انواع رکتیفایرها:
رکتیفایرها را عمدتاً می توان به دو نوع دسته بندی کرد:
از نظر تعداد فاز، می توان رکتیفایرها را در دو دسته عمده تکفاز و سه فاز قرار داد:
بر اساس نوع یکسوکنندگی، رکتیفایرها به دو دسته طبقه بندی زیر می شوند:
رکتیفایر نیم موج: این یکسو کننده فقط نیمی از موج AC را به سیگنال DC تبدیل می کند.
رکتیفایر تمام موج: یکسوکننده تمام موج سیگنال AC کامل را به DC تبدیل می کند.
در ادامه، به زبانی ساده با رکتیفایرهای نیم موج و تمام موج کنترل نشده تکفاز آشنا خواهیم شد.
رکتیفایر نیم موج:
رکتیفایر نیم موج ساده ترین شکل رکتیفایر است.
ساختار و اجزای رکتیفایر نیم موج:
برای ساخت یکسوساز نیم موج فقط از یک دیود استفاده می کنیم. این یکسوساز از یک منبع AC، ترانسفورماتور کاهنده، دیود و مقاومت بار تشکیل شده است. دیود بین ترانسفورماتور و مقاومت بار قرار می گیرد.
منبع AC جریان متناوب را به مدار می رساند. جریان متناوب اغلب با شکل موج سینوسی نشان داده می شود. ترانسفورماتور تجهیزی است که ولتاژ AC را کاهش یا افزایش می دهد. ترانسفورماتور کاهنده ولتاژ AC را کاهش می دهد، در حالی که ترانسفورماتور افزاینده ولتاژ AC را زیاد می کند.
در یکسوساز نیم موج، به طور کلی از یک ترانسفورماتور کاهنده استفاده می شود، زیرا ولتاژ مورد نیاز برای دیود بسیار کم است. اعمال ولتاژ بالای AC بدون استفاده از ترانسفروماتور برای دیود را از بین می برد. بنابراین، از یک ترانسفورماتور کاهنده در یکسوساز نیم موج استفاده می شود.
با این حال، در برخی موارد، از یک ترانسفورماتور افزاینده نیز ممکن است استفاده شود. در ترانسفورماتور کاهنده، سیم پیچ اولیه تعداد دور بیشتری نسبت به سیم پیچ ثانویه دارد. بنابراین ترانسفورماتور کاهنده، ولتاژ را از سیم پیچ اولیه به سیم پیچ ثانویه کاهش می دهد.
دیود یک قطعه دوسر است که جریان الکتریکی را در یک جهت عبور می دهد و جریان الکتریکی را در جهت دیگر مسدود می کند. مقاومت یک قطعه الکترونیکی است که جریان را تا حد معینی محدود می کند.
عملکرد رکتیفایر نیم موج مثبت و منفی:
هنگامی که ولتاژ AC بالا (50 هرتز) اعمال می شود، ترانسفورماتور کاهنده این ولتاژ بالا را به ولتاژ پایین کاهش می دهد. بنابراین، ولتاژ پایین در سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور تولید می شود. ولتاژ پایین تولیدشده در سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور را «ولتاژ ثانویه» (VS) می نامند.
ولتاژ AC یا سیگنال AC اعمال شده به ترانسفورماتور چیزی نیست جز سیگنال AC ورودی یا ولتاژ AC ورودی. ولتاژ متناوب AC تولیدشده توسط ترانسفورماتور کاهنده مستقیماً روی دیود اعمال می شود.
وقتی ولتاژ متناوب به دیود (D) اعمال می شود، در طول نیم سیکل مثبت سیگنال، دیود بایاس مستقیم است و جریان الکتریکی را عبور می دهد، در حالی که در طول نیم سیکل منفی، دیود بایاس معکوس است و جریان الکتریکی را مسدود می کند.
به بیان ساده، دیود اجازه می دهد نیم سیکل مثبت سیگنال AC ورودی عبور کند و نیم سیکل منفی سیگنال AC ورودی را مسدود می کند.
نیم سیکل مثبت سیگنال AC ورودی یا ولتاژ AC اعمال شده به دیود، مشابه ولتاژ DC مستقیم است که به دیود پیوند PN اعمال می شود. به طور مشابه، نیم سیکل منفی سیگنال AC ورودی اعمال شده به دیود، مشابه بایاس معکوس ولتاژ DC به دیود پیوند PN است.
