مقوم جسر الصمام الثنائي هو دائرة تغير التيار المتردد إلى تيار مستمر باستخدام أربعة صمامات ثنائية مرتبة في جسر. إنه يعمل خلال كل من الدورات الإيجابية والسلبية ، مما يجعله أكثر كفاءة من أنواع نصف الموجة. تشرح هذه المقالة وظائفها ، وفولتية الخرج ، والاختيار ، والكفاءة ، واستخدام المحولات ، والتحكم في التموجات ، والتطبيقات بالتفصيل.
ج 1. مقوم جسر الصمام الثنائي
ج 2. الوظيفة الرئيسية لمقوم جسر الصمام الثنائي
ج 3. الفولتية الإخراج لجسر الصمام الثنائي
CC4. اختيار جسر الصمام الثنائي والتقييمات
ج 5. كفاءة جسر الصمام الثنائي والإدارة الحرارية
ج 6. استخدام جسر الصمام الثنائي والمحولات
ج 7. جسر الصمام الثنائي تموج وتنعيم
ج 8. متغيرات جسر الصمام الثنائي والتطبيقات
ج 9. مشكلات جسر الصمام الثنائي والاختبار واستكشاف الأخطاء وإصلاحها
ج 10. تطبيقات جسر الصمام الثنائي
ج 11. استنتاج
ج 12. الأسئلة المتكررة [FAQ]
مقوم جسر الصمام الثنائي
مقوم جسر الصمام الثنائي هو دائرة تغير التيار المتردد (AC) إلى تيار مباشر (DC). يستخدم أربعة ثنائيات مرتبة في شكل خاص يسمى الجسر. الغرض من هذا الإعداد هو التأكد من أن التيار الكهربائي يتحرك دائما في اتجاه واحد عبر الحمل.
في التيار المتردد ، يغير التيار اتجاهه عدة مرات كل ثانية. يعمل مقوم الجسر خلال كل من الأجزاء الإيجابية والسلبية من هذه الدورة. هذا يجعلها أكثر كفاءة من مقوم نصف الموجة ، والذي يعمل فقط خلال نصف الدورة. والنتيجة هي تدفق مستمر للتيار المستمر يمكن للأجهزة الإلكترونية استخدامه.
الوظيفة الرئيسية لمقوم جسر الصمام الثنائي
خلال نصف الدورة الموجبة لمدخلات التيار المتردد ، يقوم اثنان من الثنائيات بتوصيل التيار الثنائي والسماح للتيار بالتدفق عبر الحمل. عندما يتحول الإدخال إلى نصف الدورة السالبة ، يتم تشغيل الصمامات الثنائية الأخرى وتوجيه التيار في نفس الاتجاه عبر الحمل. يضمن هذا التوصيل المتردد أن الحمل يتلقى دائما تيارا متدفقا في اتجاه واحد ، مما ينتج عنه خرج تيار مستمر نابض. عند إضافة مكثف أو مرشح إلى الدائرة ، يتم تنعيم التيار المستمر النابض ، مما ينتج عنه جهد تيار مستمر أكثر استقرارا واستمرارا.
جهد خرج جسر الصمام الثنائي
متوسط إخراج التيار المستمر
متوسط جهد خرج التيار المستمر ، ممثلا بالصيغة
هو متوسط الجهد المقاس عبر الحمل بعد التصحيح. إنه يمثل مستوى التيار المستمر الفعال للخرج النابض ويساعد في وصف مقدار التيار المباشر القابل للاستخدام الذي تنتجه الدائرة من مدخل متناوب.
قيمة RMS
يتم حساب جهد RMS (جذر متوسط مربع) باستخدام الصيغة
RMS هي طريقة لتحديد الجهد الثابت المكافئ الذي يوفر نفس الطاقة مثل شكل موجة التيار المتردد. يوفر فهما أكثر واقعية لتأثير التسخين أو قدرة الطاقة للإشارة المصححة ، لأنه يعكس مقدار الطاقة التي يمكن أن توفرها الإشارة إلى الحمل بمرور الوقت.
