Kaip tiltiniai lygintuvai leidžia kintamosios srovės keitimą į nuolatinę srovę pilnosios bangos būdu

Diodų vaidmuo keičiant kintamąją srovę į pulsavimą nuolatinę srovę

Tiltinio lygintuvo veikimas grindžiamas keturių diodų sujungimu į tiltelio konfigūraciją, kuri paverčia kintamąją srovę (AC) į nuolatinę srovę (DC), tačiau ši vis dar turi mažytes viršūnes ir duobutes. Šie diodai iš esmės veikia kaip šviesoforai elektrai – leidžia jai tekėti tik tuomet, kai ji pasiekia pakankamą įtampą, kad prasiveržtų pro juos. Standartiniams silicio diodams tai vyksta apie 0,7 voltų. Tai, kas daro šią sistemą tokia efektyvia, yra komponentų gebėjimas tvarkyti abu AC bangos pusrutulius. Kai elektros energija ateina iš tinklo, ar ji kiltų, ar kristų, lygintuvas nuolat nukreipia visą šią energiją tuo pačiu kryptimi per bet kurį reikalingą prietaisą. Rezultatas? Vietoj įprastos kintamosios srovės, kuri kinta pirmyn atgal, gaunamos tik teigiamos viršūnės, kurias vėliau galima išlyginti.

Veikimas per teigiamus ir neigiamus pusperiodžius

Kai veikia kintamosios srovės įvesties teigiamoji pusė, į darbą įsijungia diodai D1 ir D2, kurie iš esmės sukuria laidumo kelią, einantį nuo energijos šaltinio per bet kokią prijungtą apkrovą ir grįžtantį per tiltelio konfigūraciją. Dabar, kai žiūrime į neigiamąją pusę, laidumą pradeda užtikrinti D3 ir D4, dėl ko srovė per apkrovą teka toje pačioje kryptimi nepaisant įvesties poliškumo. Tokio pilnojo bangos lyginimo būdas užtikrina, kad išvesties dažnis būtų dvigubai didesnis nei paprasto pusbangio schema. Tai taip pat turi nemažai naudingų pasekmių, nes būna žymiai mažiau įtampos svyravimų, todėl viskas veikia stabiliau. Grandinių bandymai parodė, kad šios naudos nėra tik teorinės.

Kodėl pilnojo bangos tiltelio konfigūracijoje naudojami keturi diodai

Keturių diodų tiltelio konfigūracija pašalina poreikį sudėtingiems centrinio išvado transformatoriams, todėl surinkti grandinę tampa paprasčiau ir sutaupoma detalių kainų. Subalansuota išdėstymo schema užtikrina, kad energija tekėtų nepriklausomai nuo įtampos krypties, pasitelkiant beveik visą transformatoriaus galimybę. Palyginus su senosios kartos dviejų diodų pilnosios bangos schemomis, čia išsisklaidoma apie 40 % mažiau energijos. Šis efektyvumo padidėjimas leidžia inžinieriams viską supakuoti į mažesnes erdves, išlaikant puikų grandinių našumą.

Šiuolaikinių modeliavimo įrankių naudojimas tiltelinio lygintuvo veikimo tikrinimui

Inžinieriai naudoja pagrindu SPICE sukurtus įrankius, tokius kaip LTspice ir MATLAB Simulink, kad modeliuotų šilumos išsisklaidymą, įtampos kritimus ir tranzitorinius atsakus realiomis sąlygomis. Šie modeliai gali išbandyti ekstremalias situacijas, pvz., 300 % perkrovą per 10 ms, dar prieš pradedant fizinį prototipavimą, dėl ko kūrimo laikas sutrumpėja iki 30 % ir užtikrinama patikimumas.

Vienfazis ir trifazis tiltelio tiesinimo schemos

Vienfazio tiltelinio tiesintuvo projektavimas ir taikymas vartojimo elektronikoje

Vienfazius tiltelio tiesintuvus randame beveik visur kasdieniniuose prietaisuose, kuriems nereikia daug galios. Pagalvokite apie tuos mažus telefono įkroviklius, kuriuos įkišame į sienos lizdus, LED šviestuvų valdiklius, net kai kuriuos virtuvės prietaisus. Jų veikimą padaro efektyvi keturių diodų išdėstymas, kuris paima įprastą sienos elektros energiją (paprastai tarp 120 ir 240 voltų) ir paverčia ją tokia forma, kurią gali naudoti mūsų elektronika. Geriausia yra tai, kad šie grandynai visai nėra sudėtingi. Daugelis žmonių žino, kad statant svarbu efektyvumas, o šie tiesintuvai pasiekia apie 90–95 % efektyvumą, kas yra gan įspūdinga. Dėl to gamintojai mėgsta juos naudoti produktuose, kuriuose korpuso viduje yra ribotas laisvas plotas, o niekas nenori mokėti daugiau už didesnius komponentus. Pakanka pažiūrėti, kokie ploni dabar yra modernūs telefono įkrovikliai, palyginti su tais, kuriuos turėjome prieš keletą metų!