می دانیم که دیود جریان الکتریکی را وقتی بایاس مستقیم است هدایت می کند و وقتی بایاس معکوس است مسدود می کند. به طور مشابه، در یک مدار AC، دیود اجازه می دهد جریان الکتریکی در طول نیم سیکل مثبت (بایاس مستقیم) و جریان الکتریکی را در نیم سیکل منفی مسدود کند (بایاس معکوس).
یکسو کننده نیم موج مثبت نیم سیکل های منفی را کاملاً مسدود نمی کند. این امر بخش کوچکی از نیم سیکل منفی یا جریان منفی کوچکی را عبور می دهد.
این جریان توسط حامل های اقلیت در دیود تولید می شود. جریان ناشی از حامل های اقلیت بسیار ناچیز است. بنابراین، از آن چشم پوشی می شود. از نظر بصری نمی توانیم قسمت کوچکی از نیم سیکل های منفی را در خروجی ببینیم. در یک دیود ایده آل، نیم سیکل های منفی یا جریان منفی صفر است.
مقاومت قرار گرفته در خروجی، جریان DC تولیدشده توسط دیود را مصرف می کند. از این رو، مقاومت به عنوان بار الکتریکی نیز شناخته می شود. ولتاژ DC یا جریان DC خروجی در مقاومت بار RL اندازه گیری می شود. بار چیزی جز یک قطعه الکتریکی نیست که جریان الکتریکی مصرف می کند.
در یکسوساز نیم موج شکل بالا، مقاومت جریان DC تولیدشده توسط دیود را مصرف می کند. بنابراین، مقاومت در این یکسوساز نیم موج به عنوان بار شناخته می شود.
گاهی اوقات، بار به توان مصرفی مدار نیز اشاره دارد. مقاومت های بار در رکتیفایرهای نیم موج برای محدود کردن یا مسدود کردن جریان اضافه غیرمعمول DC که توسط دیود تولید می شود، به کار می روند.
بنابراین، یکسوکننده نیم موج نیم سیکل مثبت را عبور می دهد و نیم سیکل منفی را مسدود می کند. یکسوکننده نیم موج که نیم چرخه های مثبت را عبور می دهد و نیم سیکل های منفی را مسدود می کند، یکسو کننده نیم موج مثبت نامیده می شود.
جریان خروجی DC یا سیگنال DC تولیدشده توسط یکسوساز نیم موج مثبت مجموعه ای از نیم چرخه های مثبت یا پالس های سینوسی مثبت است.
ساختار و کار یکسوساز نیم موج منفی تقریباً مشابه یکسوساز نیم موج مثبت است. تنها چیزی که در اینجا تغییر می کند، جهت دیود است. هنگامی که ولتاژ AC اعمال می شود، ترانسفورماتور کاهنده ولتاژ زیاد را به ولتاژ کم کاهش می دهد.
این ولتاژ کم به دیود اعمال می شود. برخلاف یکسوکننده نیم موج مثبت، یکسوکننده نیم موج منفی جریان الکتریکی را در نیم سیکل منفی سیگنال AC ورودی امکان پذیر می کند و جریان الکتریکی را در نیم سیکل مثبت سیگنال AC ورودی مسدود می کند.
در طول نیم سیکل منفی، دیود بایاس مستقیم است و در طول نیم سیکل مثبت دیود بایاس معکوس است، بنابراین رکتیفایر نیم موج منفی جریان الکتریکی را فقط در نیم سیکل منفی عبور می دهد.
در نتیجه، رکتیفایر نیم موج منفی نیم سیکل های منفی را عبور می دهد و نیم سیکل های مثبت را مسدود می کند.
یکسوکننده نیم موج منفی نیم سیکل های مثبت را به طور کامل مسدود نمی کند و بخش کوچکی از نیم سیکل مثبت یا جریان مثبت کوچک را عبور می دهد. این جریان توسط حامل های اقلیت در دیود تولید می شود.
جریان تولیدشده توسط حامل های اقلیت بسیار ناچیز است، بنابراین از آن چشم پوشی می شود. نمی توان این نیم سیکل های مثبت را در خروجی مشاهده کرد. در یک دیود ایده آل، نیم سیکل مثبت یا جریان مثبت صفر است.