DC فعالة مع قطرات الصمام الثنائي
في الدوائر العملية ، الثنائيات الحقيقية ليست مثالية وتقدم انخفاضا في الجهد. يمكن التعبير عن خرج التيار المستمر الفعال مع مراعاة هذه القطرات على النحو التالي
يتضمن كل مسار توصيل في الجسر صمامين ثنائيين ، وكلاهما يساهم في انخفاض الجهد الذي يقلل من خرج التيار المستمر الفعلي.
• بالنسبة لثنائيات السيليكون ، VF ≈ 0.7 فولت
• بالنسبة للصمامات الثنائية Schottky ، VF ≈ 0.3 فولت
هذا يقلل من خرج التيار المستمر الفعلي مقارنة بالحالة المثالية.
اختيار جسر الصمام الثنائي والتقييمات
عوامل اختيار الصمام الثنائي
• تصنيف التيار الأمامي (إذا): يجب أن يتجاوز تصنيف التيار المستمر للصمام الثنائي الحد الأقصى لتيار حمل التيار المستمر. اختر دائما بهامش 25-50٪ من أجل السلامة.
• تصنيف تيار التيار (Ifsm): عند بدء التشغيل ، خاصة عند شحن مكثفات المرشح الكبيرة ، يواجه الصمام الثنائي ارتفاعات تدفق أعلى عدة مرات من التيار الثابت. يضمن تصنيف Ifsm المرتفع عدم فشل الصمام الثنائي تحت هذه النبضات.
• ذروة الجهد العكسي (PIV): يجب أن يتحمل كل صمام ثنائي أقصى ذروة تيار متردد عند التحيز العكسي. القاعدة العامة هي تحديد PIV على الأقل 2-3 أضعاف جهد التيار المتردد لإدخال RMS.
• انخفاض الجهد الأمامي (Vf): انخفاض Vf يعني فقدان أقل للطاقة والتدفئة. تتميز ثنائيات Schottky ب Vf منخفض جدا ولكنها عادة ما تكون حدود PIV أقل ، في حين أن ثنائيات السيليكون قياسية لتطبيقات الجهد العالي.
الثنائيات شائعة الاستخدام لمقومات الجسر
| الصمام الثنائي / الوحدة | التصنيف الحالي | ذروة الجهد |
|---|---|---|
| 1N4007 | 1 أ | 1000 فولت |
| 1N5408 | 3 أ | 1000 فولت |
| KBPC3510 | 35 أ | 1000 فولت |
| شوتكي (1N5819) | 1 أ | 40 فولت |
كفاءة جسر الصمام الثنائي والإدارة الحرارية
مصادر الخسائر
في جسر كامل الموجة ، يتدفق التيار عبر صمامين ثنائيين في وقت واحد. عادة ما تكون كل قطرة 0.6-0.7 فولت لثنائيات السيليكون أو 0.2-0.4 فولت لأنواع شوتكي. يمكن حساب إجمالي الطاقة المفقودة كحرارة:
إذا لم تتم إدارة الحرارة ، ترتفع درجة حرارة الوصلة ، مما يسرع من تآكل الصمام الثنائي ويمكن أن يؤدي إلى فشل كارثي.
استراتيجيات الإدارة الحرارية
• استخدم أجهزة Low-Vf: تقلل الثنائيات Schottky من فقدان التوصيل بشكل ملحوظ. الثنائيات سريعة الاسترداد أفضل للمقومات عالية التردد.
• طرق تبديد الحرارة: قم بتوصيل الثنائيات أو وحدات الجسر بالمشتتات الحرارية. اختر مقومات الجسر ذات الغلاف المعدني مع مسارات حرارية مدمجة. توفير صب النحاس ثنائي الفينيل متعدد الكلور الكافي حول وسادات الصمام الثنائي.
• التبريد على مستوى النظام: تصميم لتدفق الهواء والتهوية في العبوات. مراقبة درجة حرارة التشغيل مقابل منحنيات الانحدار.
استخدام جسر الصمام الثنائي والمحولات
الاستخدام الكامل لللف
في مقوم الصنبور المركزي ، يتم توصيل نصف الملف الثانوي فقط خلال كل نصف دورة ، تاركا النصف الآخر غير مستخدم. في المقابل ، يستخدم جسر الصمام الثنائي الملف الثانوي بالكامل خلال كلتا الدورتين النصفتين ، مما يضمن الاستخدام الكامل للمحول وكفاءة أعلى.