Trifaziai tilteliniai tiesintuvai pramoniniuose variklių valdikliuose ir atsinaujinančios energijos sistemose

Tryjų fazės tiltiniai tiesininkai veikia su šešiais diodais, išdėstytais tam tikra konfigūracija, kuri gali tvarkyti žymiai aukštesnius įtampų lygius, kartais pasiekiant apie 690 voltų kintamosios srovės. Šie sprendimai gamina nuolatinės srovės išvestį, kuri yra žymiai sklandesnė lyginant su vienos fazės sistemomis, paprastai sumažindami įtampos bangavimą apie tris–penkis kartus. Pramonės taikymuose šie tiesininkai labai svarbūs dėl savo našumo. Galvokite apie kompiuteriu valdomus apdirbimo įrenginius, didelius vėjo energijos projektus ir elektromobilių įkrovimo stotis, kur galios poreikiai gali labai skirtis – nuo vos 10 kilovatų iki net 500 kilovatų. Efektyvumas čia taip pat yra būtinas, dažnai reikia išlaikyti efektyvumą virš 96 procentų, kad būtų ekonomiškai naudinga. Net saulės energijos elektrinės plačiai naudoja tryjų fazės tiesinimo technologiją, nes ji padeda palaikyti stabilų nuolatinės srovės lygį jungiantis prie pagrindinės elektros tinklo linijos, kas yra itin svarbu pastoviai energijos tiekimui.

Konfigūracija	Diodai	Tipinės taikymo sritys	Efektyvumas	Apkrovos talpa
Vienfazis	4	Įkrovikliai, SMPS, IoT įrenginiai	90–95%	<5 kW
Tryfazis	6	Pramoniniai varikliai, saulės elektrinės	96–98%	5–500 kW

Tinkamos konfigūracijos parinkimas pagal apkrovą ir energijos reikalavimus

Kai susiduriama su mažesnėmis nei 5 kW apkrovomis, kai nedidelis įtampos svyravimas nėra labai svarbus, vienfaziai tiesintuvai dažniausiai siūlo gerą kainos ir našumo santykį, kartu užtikrindami pakankamą veikimą. Tačiau situacija keičiasi, kai tampa būtina stabilumas. Taikymai, reikalaujantys nuolatinio įtampos lygio, maksimalios efektyvumo ar valdančios per 10 kW, paprastai pasirenka trifazines sistemas. Būtent šias sistemos dauguma gamintojų ir atsinaujinančios energijos įrenginiai naudoja savo intensyvesniems poreikiams. Prieš galutinai parinkdami bet kokią konfigūraciją, protinga patikrinti atvirkštinės viršūninės įtampos (PIV) charakteristikas atsižvelgiant į tai, kas realiai gali būti patiriama sistemoje. Daugelis ankstyvų gedimų atsiranda tiesiog todėl, kad kažkas nepaisė šių reitingų diegimo metu.

Pagrindiniai našumo rodikliai: efektyvumas, įtampos svyravimo faktorius ir viršūtinė atvirkštinė įtampa

Vertinant tiltinius lygintuvus, trys pagrindiniai našumo rodikliai lemia jų veiksmingumą energijos konvertavimo sistemose: efektyvumas, kintamumo faktorius ir maksimalus atvirkštinis įtampis (PIV). Šie parametrai turi įtakos tiek eksploatacinei patikimumui, tiek ilgalaikėms išlaidoms taikant nuo vartotojo elektronikos iki pramoninių variklių valdymo sistemų.

