מיישר גשר דיודה הוא מעגל שמשנה AC ל-DC באמצעות ארבע דיודות המסודרות בגשר. זה עובד במהלך מחזורים חיוביים ושליליים כאחד, מה שהופך אותו ליעיל יותר מסוגי חצי גל. מאמר זה מסביר בפירוט את הפונקציות, מתחי היציאה, הבחירה, הנצילות, השימוש בשנאים, בקרת אדווה ויישומים.
ג1. מיישר גשר דיודה
ג2. הפונקציה העיקרית של מיישר גשר דיודה
ג3. מתחי יציאה של גשר דיודות
CC4. בחירת גשר דיודה ודירוגים
ג5. יעילות גשר דיודות וניהול תרמי
ג6. גשר דיודה וניצול שנאי
ג7. גשר דיודה אדווה והחלקה
ג8. גרסאות ויישומים של גשר דיודות
ג9. בעיות בגשר דיודה, בדיקות ופתרון בעיות
ג10. יישומי גשר דיודות
ג11. מסקנה
ג12. שאלות נפוצות [שאלות נפוצות]
מיישר גשר דיודה
מיישר גשר דיודה הוא מעגל המשנה זרם חילופין (AC) לזרם ישר (DC). הוא משתמש בארבע דיודות המסודרות בצורה מיוחדת הנקראת גשר. מטרת התקנה זו היא לוודא שהזרם החשמלי נע תמיד בכיוון אחד דרך העומס.
ב-AC, הזרם משנה כיוון פעמים רבות בכל שנייה. מיישר גשר פועל במהלך החלקים החיוביים והשליליים של מחזור זה. זה הופך אותו ליעיל יותר מאשר מיישר חצי גל, שעובד רק במחצית אחת של המחזור. התוצאה היא זרימה קבועה של DC שמכשירים אלקטרוניים יכולים להשתמש בה.
הפונקציה העיקרית של מיישר גשר דיודה
במהלך חצי המחזור החיובי של כניסת AC, שתיים מהדיודות מוליכות ומאפשרות לזרם לזרום דרך העומס. כאשר הקלט עובר לחצי מחזור שלילי, שתי הדיודות האחרות נדלקות ומכוונות את הזרם באותו כיוון דרך העומס. הולכה מתחלפת זו מבטיחה שהעומס תמיד יקבל זרם הזורם בכיוון אחד, וכתוצאה מכך יציאת DC פועמת. כאשר מוסיפים קבל או מסנן למעגל, ה-DC הפועם מוחלק, ומייצר מתח DC יציב ורציף יותר.
מתחי יציאה של גשר דיודה
תפוקת DC ממוצעת
מתח המוצא הממוצע של DC, המיוצג על ידי הנוסחה
הוא המתח הממוצע הנמדד על פני העומס לאחר התיקון. הוא מייצג את רמת ה-DC האפקטיבית של הפלט הפועם ועוזר לתאר כמה זרם ישר שמיש המעגל מייצר מכניסה מתחלפת.
ערך RMS 3.2
מתח RMS (שורש ממוצע ריבוע) מחושב באמצעות הנוסחה
RMS היא שיטה לקביעת המתח הקבוע המקביל המספק את אותו הספק כמו צורת הגל AC. הוא מספק הבנה מציאותית יותר של אפקט החימום או יכולת ההספק של האות המתוקן, מכיוון שהוא משקף כמה אנרגיה האות יכול לספק לעומס לאורך זמן.
DC יעיל עם טיפות דיודה
במעגלים מעשיים, דיודות אמיתיות אינן מושלמות ומציגות ירידות מתח. ניתן לבטא את תפוקת ה-DC האפקטיבית בהתחשב בטיפות אלה כ
כל נתיב מוליך בגשר כולל שתי דיודות, ושתיהן תורמות לירידת מתח המפחיתה את יציאת ה-DC בפועל.
• עבור דיודות סיליקון, Vf ≈ 0.7 V
• עבור דיודות שוטקי, Vf ≈ 0.3 V
זה מקטין את יציאת ה-DC בפועל בהשוואה למארז האידיאלי.
בחירת גשר דיודה ודירוגים
גורמים לבחירת דיודות
• דירוג זרם קדימה (אם): דירוג הזרם הרציף של הדיודה צריך לעלות על זרם העומס המרבי DC. בחר תמיד עם שולי רווח של 25-50% למען הבטיחות.
• דירוג זרם נחשול (Ifsm): בעת ההפעלה, במיוחד בעת טעינת קבלי מסנן גדולים, הדיודה מתמודדת עם נחשולי התנעה גבוהים פי כמה מהזרם הקבוע. דירוג Ifsm גבוה מבטיח שהדיודה לא תיכשל תחת פולסים אלה.
