Kas yra tiltiniai lygintuvai ir kaip jie veikia?

Tiltninių lygintuvų apibrėžimas ir pagrindinė funkcija

Tiltninis lygintuvas sudarytas iš keturių diodų, sujungtų taip, kad kintamąjį srovę paverstų nuolatine srove, naudojant tai, kas vadinama pilnu bangos lyginimu. Jie skiriasi nuo pusinio bangos lygintuvų tuo, kad naudoja abu kintamosios srovės signalo pusrutulius, o ne tik vieną dalį, dėl ko sumažėja energijos švaistymas ir jie bendrai yra apie du kartus efektyvesni. Šių komponentų fizinis išdėstymas tilto formoje reiškia, kad nereikia specialių centrinio atvimo transformatorių, kurie gali būti brangūs. Tai sutaupo apie 30 procentų lėšų paprastų maitinimo šaltinių detalių kainoje, priklausomai nuo konkrečios konstrukcijos. Svarbiausia, kad tokia konfigūracija užtikrina, jog elektros srovė visada tekėtų viena kryptimi, net jei įvesties jungtis būtų atsitiktinai apversta.

Tiltninių lygintuvų vaidmuo šiuolaikinėje galios elektronikoje

Tiltiniai lygintuvai svarbiausią vaidmenį atlieka jungiant kintamosios srovės maitinimą iš sienos lizdų prie visų tų nuolatinės srovės prietaisų, kuriuos naudojame kasdien, įskaitant mūsų telefonus ir protingos namų technikos prietaisus. Šie komponentai sudaro daugumos jungiamosios režimo maitinimo šaltinių pradžią, padedant efektyviai konvertuoti elektros energiją, tuo pačiu mažinant šilumos generavimą. Remiantis kai kuriais 2023 metais atliktų rinkos tyrimų duomenimis, apie 8 iš 10 mažų adapterių, kurių galia žemesnė nei 100 vatų, iš tikrųjų turi tiltinius lygintuvus, nes jie pasiekia tinkamą pusiausvyrą tarp fizinio dydžio, gamybos sąnaudų ir konvertavimo rodiklių, paprastai svyruojančių nuo 85 % iki šiek tiek virš 90 %. Kas juos daro tokiais populiariais? Na, jiems nereikia transformatorių, o tai reiškia, kad gamintojai gali gaminti mažesnius įkrovimo įrenginius, neatmetant per daug našumo. Dėl to mūsų moderni technika kasmet tampa vis mažesnė.

Visos bangos lyginimo procesas: supaprastinta kintamosios srovės į nuolatinę srovę konvertavimo paaiškinimas

Keturiejų diodų tiltas veikia dviem fazėmis:

• Teigiamas pusperiodis: Diodai D1 ir D3 praleidžia srovę, sukuriant tiesioginį srovės kelią
• Neigiamasis pusperiodis: Diodai D2 ir D4 įsijungia, išlaikydami išvesties poliškumą

Ši dviguba grandinė paverčia 60 Hz kintamąjį srovės įtampą į 120 Hz impulsinę nuolatinės srovės įtampą, kurią kondensatoriai išlygina į stabilias įtampos šines. Inžinieriai teikia pirmenybę šiam būdui lyginant su pusbangio alternatyvomis, nes jis sumažina bangavimą 50 % ir padvigubina efektyvią išvesties įtampą toms pačioms transformatoriaus charakteristikoms.

Vidinė grandinės konstrukcija ir diodų veikimas tiltelinėse lygintuvuose

Keturių diodų konfigūracija ir komponentų išdėstymas tiltelinių lygintuvų grandinėse

Tilteliniai lygintuvai naudoja keturių diodų išdėstymą, kad galėtų atlikti pilnojo bangos lyginimą be centrinio išvedimo turinčio transformatoriaus. Šioje konfigūracijoje:

• Du diodai praleidžia srovę kintamosios įtampos įvesties teigiamojo pusperiodžio metu (paprastai D1 ir D3)
• Likę du įsijungia neigiamojo pusperiodžio metu (D2 ir D4)

Ši išdėstymo schema užtikrina, kad srovė per apkrovą tekėtų vienakrypčiai nepriklausomai nuo kintamosios srovės poliarumo. Šiuolaikiniai projektavimo sprendimai optimizuoja atstumus tarp komponentų, kad būtų sumažintas elektromagnetinis trikdžiai (EMI) ir šilumos kaupimasis, taip pagerinant patikimumą aukštos dažninės srovės taikymo srityse.