Kintamumo faktoriaus supratimas ir jo poveikis išvesties stabilumui

Bangavimo faktorius iš esmės parodo, kiek kintamosios srovės triukšmo lieka išlyginimo įtaiso nuolatinės srovės išvestyje. Kuo mažesnis šis skaičius, tuo švaresnis ir stabiliau veikiantis maitinimo šaltinis tampa. Dauguma tiltelinių jutiklių turi apie 0,48 bangavimo faktorių, kuris pakankamai gerai veikia tokiose srityse kaip mikroprocesoriai ar ryšių įranga, kuriai reikia gana švaraus maitinimo. Tačiau kai yra per daug bangavimo, tai pradeda generuoti papildomą šilumą bet kuriuose komponentuose, esančiuose po jutikliu. Dar blogiau, kad šie įtampos šuoliai gali sutrikdyti įrenginius, kurie ypač jautrūs elektros pokyčiams. Jei sistemos bangavimo faktorius viršija 0,6, inžinieriai paprastai priversti pridėti filtrus, kad išlygintų parametrus. Šie filtrai taip pat nėra pigūs, paprastai projekto išlaidas padidindami nuo 18 iki 22 procentų, priklausomai nuo to, koks filtravimo sprendimas įdiegtas.

Parametras	Tiltelio lygintuvas	Centrinio prijungimo ekvivalentas
Tipiškas bangavimo faktorius	0.48	0.48
Bangavimu sukeltos galios nuostoliai	6-9%	8-12%

Tilto jutiklių tipiškas naudingumo koeficientas ir veiksniai, kurie jį veikia

Standartiniai tilteliniai lygintuvai pasiekia apie 81,2 % efektyvumą, pranašesni už pusbangio lygintuvus 40–50 %. Pagrindiniai nuostolių šaltiniai yra:

• Bendras diodų tiesioginis įtampų kritimas (1,4 V dviem laidžiais silicio diodais)
• Transformatoriaus varinių laidų nuostoliai (3–7 %, priklausomai nuo apvijos skersmens)
• Šiluminis deratinimas esant aplinkos temperatūrai, viršijančiai 85 °C

Efektyvumą galima padidinti 10–15 %, tinkamai parinkus diodus (pvz., Šotkio diodus) ir naudojant tinkamus šilumos atsklaidus, ypač aukštos srovės pramoninėse aplinkose.

Maksimalus atvirkštinis įtampis ir jo poveikis diodų parinkimui bei kainai

Diodai turi atlaikyti aukščiausią atvirkštinę įtampą, su kuria susiduria dirbdami, kurią inžinieriai vadina viršutine atvirkštine įtampa arba trumpai PIV. Tiltelio lygintuvuose ši PIV vertė atitinka kintamosios srovės įvesties įtampos viršūnę, žymimą kaip Vm. Dauguma standartinių diodų, įvertintų 600 voltų, puikiai veikia įprastose 240 voltų kintamosios srovės sistemose. Tačiau su atsinaujinančios energijos sistemomis, veikiančiomis 480 voltų kintamosios srovės linijomis, situacija keičiasi. Šios instaliacijos reikalauja diodų, įvertintų mažiausiai apie 1000 voltų, ir tokie specifikacijų padidėjimai gali padidinti komponentų kainas nuo 35 % iki 60 %. Teisingas PIV vertės parinkimas taip pat yra finansiškai protingas, nes tai neleidžia išleisti pinigų pernelyg galingiems komponentams, tuo pačiu apsaugant nuo retkarčiais elektros sistemose pasitaikančių nenuspėjamų įtampos šuolių.

Bangavimo sumažinimas naudojant kondensatorių filtrus praktinėse aplikacijose

Lygiagrečiai išėjime įjungtas kondensatorius sumažina kintamąją dedamąją 65–90 %, priklausomai nuo talpos reikšmės, ekvivalentinės eilutinės varžos (ESR) ir apkrovos charakteristikų. Dažnas orientyras – naudoti 1000 µF vienam apkrovos srovės amperui. Efektyvus filtravimas leidžia atitikti griežtus reikalavimus dėl kintamosios dedamosios (<10 %) medicinos prietaisuose ir tikslinėje aparatūroje.

Tiltelinio lygintuvo taikymas įvairiose pramonės šakose

Maitinimo šaltiniai buitinėje elektronikoje ir impulsinių maitinimo šaltinių konstrukcijose

Paprastas tiltelio tiesinimo įtaisas atlieka svarbų vaidmenį impulsiniuose maitinimo šaltiniuose, kuriuos šiandien randame visur – nuo nešiojamųjų kompiuterių įkroviklių iki LED televizorių ir įvairių mobiliųjų įrenginių adapterių. Dauguma gamintojų taip pat naudoja pilnosios bangos tiltelio schemas dėl geros priežasties – apie 92 procentai visų šiuolaikinių SMPS vienetų priklauso šiai konfigūracijai. Kodėl? Na, jie iš tikrųjų yra gana efektyvūs – daugeliu atvejų pasiekiantys daugiau nei 80 procentų efektyvumą, be to, užima mažiau vietos, kas visada yra privalumas. O juk negalime pamiršti, kaip gerai jie veikia su aukšto dažnio jungikliais, veikiančiais apie 100 kHz dažniu. Tačiau svarbiausia yra jų gebėjimas be jokių problemų paversti standartinį 120 voltų kintamąjį srovę iš elektros lizdų į stabilų nuolatinės srovės maitinimą. Dėl to juos randame beveik kiekviename buities prietaise, kuriam šiuolaikiniais laikais reikia patikimo maitinimo keitimo.