جریان DC یا ولتاژ DC تولیدشده توسط یکسوساز نیم موج منفی در مقاومت بار RL اندازه گیری می شود. سیگنال خروجی جریان DC یا سیگنال DC تولیدشده توسط یکسوساز نیم موج منفی مجموعه ای از نیم سیکل های منفی یا پالس های سینوسی منفی است. بنابراین، یکسوساز نیم موج منفی مجموعه ای از پالس های سینوسی منفی را تولید می کند.
در یک دیود کامل یا ایده آل، نیم سیکل مثبت یا نیم سیکل منفی در خروجی دقیقاً همان نیم سیکل مثبت ورودی یا نیم سیکل منفی است.
با این حال، در عمل، نیم سیکل مثبت یا نیم سیکل منفی در خروجی با نیم سیکل ورودی مثبت یا نیم سیکل منفی کمی متفاوت است. اما این تفاوت قابل اغماض است و به همین دلیل نمی توانیم آن را با چشم ببینیم.
در نتیجه، یکسوکننده نیم موج دنباله ای از پالس های سینوسی مثبت یا پالس های سینوسی منفی تولید می کند.
این دنباله از پالس های مثبت یا پالس های منفی یک جریان مستقیم خالص نیستند و یک جریان مستقیم پالسی اند. در واقع، اندازه جریان مستقیم پالسی در زمان های کوتاهی تغییر می کند. اما هدف ما تولید یک جریان مستقیم است که مقدار آن تغییرات قابل توجهی نداشته باشد. بنابراین، جریان مستقیم پالسی چندان مفید نیست.
رکتیفایر نیم موج با فیلتر خازنی:
ولتاژ خروجی تولیدشده توسط یکسوساز نیم موج ثابت نیست و با زمان تغییر می کند. این در حالی است که در کاربردهای عملی، به ولتاژ ثابت DC نیاز است. فیلتر جریان مستقیم پالسی را به جریان مستقیم خالص تبدیل می کند. در رکتیفایرهای نیم موج، یک خازن یا سلف به عنوان فیلتر برای تبدیل DC پالسی به DC خالص استفاده می شود.
برای تولید ولتاژ ثابت DC، باید ریپل های ولتاژ DC را کاهش دهیم. این امر می تواند با استفاده از فیلتر خازنی یا فیلتر سلفی در سمت خروجی حاصل شود. در مدار زیر، از فیلتر خازنی استفاده شده است. خازن قرار گرفته در سمت خروجی، DC پالسی را صاف کرده و آن را به DC خالص تبدیل می کند.
مشخصات رکتیفایر نیم موج:
در این بخش، برخی از مشخصات یکسوساز نیم موج را معرفی می کنیم.
ضریب ریپل:
جریان مستقیم (DC) تولیدشده توسط یکسوساز نیم موج یک DC خالص نیست بلکه یک DC پالسی است. در واقع، در سیگنال پالسی خروجی، «ریپل» (Ripple) وجود دراد.
این ریپل در سیگنال DC خروجی را می توان با استفاده از فیلترهایی مانند خازن ها و سلف ها کاهش داد. برای اندازه گیری میزان ریپل در سیگنال DC خروجی، از ضریبی استفاده می کنیم که به عنوان «ضریب ریپل» (Ripple Factor) شناخته می شود و آن را با γ نشان می دهیم.
ضریب ریپل مقدار ریپل موجود در سیگنال DC خروجی را به ما می گوید. ضریب ریپل بزرگ نشان دهنده سیگنال DC با پالس زیاد است، در حالی که ضریب ریپل کم سیگنال DC با پالس کم را نشان می دهد.
اگر ضریب ریپل بسیار کم باشد، نشان دهنده این است که جریان DC خروجی به جریان خالص DC نزدیک تر است. به عبارت ساده تر، هرچه ضریب ریپل کمتر باشد، سیگنال DC خروجی صاف تر باشد. ضریب ریپل را می توان از نظر ریاضی به عنوان نسبت مقدار مؤثر (RMS) مؤلفه AC ولتاژ خروجی به مؤلفه های DC ولتاژ خروجی تعریف کرد.