• מתח הפוך שיא (PIV): כל דיודה חייבת לעמוד בשיא ה-AC המרבי כאשר היא מוטה הפוכה. כלל כללי הוא לבחור PIV לפחות פי 2-3 ממתח ה-AC של כניסת RMS.
• ירידת מתח קדימה (Vf): Vf נמוך יותר פירושו פחות אובדן חשמל וחימום. לדיודות שוטקי יש Vf נמוך מאוד אך בדרך כלל מגבלות PIV נמוכות יותר, בעוד שדיודות סיליקון הן סטנדרטיות עבור יישומי מתח גבוה.
דיודות נפוצות למיישרי גשר
| דיודה / מודול | דירוג נוכחי | מתח שיא |
|---|---|---|
| 1N4007 | 1 א | 1000 וולט |
| 1N5408 | 3 א | 1000 וולט |
| KBPC3510 | 35 א | 1000 וולט |
| שוטקי (1N5819) | 1 א | 40 וולט |
יעילות גשר דיודה וניהול תרמי
מקורות ההפסדים
בגשר גל מלא, זרם זורם דרך שתי דיודות בכל פעם. כל טיפה היא בדרך כלל 0.6-0.7 V עבור דיודות סיליקון או 0.2-0.4 V עבור סוגי שוטקי. ניתן לחשב את הכוח הכולל שאבד כחום:
אם החום לא מנוהל, טמפרטורת הצומת עולה, מה שמאיץ את שחיקת הדיודות ועלול להוביל לכשל קטסטרופלי.
אסטרטגיות ניהול תרמי
• השתמש בהתקני Vf נמוך: דיודות שוטקי מפחיתות את אובדן ההולכה באופן משמעותי. דיודות התאוששות מהירות טובות יותר עבור מיישרים בתדר גבוה.
• שיטות פיזור חום: חבר דיודות או מודולי גשר לגופי קירור. בחר מיישרי גשר עם מארז מתכת עם נתיבים תרמיים מובנים. ספק יציקת נחושת PCB נאותה סביב רפידות דיודה.
• קירור ברמת המערכת: תכנון לזרימת אוויר ואוורור במארזים. עקוב אחר טמפרטורת ההפעלה כנגד עקומות הירידה.
גשר דיודה וניצול שנאי
ניצול סלילה מלא
במיישר ברז מרכזי, רק מחצית מהפיתול המשני מוליך במהלך כל חצי מחזור, ומשאיר את החצי השני ללא שימוש. לעומת זאת, גשר דיודה משתמש בכל הפיתול המשני במהלך שני חצאי המחזורים, מה שמבטיח ניצול מלא של השנאי ונצילות גבוהה יותר.
אין צורך בברז מרכזי
יתרון מרכזי של מיישר הגשר הוא שהוא אינו דורש שנאי עם הקשה במרכז. זה מפשט את בניית השנאים. מפחית את השימוש בנחושת ועלותה. הופך את המיישר למתאים יותר לספקי כוח קומפקטיים.
גורם ניצול שנאי (TUF)
גורם ניצול השנאי (TUF) מודד עד כמה יעיל השימוש בדירוג השנאי:
| סוג מיישר | ערך TUF |
|---|---|
| הקשה מרכזית גל מלא | 0.693 |
| מיישר גשר | 0.812 |
אדווה והחלקה של גשר דיודה
אופי האדווה
כאשר AC עובר דרך מיישר גשר, חצאים חיוביים ושליליים מתוקנים, וכתוצאה מכך פלט רציף. המתח עדיין עולה ויורד עם כל חצי מחזור, ומייצר אדווה ולא קו DC שטוח לחלוטין. תדר האדווה הוא פי שניים מתדר הכניסה AC:
• רשת 50 הרץ → אדווה של 100 הרץ
• רשת 60 הרץ → אדווה של 120 הרץ
השוואת גורמי אדווה
| סוג מיישר | גורם אדווה (γ) |
|---|---|
| מיישר חצי גל | 1.21 |
| הקשה מרכזית גל מלא | 0.482 |
| מיישר גשר | 0.482 |
החלקה עם פילטרים
| סוג סינון | תיאור | פונקציה |
|---|---|---|
| מסנן קבלים | קבל אלקטרוליטי גדול מחובר על פני העומס. | נטען במהלך שיאי מתח ופריקות במהלך ירידות, ומחליק את צורת הגל המתוקנת. |
| מסנני RC או LC | מסנן RC משתמש בנגד-קבל; מסנן LC משתמש במשרן-קבל. | RC מוסיף החלקה פשוטה; LC מטפל בזרמים גבוהים יותר ביעילות עם הפחתת אדווה טובה יותר. |
| רגולטורים | יכול להיות סוג ליניארי או מיתוג. | מספק יציאת DC יציבה, תוך שמירה על מתח קבוע ללא קשר לשינויי העומס. |
גרסאות ויישומים של גשר דיודה
| סוג | יתרונות | חסרונות |
|---|---|---|
| גשר דיודה סטנדרטי | עיצוב פשוט, זול ונמצא בשימוש נרחב. | הפסדי מתח קדימה גבוהים יותר (\~ 1.4 V בסך הכל עם דיודות סיליקון). |
| גשר שוטקי | ירידת מתח קדימה נמוכה מאוד (\~0.3-0.5 V לכל דיודה), מהירות מיתוג מהירה. | דירוגי מתח הפוך נמוכים יותר (≤ 100 וולט). |
| גשר סינכרוני (מבוסס MOSFET) | נצילות אולטרה-גבוהה עם הפסדי הולכה מינימליים, המתאימה לתכני זרם גבוה. | נדרשים מעגלי בקרה מורכבים יותר ועלות רכיבים גבוהה יותר. |
| SCR/גשר מבוקר | מאפשר בקרת זווית פאזה של מתח המוצא ותומך בטיפול בהספק גדול. | זקוק למעגלי טריגר חיצוניים ויכול להכניס עיוות הרמוני. |
בעיות בגשר דיודה, בדיקות ופתרון בעיות
מלכודות נפוצות
• כיוון דיודה שגוי - אינו גורם לפלט או אפילו לקצר ישיר לשנאי.