Praktinis naudojimas virimo mašinose ir variklių valdyme

Tiltiniai lygintuvai svarbiai prisideda prie pramoninių suvirinimo sistemų, keisdami standartinį 3 fazių 480 V kintamąjį srovę į nuolatinę srovę nuo 200 iki 600 amperų, kas padeda išlaikyti stabilų suvirinimo lanką per visą darbo procesą. Pagal praeitų metų pramonės ataskaitas, nagrinėjusias apie penkiasdešimt skirtingų gamybos įmonių, beveik keturios iš penkių įmonių priėmė šį tiltinį lyginimą naudojant DC konkrečiai savo variklių pavarams. Kodėl? Geresnis valdymas perdirbimo juostų greičiu yra labai svarbus daugelyje gamybos linijų. Pereinant prie reguliuojamos nuolatinės srovės vietoj įprastos kintamosios srovės, pastebimas aiškus skirtumas. Suvirintojai nurodo apie trečdaliu mažesnį trynimąsi naudojant šias sistemas, kas reiškia švaresnius siūlus ir mažiau būtinybės perdirbti vėliau. Dirbtuvėms, kurios susiduria su didelės apimties gamyba, tokie patobulinimai greitai pasireiškia tiek kokybės, tiek efektyvumo gerėjimu.

Automobilių alternatoriai ir krūvinės sistemos integracija

Šių dienų automobilių alternatoriai yra aprūpinti vidiniais tilteliniais lygintuvais, kurie paima 3 fazių kintamosios srovės išvestį, svyruojančią nuo 12 iki 48 voltų, ir ją paverčia nuolatinės srovės elektra, reikalinga baterijoms įkrauti bei visokiausiems automobilio elektros komponentams maitinti. Šių lygintuvų efektyvumo lygis paprastai yra tarp 88 ir 92 procentų, kas tikrai turi reikšmės norint išlaikyti sveikas akumuliatorių būklę nepriklausomai nuo to, kokiu greičiu veikia variklis. Remiantis pramonės duomenimis, tik praėjusiais metais visame pasaulyje gamyklos pagamino apie 240 milijonų šių automobilių tiltelinių lygintuvų. Šis didžiulis gamybos apimtis padėjo skatinti tobulėjimą tokiose srityse kaip elektriniai galios stiprintuvai vairui ir šiuolaikinės informacijos bei pramogų sistemos, kurios dabar randamos daugelyje naujų automobilių, atvykstančių į autosalonus.

Saulės inverteriai ir atsinaujinančios energijos pirminio keitimo etapai

Tiltiniai lygintuvai yra būtini komponentai saulės mikroinvertoriuose, kur jie padeda stabilizuoti kintamą įtampą iš saulės baterijų, paprastai svyruojančią apie 18–40 V nuolatinės srovės, prieš tai, kai ji patenka į maksimalios galios taško sekimą. Nagrinėjant didesnės apimties komercinius sprendimus, trijų fazės tiltinių konfigūracijų naudojimas dažniausiai užtikrina geresnę nuolatinės srovės magistralės stabilumą, tikriausiai apie 25–30 % geresnį nei pusbangio sprendimai, kuriuos vis dar naudoja daugelis mažesnių sistemų. Tie patys lygintuvų konstrukciniai sprendimai taikomi ir vėjo turbinų posūkio valdyme. Ten vykstantis keitimo procesas tvarko gana didelę įtampą, pavyzdžiui, 480 V kintamosios srovės į 48 V nuolatinės srovės, ir palaiko bangavimą žemiau 2 %, kas yra išties įspūdinga, atsižvelgiant į apkrovas, su kuriomis šios sistemos susiduria kasdien.