لا حاجة للصنبور المركزي
تتمثل إحدى المزايا الرئيسية لمقوم الجسر في أنه لا يتطلب محولا يتم استغلاله في المركز. هذا يبسط بناء المحولات. يقلل من استخدام النحاس وتكلفته. يجعل المعدل أكثر ملاءمة لإمدادات الطاقة المدمجة.
عامل استخدام المحولات (TUF)
يقيس عامل استخدام المحولات (TUF) مدى فعالية استخدام تصنيف المحول:
| نوع المعدل | قيمة TUF |
|---|---|
| الصنبور المركزي الموجة الكاملة | 0.693 |
| مقوم الجسر | 0.812 |
جسر الصمام الثنائي تموج وتنعيم
طبيعة الموج
عندما يمر التيار المتردد عبر مقوم الجسر ، يتم تصحيح كل من النصفين الموجب والسالب ، مما يؤدي إلى إخراج مستمر. لا يزال الجهد يرتفع وينخفض مع كل نصف دورة ، مما ينتج عنه تموج بدلا من خط تيار مستمر مسطح تماما. تردد التموج هو ضعف تردد إدخال التيار المتردد:
• أنابيب 50 هرتز → تموج 100 هرتز
• أنابيب 60 هرتز → تموج 120 هرتز
مقارنة عوامل التموج
| نوع المعدل | عامل الريبل (γ) |
|---|---|
| مقوم نصف الموجة | 1.21 |
| الصنبور المركزي الموجة الكاملة | 0.482 |
| مقوم الجسر | 0.482 |
التنعيم باستخدام المرشحات
| نوع الفلتر | الوصف | وظيفة |
|---|---|---|
| مرشح المكثف | يتم توصيل مكثف إلكتروليتي كبير عبر الحمل. | يتم شحنها أثناء ذروة الجهد والتفريغ أثناء الانخفاضات ، مما يؤدي إلى تنعيم شكل الموجة المصحح. |
| مرشحات RC أو LC | يستخدم مرشح RC مقاوما - مكثف. يستخدم مرشح LC محث - مكثف. | يضيف RC تجانسا بسيطا. يتعامل LC مع التيارات الأعلى بشكل فعال مع تقليل التموج بشكل أفضل. |
| المنظمون | يمكن أن يكون خطيا أو نوع التبديل. | يوفر خرج تيار مستمر مستقرا ، مع الحفاظ على جهد ثابت بغض النظر عن اختلافات الحمل. |
متغيرات وتطبيقات جسر الصمام الثنائي
| النوع | الايجابيات | سلبيات |
|---|---|---|
| جسر الصمام الثنائي القياسي | تصميم بسيط وغير مكلف ومستخدم على نطاق واسع. | فقدان جهد أمامي أعلى (\ ~ 1.4 فولت إجمالا مع ثنائيات السيليكون). |
| جسر شوتكي | انخفاض الجهد الأمامي منخفض جدا (\ ~ 0.3-0.5 فولت لكل صمام ثنائي) ، سرعة تبديل سريعة. | معدلات الجهد العكسي المنخفض (≤ 100 فولت). |
| الجسر المتزامن (المستند إلى MOSFET) | كفاءة فائقة مع الحد الأدنى من خسائر التوصيل ، ومناسبة للتصميمات الحالية العالية. | مطلوب دوائر تحكم أكثر تعقيدا وتكلفة مكونات أعلى. |
| SCR / جسر متحكم فيه | يسمح بالتحكم في زاوية الطور لجهد الخرج ويدعم معالجة الطاقة الكبيرة. | يحتاج إلى دوائر تشغيل خارجية ويمكن أن يدخل تشوها توافقيا. |
مشكلات جسر الصمام الثنائي والاختبار واستكشاف الأخطاء وإصلاحها
المزالق الشائعة
• اتجاه الصمام الثنائي الخاطئ - لا يسبب أي إخراج أو حتى قصر مباشر للمحول.