مؤلفه DC ولتاژ خروجی / مقدار RMS مؤلفه AC ولتاژ خروجی = ضریب ریپل
که در آن، RMS همان ریشه (جذر) میانگین مربعات است.
همچنین، می توان ضریب ریپل را به سادگی به عنوان نسبت ولتاژ ریپل به ولتاژ DC تعریف کرد:
ولتاژ DC / ولتاژ ریپل = ظریب ریپل
برای داشتن یک یکسوساز خوب، باید ضریب ریپ تا حد ممکن کم باشد.
ضریب ریپل به صورت زیر تعریف می شود:
در نهایت، برای این رکتیفایر داریم:
γ=1.21
ریپل ناخواسته در خروجی با ولتاژ DC برابر 1٫21 برابر مقدار DC است. این نشان می دهد یکسوساز نیم موج مبدل AC به DC کارآمدی نیست. با استفاده از فیلترها می توان ریپل های زیاد در یکسو کننده نیم موج را کاهش داد.
جریان DC:
جریان DC با رابطه زیر بیان می شود:
که در آن، Imax ماکزیمم جریان بار DC است.
ولتاژ DC خروجی:
ولتاژ DC خروجی (VDC) ولتاژ ظاهرشده روی مقاومت بار (RL) است. این ولتاژ از حاصل ضرب جریان DCخروجی در مقاومت بارRLبه دست می آید. این گفته را می توان به شکل ریاضی زیر نوشت:
VDC=IDCRL
ولتاژ DC خروجی به صورت زیر داده می شود:
حداکثر ولتاژ معکوس (PIV):
حداکثر ولتاژ معکوس حداکثر ولتاژ بایاس معکوس است که یک دیود می تواند تحمل کند. اگر ولتاژ اعمال شده از پیک ولتاژ معکوس بیشتر باشد، دیود می سوزد. در طول نیم سیکل مثبت، دیود بایاس مستقیم است و اجازه عبور جریان الکتریکی را می دهد.
این جریان در بار مقاومت (RL) افت می کند. با این حال، در طول نیم سیکل منفی، دیود بایاس معکوس است و اجازه عبور جریان الکتریکی را نمی دهد، بنابراین جریان AC یا ولتاژ AC ورودی در دیود کاهش می یابد.
حداکثر افت ولتاژ در دیود چیزی نیست جز ولتاژ ورودی. بنابراین، ماکزیمم ولتاژ معکوس (PIV) دیود = VSmax
بازده رکتیفایر:
بازده یکسو کننده به عنوان نسبت توان DC خروجی به توان AC ورودی تعریف می شود. بازده یکسوساز نیم موج 40٫6٪ است
مقدار RMS جریان بار:
مقدار RMS جریان بار در یکسوساز نیم موج برابر است با
مقدار RMS ولتاژ
مقدار RMS ولتاژ از حاصل ضرب جریان در مقاومت بار به دست می آید:
فرم فاکتور:
فرم فاکتور به عنوان نسبت مقدار RMS به مقدار DC تعریف می شود. از نظر ریاضی می توان این گونه نوشت:
مقدار DC / مقدار FF = RMS
در رکتیفایر نیم موج FF = 1٫57 است.
مزایا و معایب رکتیفایر نیم موج:
همان طور که مشاهده کردید، برای ساخت یکسوساز نیم موج از قطعات بسیار کمی استفاده کردیم. بنابراین، هزینه این مدار بسیار کم و ساخت آن آسان است.
البته تلفات توان آن زیاد است. یکسو کننده نیم موج یا نیم سیکل مثبت را عبور می دهد و یا نیم سیکل منفی را بنابراین نیم سیکل باقیمانده تلف می شود. تقریباً نیمی از ولتاژ اعمال شده در یکسوساز نیم موج تلف می شود.
از معایب دیگر آن این است جریان مستقیم پالسی است. جریان مستقیم تولیدشده توسط یکسوساز نیم موج یک جریان مستقیم خالص نیست و این یک جریان مستقیم پالسی چندان مفید نیست. همچنین، یکسوساز نیم موج ولتاژ خروجی کمی تولید می کند.
|
|
|
|
| نماد اعتماد الکترونیک | نشان ملی ثبت | گواهی شامد ارشاد |
© کلیه حقوق مادی و معنوی این وب سایت متعلق به داده پردازان هومان پویان می باشد.