Srovės tekėjimas teigiamųjų ir neigiamųjų kintamosios srovės įtampos pusperiodžių metu

Kai pažiūrime, kas vyksta teigiamąją pusę ciklo, įtampa iš esmės verčia laidžiuoti diodus D1 ir D3. Tai sukuria aiškų srovės kelią nuo kintamosios srovės šaltinio gyvojo terminalo per mūsų apkrovą iki neutralaus. Kai ateina neigiamoji pusė ciklo, viskas visiškai pasikeičia. Poliarumo pakeitimas aktyvina diodus D2 ir D4. Nors kryptis pasikeitė, srovė vis dar teka per apkrovą visiškai taip pat, kaip ir anksčiau. Visa ši konfigūracija yra tokia efektyvi dėl to, kad išeigos dažnis iš esmės padvigubėja, palyginti su tais paprastais pusbangiais tiesinimo elementais. Ir dėl šio padvigubėjimo efekto signalo bangavimas žymiai sumažėja net prieš pridedant papildomą filtravimą.

Įtampos kritimo apsvarstymas: siliciniai ir Šotkio diodai

Įprasti silicio diodai paprastai sukuria apie 0,7 voltų įtampos kritimą kiekvienam, todėl naudojant juos tiltinėje konfigūracijoje jie gali „sunaikinti“ iki 1,4 voltų. Tai reiškia, kad išvesties įtampa tampa 5–10 procentų žemesnė tuose žemos įtampos sistemose, su kuriomis dažnai susiduriame. Šotkio (Schottky) diodai laidumui praradimus sumažina maždaug 60 procentų, nes kiekvienam diodui prarandama tik apie 0,3 voltų, o per visą tiltelį – tik 0,6 voltų. Dėl to daugelis projektuotojų juos teikia pirmenybę baterijomis maitinamuose įrenginiuose, kur kiekvienas miliampertas turi reikšmę. Tačiau yra ir niuansas, kurį verta paminėti. Šie Šotkio diodai linkę labiau nutekėti srovę, kartais net iki 5 mA net kambario temperatūroje. Dėl šios priežasties inžinieriai juos dažniausiai vengia tikslaus analoginio darbo srityje, kur ypač svarbu kontroliuoti atvirkštinę srovę.

Išlyginimas išvesties: kintamosios dedamosios filtravimas nuolatinės srovės įtampoje

Kintamosios dedamosios supratimas ir poreikis mažinti svyravimus

Tiltiniai lygintuvai sukuria pulsuojančią nuolatinę srovę su likutiniu bangavimo įtampu, vienfazėse pilnojo ciklo schemose paprastai 100 Hz. Šie svyravimai gali trukdyti skaitmeninėms grandinėms ir variklių valdymo įrenginiams. Bangavimas, viršijantis 5 % nominalios įtampos, sumažina komponentų tarnavimo laiką 23 % jungiamosiose maitinimo šaltinių sistemose (IEEE Power Electronics Society 2023), todėl būtina filtruoti jautrią elektroniką.

Kondensatorių filtravimas: vaidmuo ir integracija įtampai išlyginti

Išlyginantys kondensatoriai sumažina bangavimą per įkrovos-iškrovos ciklus:

• Kaupia energiją kintamosios srovės bangos viršūnėse
• Išleidžia sukauptą srovę įtampos duobutėse
• Sumažina bangavimo amplitudę 60–80 %

Esantys po lygintuvo etapo, dėl didelės talpos tankio (1–10 000 µF) dominuoja elektrolitiniai kondensatoriai. Keraminiai variantai juos papildo sumuštose architektūrose, kad slopintų aukštos dažnio triukšmą.

Optimalios talpos apskaičiavimas efektyviam bangavimui slopinti

Naudokite šią formulę, norėdami nustatyti minimalią talpą:

C = I_load / (f_ripple – V_ripple(max))  

Kur:

• I_load = Maksimalus apkrovos srovės (A)
• f_ripple = Bangavimo dažnis (100 Hz vienfaziam pilnatiniam)
• V_ripple(max) = Leistinas viršūnės iki viršūnės bangavimo įtampai (V)

2 A apkrovai su maksimaliai 500 mV bangavimu 100 Hz dažniu:
C = 2 / (100 – 0.5) = 40,000 µF

Perdengimas 20–30 % kompensuoja kondensatoriaus senėjimą ir temperatūros poveikį.

