumažino komponentų skaičių 40 %. Naudojant tiesioginio vario surišimo (DCB) pagrindus, šilumos sklaida pagerėjo 30 %, leidžiant ilgalaikį 15 A veikimą 85 °C aplinkos temperatūroje. Toks požiūris sumažino gamybos išlaidas 22 % ir atitiko IEC 61000-4-5 impulsinių perturbacijų atsparumo standartus.

Ateities tendencijos: miniatiūrizacija ir padidinta patikimumas

Dėka naujų platumos juostos medžiagų, tokių kaip azotas galiui ir silicio karbidas, naujausios tiesinio srovės keitiklio konstrukcijos žengia didelius žingsnius. Šios detalės leidžia gamintojams sumažinti kristalų dydį maždaug 60 procentų, tuo pačiu išlaikant įspūdingus 1200 voltų pramušimo rodiklius. Aktyviems tiltelio grandynams inžinieriai pradėjo naudoti protingą prognozavimo programinę įrangą, kuri, veikdama žemesniu galios lygiu, pavyksta sumažinti jungimo nuostolius apie 37 %. Taip pat vyksta ir kitos pokyčiai – savęs diagnostikos funkcijos dabar tampa standartu. Jos aptinka problemas su diodais gerokai anksčiau, nei tie visiškai sugestų. Tai reiškia, kad technikai gali suplanuoti remontą, o ne spręsti netikėtų gedimų problemas. Poveikis ypač pastebimas kritinėse industrijose, pvz., aviacijos įrangoje ir ligoninės prietaisuose, kur sustojimai nėra įmanomi.

Dažniausiai paskyrančių klausimų skyrius

Kokia pagrindinė tiltelinio lygintuvo funkcija?

Tiltinio lygintuvo pagrindinė funkcija yra keisti kintamąjį srovę (AC) į nuolatinę srovę (DC), kad ji tiktų elektroniniams prietaisams, reikalaujantiems pastovios DC įtampos.

Kuo tiltinis lygintuvas skiriasi nuo pusibangio lygintuvo?

Tiltinis lygintuvas naudoja keturis diodus, kad paverstų visą kintamosios srovės ciklą į nuolatinę srovę, dėl to padvigubėja išvesties dažnis ir pagerėja efektyvumas, palyginti su pusibangio lygintuvu, kuris naudoja tik vieną diodą ir keičia tik pusę kintamosios srovės bangos.

Kokie yra tiltinio lygintuvo privalumai palyginti su tradiciniais lyginimo metodais?

Tiltiniai lygintuvai užtikrina didesnį efektyvumą, sumažina bangavimą ir pašalina brangių centrinio atvartų transformatorių poreikį, todėl jie yra kompaktiškesni ir ekonomiškesni.

Kodėl tiltinio lygintuvo grandinėse naudojami išlyginimo kondensatoriai?

Išlyginimo kondensatoriai sumažina lygintuvo sukuriamą bangavimo įtampą, užtikrindami stabilų nuolatinės srovės išvestį, tinkamą jautriems elektroniniams komponentams maitinti.

Kokie pasiekimai daromi tiltelio tiesinimo technologijoje?

Pasiekimai apima platią juostą turinčių medžiagų, tokių kaip galio nitridas, naudojimą, gerintą miniatiūrizavimą, padidintą patikimumą ir aktyvias tiesinimo technologijas, kurios sumažina jungimo nuostolius ir padidina sistemos efektyvumą.