• مرشح مكثف صغير الحجم - ينتج عنه تموج عالي وإخراج تيار مستمر غير مستقر.
• الثنائيات المحمومة - تحدث عندما يكون التصنيف الحالي أو تبديد الحرارة غير كاف.
• تخطيط ضعيف ثنائي الفينيل متعدد الكلور - الآثار الطويلة ومساحة النحاس غير الكافية تزيد من المقاومة والتسخين.
أدوات استكشاف الأخطاء وإصلاحها
• المقياس المتعدد (وضع اختبار الصمام الثنائي): يقيس الانخفاض الأمامي (~ 0.6-0.7 فولت للسيليكون ، ~ 0.3 فولت لشوتكي) ويؤكد الحظر في الاتجاه المعاكس.
• راسم الذبذبات: يصور محتوى التموج ، وذروة الجهد ، وتشويه شكل الموجة عند الحمل.
• مقياس حرارة الأشعة تحت الحمراء أو الكاميرا الحرارية: يكتشف التسخين المفرط للثنائيات أو المكثفات أو الآثار تحت الحمل.
• مقياس LCR: يقيس قيمة مكثف المرشح للتحقق من التدهور بمرور الوقت.
تطبيقات جسر الصمام الثنائي
مزودات الطاقة
تستخدم في إمدادات التيار المتردد إلى التيار المستمر لأجهزة الراديو وأجهزة التلفزيون ومكبرات الصوت والأجهزة المزودة بمكثفات ومنظمات المرشح.
شواحن البطارية
يتم تطبيقه في شواحن السيارات والمحولات و UPS وأضواء الطوارئ لتوفير تيار مستمر متحكم فيه للبطاريات.
برامج تشغيل LED
قم بتحويل التيار المتردد إلى التيار المستمر لمصابيح LED واللوحات ومصابيح الشوارع، مما يقلل من الوميض باستخدام المكثفات والمشغلات.
التحكم في المحرك
توفير التيار المستمر للمراوح والمحركات الصغيرة والتهوية وتكييف الهواء ووحدات التحكم الصناعية لضمان التشغيل السلس.
الخلاصة
يعد مقوم جسر الصمام الثنائي طريقة موثوقة لتحويل التيار المتردد إلى تيار مستمر. باستخدام دورة التيار المتردد الكاملة وتجنب الحاجة إلى صنبور مركزي ، فإنه يوفر طاقة تيار مستمر مستقرة. من خلال الاختيار المناسب للصمام الثنائي والتحكم في الحرارة والتصفية ، فإنه يضمن الأداء الفعال في إمدادات الطاقة وأجهزة الشحن وأنظمة الإضاءة والتحكم في المحرك.
الأسئلة المتداولة [FAQ]
ما هو الفرق بين مقومات الجسر أحادية الطور وثلاثية الطور؟
يستخدم أحادي الطور 4 صمامات ثنائية لمدخل تيار متردد واحد ؛ تستخدم ثلاث مراحل 6 صمامات ثنائية بثلاثة مدخلات ، مما يعطي DC أكثر سلاسة وتموجات أقل.
هل يمكن أن يعمل مقوم الجسر بدون محول؟
نعم ، لكنها غير آمنة لأن إخراج التيار المستمر غير معزول عن التيار الكهربائي.
ماذا يحدث إذا فشل صمام ثنائي واحد في مقوم الجسر؟
يمكن للصمام الثنائي القصير أن ينفجر الصمامات أو يتلف المحول. الصمام الثنائي المفتوح يجعل الدائرة تعمل مثل مقوم نصف موجة مع تموج عالي.
ما هو الحد الأقصى للتردد الذي يمكن أن يتعامل معه جسر الصمام الثنائي؟
تعمل الثنائيات القياسية حتى بضعة كيلو هرتز ؛ تتعامل الثنائيات Schottky أو سريعة الاسترداد مع عشرات إلى مئات كيلو هرتز.
هل يمكن توصيل مقومات الجسر بالتوازي لمزيد من التيار؟
نعم ، لكنهم يحتاجون إلى طرق موازنة مثل مقاومات السلسلة. خلاف ذلك ، قد يتدفق التيار بشكل غير متساو ويسخن الثنائيات.