Tiltelinio lygintuvo tipai ir jų efektyvumo privalumai

Dažni tipai: standartiniai silicio, Schottky, SCR pagrindu ir sinchroniniai lygintuvai

Šiuolaikiniai tilteliniai lygintuvai yra keturių pagrindinių tipų, priklausomai nuo to, koks efektyvumas svarbiausias skirtingoms aplikacijoms. Standartiniai, pagaminti iš silicio diodų, vis dar populiarūs, nes jie kinta kintamąjį srovę į nuolatinę prie protingos kainos. Situacijoms, kai svarbus kiekvienas voltas, geriau tinka Šotkio diodų versijos, kadangi jos turi mažesnį įtampos kritimą per sandūras. Jos dažnai naudojamos, pavyzdžiui, saulės baterijų krūvio reguliatoriuose, kur net maži skirtumai turi didelę reikšmę. Tada yra tiristorinės (SCR) konstrukcijos, kurios užtikrina tikslų valdymą pramoniniams varikliams, nors niekam nepatinka sudėtingi paleidimo grandynai, reikalingi jiems tinkamai veikti. Ir galiausiai turime naujos kartos sinchroninius lygintuvus, naudojančius MOSFET tranzistorius kartu su protingais valdikliais. Jie gali sumažinti laidumo nuostolius apie 40 procentų aukšto dažnio maitinimo šaltinių sistemose, todėl tampa vis patrauklesni, nepaisant didesnių pradinių sąnaudų.

Našumo palyginimas: Skirtingų diodų technologijų efektyvumas ir taikymo sritys

2023 metų tyrimas apie lygintuvų efektyvumą parodė aiškius kompromisus:

Technologijos	Efektyvumo diapazonas	Idealus naudojimo atvejis
Silicino diodas	80–85%	Linijiniai jėgos tieksniai
Šotkio	88–92%	Žemo įtampos nuolatinės srovės keitikliai
Valdymo elementais pagrįsti (SCR)	75–82%	Fazės valdomi variklių pavariai
Sinchroniniai (MOSFET)	94–97%	Serverių maitinimo šaltiniai, EV įkrovikliai

Šotkio tiesininkai dominuoja iki 50 V dėl greito atkūrimo laiko (10 ns), o SCR variantai puikiai tinka 100–500 A pramoninėje reguliavimo įrangoje.

Aukštos efektyvumo programos, naudojančios MOSFET ir sinchroninius tiesininkus

Naujausioji tiltinio lygintuvo technologija pradėjo naudoti galio nitrido MOSFET tranzistorius, padidindama telekomunikacijų energijos sistemų efektyvumą beveik iki 99 %. Šis įspūdingas skaičius pasiekiamas žymiai sumažinant varganus jungimo nuostolius, veikiant dažniu, viršijančiu 1 MHz. Automobilių taikymo srityje sinchroninę topologiją naudojantys imtuviniai krūvinių įrenginiai sumažina šiluminį krūvį apie 30 %, palyginti su senoviškais diodų blokais. Pastaruoju metu tai patvirtinome išsamiais elektromobilių sistemų bandymais. Vėjo jėgainėms inžinieriai eksperimentuoja su hibridiniais sprendimais, kurie derina silicio karbido diodus su IGBT jungikliais. Tokios kombinacijos parodo apie 2 % geresnį maksimalų efektyvumą ties lyginimo operacijomis, tuo pačiu tvarkydamos reikalaujančias sąlygas – 3 kV įtampą ir 100 A srovės lygius. Tokiems patobulinimams ypač didelė reikšmė atsinaujinančios energijos kontekste, kai kiekvienas procentinis taškas turi reikšmę bendram sistemos našumui.

Tiltinių lygintuvų taikymas ir realaus naudojimo veikimas

Pagrindiniai taikymai maitinimo šaltiniuose, variklių valdymo sistemose ir pramonės sistemose

Tiltiniai lygintuvai svarbiausią vaidmenį atlieka šių dienų elektrinėse sistemose. Šie įrenginiai paverčia kintamąjį srovę nuolatine srove labai efektyviai, todėl jie yra tokie svarbūs kompiuterių maitinimo šaltiniams. Be jų, šios jautrios grandinės gaunant nestabilų įtampų šuolį galėtų būti pažeistos – nuo kietųjų diskų iki pagrindinių plokščių. Pramonės aplinkose gamintojai naudoja tiltinius lygintuvus siekdami kontroliuoti variklių sukimosi greitį ir jėgos dydį. Juos taip pat galima rasti visur gamyklose – tiek maitinant suvirinimo įrenginius, tiek valdant automatizuotas surinkimo linijas. Vietose, kuriose elektros tiekimo nutraukimas nepriimtinas, pvz., ligoninėse ar serverių centruose, netrikdomo maitinimo šaltiniai priklauso nuo šių komponentų, kad be pertraukos galėtų perjungti tinklo maitinimą į atsarginius generatorius. Toks sklandus pereinamasis režimas užtikrina gyvybę gelbstinčių prietaisų veikimą ir neleidžia prarasti duomenų, kai sutrinka energijos tinklas.