Tiltinis lygintuvas ir centrinio atvartų lygintuvas: konstrukcinių sprendimų kompromisai

Efektyvumo ir transformatoriaus naudojimo palyginimas

Tiltiniai lygintuvai veikia beveik tokį pat efektyvumą (apie 81,2 %) kaip ir centrinio išvedimo modeliai, tačiau iš tikrųjų jie geriau panaudoja transformatorius. Vertinant transformatorių naudojimo veiksnius, tiltiniai grandynai pasiekia 0,812, o centrinio išvedimo – tik 0,693. Tai reiškia, kad inžinieriai gali pasirinkti mažesnius transformatorius, kurie sutaupo medžiagų ir vietos išlaidas. Kodėl taip atsitinka? Na, tiltiniai lygintuvai naudoja visą antrinę apviją per abu kintamosios srovės ciklo pusrutulius, dėl ko jie iš esmės gali išspausti daugiau galios nei jų atitikmenys. Dėl to jie tampa gana populiarus pasirinkimas, kai svarbu vietos taupymas arba kieti biudžeto apribojimai.

Privalumai: be centrinio išvedimo ir didesnis išvesties efektyvumas

Viduriniojo išvado pašalinimas sumažina gamybos sudėtingumą ir komponentų skaičių. Tilteliniai tiesintuvai leidžia pasiekti aukštesnę išvesties įtampą naudojant standartines transformatorines ir tolygiau paskirsto šiluminę apkrovą tarp diodų, todėl ilgesnis tarnavimo laikas, ypač reikalaujamose aplinkose, pvz., automobilių ir pramoniniuose sistemose.

Trūkumai: Įtampos kritimas, šilumos sklaida ir sudėtingumas

Naudojant dvigubą diodinę laidumo grandinę vietoj centrinio prijungimo schemų, tiesioginis įtampų kritimas yra žymiai didesnis – apie 1,4 voltų, palyginti su tik 0,7 voltų. Dėl to žemo įtampos taikymo srityse efektyvumas sumažėja, o nuostoliai gali siekti nuo 5 iki 8 procentų. Sistemoms, perdirbančioms daugiau nei 10 amperų srovę, reikia didesnių šilumos sklaidytuvų, kurie užima žymiai daugiau vietos ant plokštės – tikriausiai reikia papildomai nuo 15 iki 25 procentų daugiau vietos. Net ir turint šiuolaikinius išmanius šilumos valdymo būdus, šios keturių diodų konfigūracijos vis dar sukelia problemų technikams lauke. Diagnostika ir remontas trunka ilgiau, nes tiesiog yra daugiau komponentų, dėl ko gedimų ieškojimas tampa apie 30 procentų sudėtingesnis nei paprastesnėse konfigūracijose.

Dažniausiai užduodami klausimai

Kas yra tiltelio tiesinimo schema?

Tiltelio tiesinimo schema yra elektroninis įrenginys, kuris keičia kintamąją srovę (AC) į nuolatinę srovę (DC), naudodamas keturis diodus, išdėstytus tiltelio konfigūracijoje.

Kodėl tiltelio tiesinimo diodai naudojami keturi diodai?

Keturi diodai naudojami tam, kad tiltelio tiesintuvas galėtų paversti visą kintamosios srovės bangos formą (abi teigiamąsias ir neigiamąsias pusperiodžių dalis) į nuolatinę srovę, užtikrindamas efektyvesnį paverstą nei paprastesni tiesinimo metodai.

Kas yra pagrįsti SPICE įrankiai ir kodėl jie naudojami?

SPICE pagrįsti įrankiai, tokie kaip LTspice ir MATLAB Simulink, yra modeliavimo programos, naudojamos elektroninių grandžių modeliuoti ir analizuoti, padedančios inžinieriams numatyti grandinės elgseną įvairiomis sąlygomis prieš fizinį prototipavimą.

Kuo skiriasi vienfaziai ir trifaziai tiesintuvai?

Vienfaziai tiesintuvai paprastai naudoja keturis diodus ir tinka mažos galios taikymams, o trifaziai tiesintuvai naudoja šešis diodus, tvarko didesnę galią ir suteikia sklandesnį nuolatinės srovės išėjimą pramoniniams taikymams.

Kas yra bangavimo faktorius?

Bangavimo faktorius matuoja kintamosios srovės dedamąsias, likusias tiesintuvo nuolatinės srovės išėjime. Mažesni bangavimo faktoriai rodo švaresnį ir stabiliau nuolatinės srovės išėjimą.

Kur dažniausiai naudojami tilteliniai lygintuvai?

Tilteliniai lygintuvai naudojami įvairiose srityse, įskaitant maitinimo šaltinius vartotojo elektronikai, pramoninius variklių valdiklius, automobilių alternatorius bei saulės ir atsinaujinančios energijos sistemas.