• מסנן קבלים קטן - מביא לאדווה גבוהה ופלט DC לא יציב.
• דיודות מחוממות יתר על המידה - מתרחשות כאשר דירוג הזרם או פיזור החום אינם מספיקים.
• פריסת PCB לקויה - עקבות ארוכים ושטח נחושת לא מספיק מגבירים את ההתנגדות והחימום.
כלים לפתרון בעיות
• מולטימטר (מצב בדיקת דיודה): מודד ירידה קדימה (~0.6-0.7 וולט לסיליקון, ~0.3 וולט לשוטקי) ומאשר חסימה לאחור.
• אוסצילוסקופ: מדמיין תוכן אדווה, מתח שיא ועיוות צורת גל בעומס.
• מדחום IR או מצלמה תרמית: מזהה חימום מוגזם של דיודות, קבלים או עקבות בעומס.
• מד LCR: מודד את ערך קבל המסנן כדי לבדוק אם יש ירידה לאורך זמן.
יישומי גשר דיודה
ספקי כוח
משמש בספקי-כוח AC-ל-DC עבור מכשירי רדיו, טלוויזיות, מגברים ומכשירים עם קבלים ומייצבים מסננים.
מטעני סוללות
מיושם במטענים לרכב, ממירים, UPS ואורות חירום כדי לספק DC מבוקר לסוללות.
נהגי LED
המרת AC ל-DC עבור נורות LED, פאנלים ופנסי רחוב, הפחתת הבהוב עם קבלים ודרייברים.
בקרת מנוע
ספק DC עבור מאווררים, מנועים קטנים, HVAC ובקרים תעשייתיים כדי להבטיח פעולה חלקה.
סיכום
מיישר גשר הדיודה הוא דרך אמינה להמיר AC ל-DC. על ידי שימוש במחזור AC מלא והימנעות מהצורך בברז מרכזי, הוא מספק כוח DC יציב. עם בחירת דיודות נכונה, בקרת חום וסינון, הוא מבטיח ביצועים יעילים בספקי-כוח, מטענים, מערכות תאורה ובקרת מנועים.
שאלות נפוצות [שאלות נפוצות]
מה ההבדל בין מיישרי גשר חד פאזיים לתלת פאזיים?
חד פאזי משתמש ב-4 דיודות לכניסת AC אחת; תלת פאזי משתמש ב-6 דיודות עם שלוש כניסות, מה שמעניק DC חלק יותר ופחות אדווה.
האם מיישר גשר יכול לעבוד ללא שנאי?
כן, אבל זה לא בטוח מכיוון שפלט ה-DC אינו מבודד מהחשמל.
מה קורה אם דיודה אחת במיישר גשר נכשלת?
דיודה מקוצרת עלולה לפוצץ נתיכים או לפגוע בשנאי; דיודה פתוחה גורמת למעגל לפעול כמו מיישר חצי גל עם אדווה גבוהה.
מהו התדר המקסימלי שגשר דיודה יכול להתמודד?
דיודות סטנדרטיות עובדות עד כמה קילו-הרץ; דיודות שוטקי או התאוששות מהירה מטפלות בעשרות עד מאות קילו-הרץ.
האם ניתן לחבר מיישרי גשר במקביל לזרם רב יותר?
כן, אבל הם זקוקים לשיטות איזון כמו נגדים טוריים; אחרת, זרם עלול לזרום בצורה לא אחידה ולחמם יתר על המידה את הדיודות.