Privalumai prieš pusiau bangos ir centrinio tapo pilnojo bangos lygintuvus

Tiltiniai lygintuvai išsiskiria iš pusinio bangos lygintuvų, kurie iš esmės atmeta pusę kintamosios srovės signalo, arba centrinio išvedimo modelių, reikalaujančių specialių transformatorių. Naudojant tiltinius lygintuvus, galima pasiekti visos bangos konvertavimą naudojant įprastus komponentus, kuriuos galima rasti bet kurioje elektronikos parduotuvėje. Nebereikia sudėtingų centrinio išvedimo jungčių, todėl sistemos tampa paprastesnės statyti ir apie 30 procentų pigesnės daugumai vietinių energijos tiekimo aplikacijų. Kitas didelis pranašumas – tai, kad jie sumažina atvirkštinį viršutinį įtampą beveik dvigubai, palyginti su konfigūracijomis, turinčiomis tik du diodus. Tai reiškia, kad komponentai ilgiau tarnauja sunkiose aplinkose, tokiuose vietose kaip elektromobilių įkrovimo stotys, kur patikimumas yra labai svarbus.

Efektyvumo ir patikimumo matavimas praktinėse energijos konvertavimo situacijose

Vertindami našumą, inžinieriai analizuoja, kaip gerai sistema slopina svyravimus, paprastai siekdami mažiau nei 5 % gerose konfigūracijose, taip pat tikrina termalinę stabilumą, kai sistema yra apkrauta. MOSFET pagrindu sukurtoms konstrukcijoms, kurios turėtų būti gana efektyvios, apkrovos bloko testai padeda patvirtinti, ar iš tikrųjų pasiekiamas 95 % arba aukštesnis efektyvumas. Taip pat naudojamas šiluminis vaizdavimas, ypač tada, kai dirbama su komponentais, perjungiamais aukšta dažniu, nes jie linkę kurti karštus takelius, kuriuos reikia stebėti. Pramoninės paskirties įranga paprastai tarnauja labai ilgai iki pakeitimo, vidutinis gedimo laikas dažnai viršija 100 tūkstančių valandų. Toks patikimumas paaiškina, kodėl šios sistemos veikia taip gerai vietose, kur sustojimai nepriimtini, pvz., telekomunikacijų infrastruktūroje ar saulės elektrinėse, kur svarbiausia nuolatinė veikla.

DUK

Kam naudojamas tiltelinis lygintuvas?

Tiltinio lygintuvo naudojamas kintamosios srovės (AC) pavertimui nuolaidine srove (DC), dažnai naudojamas maitinimo šaltiniuose, variklių valdymo sistemose ir elektroniniuose įrenginiuose, kad būtų užtikrintas stabilus ir efektyvus energijos keitimas.

Kodėl tiltinis lygintuvas yra efektyvesnis nei pusiau bangos lygintuvas?

Tiltinis lygintuvas yra efektyvesnis nei pusiau bangos lygintuvas, nes jis naudoja abi kintamosios srovės ciklo dalis, sumažina energijos praradimus ir padvigubina efektyvumą, tuo pačiu pašalinant poreikį naudoti centrinio išvedimo transformatorius.

Kokie yra Schottky diodų naudojimo tiltiniuose lygintuvuose privalumai?

Schottky diodai tiltiniuose lygintuvuose pasižymi žemesniu įtampos kritimu, mažina galios nuostolius ir didina efektyvumą, ypač žemo įtampos taikymuose, kur kiekvienas vatas turi reikšmę.

Kaip veikia kondensatoriaus filtravimas tiltinio lygintuvo grandinėse?

Kondensatoriaus filtravimas tiltinio lygintuvo grandinėse veikia kaupiant energiją per kintamosios srovės bangos viršūnes ir išleidžiant ją įtampų duobėmis metu, sumažinant bangavimo amplitudę ir užtikrinant sklandų nuolatinės srovės išėjimą.

Koks yra MOSFET'ų vaidmuo moderniose tiltelinės schemos tiesinimo konstrukcijose?

MOSFET'ai moderniose tiltelinės schemos tiesinimo konstrukcijose padidina efektyvumą, sumažindami laidumo nuostolius ir pagerindami našumą aukštos dažninėse aplikacijose, kas naudinga kompaktiškoms ir energiškai efektyvioms elektroninėms sistemoms.