دیود قدرت و یکسوساز ها

دیود قدرت اتصالات pn نیمه هادی هستند که می‌توانند جریانهای زیادی را در‌مقادیر ولتاژ بالا برای استفاده در‌مدارهای یکسوساز عبور‌دهند.

در آموزش‌ های قبلی دیدیم که یک دیود سیگنال نیمه هادی فقط جریان را در یک جهت از آند خود به کاتد خود هدایت می کند (جهت رو به جلو).

اما نه در جهت معکوس که کمی شبیه یک شیر یک طرفه الکتریکی است.

کاربرد گسترده‌ای که از این ویژگی و به‌طور کلی دیودها استفاده می‌شود‌، در تبدیل ولتاژ متناوب‌(AC) به ولتاژ پیوسته‌(DC) است.

اما دیودهای سیگنال کوچک همچنین می‌توانند به‌عنوان یکسو کننده ها در یکسوسازها یا برنامه‌های‌کم‌مصرف‌، جریان کم‌(کمتر از 1 آمپر)‌استفاده شوند.

اما در مواردی که جریان های بایاس جلوتر بزرگ یا ولتاژهای مسدود کننده بایاس معکوس بالاتر درگیر شوند

اتصال PN یک دیود سیگنال کوچک است در نهایت بیش از حد گرم می شود و ذوب می شود و به جای آن دیودهای قدرتمندتری استفاده می شود.

دیود نیمه هادی قدرت‌، که به‌عنوان دیود قدرت شناخته می‌شود‌،‌دارای یک‌منطقه اتصال PN بسیار‌بزرگتر در‌مقایسه با همتای دیود سیگنال کوچکتر‌است.

در‌نتیجه توانایی جریان بالا به‌جلو تا چند صد آمپر (KA) و ولتاژ مسدود کردن معکوس دارد به چندین هزار ولت‌(KV).

از آنجا که دیود قدرت دارای اتصال PN بزرگ است‌، برای برنامه‌های با فرکانس بالا بالاتر از‌1 مگاهرتز مناسب نیست.

اما دیودهای با فرکانس بالا ویژه و گران قیمت در دسترس هستند.

برای کاربردهای یکسوساز با‌فرکانس بالا‌،‌دیودهای‌Schottky‌معمولاً به‌دلیل کوتاه‌بودن زمان بازیابی‌معکوس و افت ولتاژ پایین در‌وضعیت بایاس رو به‌جلو مورد‌استفاده قرار می‌گیرند.

دیودهای برق تصحیح کنترل نشده ای از برق را فراهم می کنند و در برنامه هایی مانند شارژ باتری و منبع تغذیه DC

و همچنین یکسو کننده های برق متناوب و اینورترها استفاده می شوند.

 به دلیل ویژگی‌های جریان و ولتاژ بالا‌، می‌توان از آنها به عنوان دیودهای چرخدار و شبکه های شنی استفاده کرد.

دیودهای قدرت به‌گونه‌ای طراحی‌شده‌اند که مقاومت کسری یک‌اُهم به جلو‌”ON”‌را داشته باشند

در‌حالیکه مقاومت انسداد معکوس آنها در‌محدوده مگا‌اُهم است.

برخی از دیودهای قدرتی بزرگتر به گونه ای طراحی شده اند که روی گلدانهای گرمایش نصب می شوند

و مقاومت حرارتی آنها را بین 0.1 تا 1oC / وات کاهش می دهد.

اگر ولتاژ متناوب از طریق یک دیود قدرت اعمال شود ، در طول نیمه سیکل مثبت دیود جریان عبوری را انجام می دهد و در طول نیمه سیکل منفی دیود مانع جریان جریان نمی شود.

سپس‌هدایت از‌طریق دیود قدرت فقط در نیمه‌چرخه مثبت اتفاق می‌افتد و بنابراین یک جهته است یعنی DC همانطور که نشان‌داده‌شده‌است.

یکسو کننده دیود قدرت

دیودهای قدرت را می‌توان بصورت‌جداگانه به‌صورت‌بالا و یا بهم متصل‌کرد تا انواع‌مدارهای یکسوساز مانند‌”Half-Wave” ، “Full-Wave” یا “Rectifiers Bridge”‌را تولید‌کند.

هر نوع مدار یکسوساز را می توان بصورت کنترل نشده ، نیمه کنترل شده یا کاملاً کنترل شده طبقه بندی کرد

که در یک یکسوساز کنترل نشده فقط از دیودهای برق استفاده می شود.

یکسو کننده کاملاً کنترل شده از تریستور‌(SCR)‌و یکسو کننده نیمه کنترل شده مخلوطی از هر دو دیود و تریستور است.

دیود قدرت فردی که معمولاً برای کاربردهای الکترونیکی پایه استفاده می شود ، دیود یکسو کننده نوع شیشه Passivated سری 1N400x با درجه بندی استاندارد جریان مداوم اصلاح شده به جلو در حدود 1.0 آمپر و ولتاژ مسدود کردن معکوس از 50v برای 1N4001 تا 1000v برای 1N4007 است ، با 1N4007GP کوچک محبوب ترین برای تصحیح ولتاژ شبکه اصلی است.

یکسو کننده نیمه موج

یکسو کننده مدار است که توان ورودی جریان متناوب (AC) را به یک قدرت خروجی جریان مستقیم (DC) تبدیل می‌کند.

منبع تغذیه ورودی ممکن است تک فاز یا چند فاز باشد که ساده‌ترین مدارهای یکسوساز یکسو کننده نیمه موج است.

دیود برق در مدار یکسوساز نیم موج فقط نیمی از هر موج سینوسی کامل منبع تغذیه را عبور می دهد تا بتواند آن را به منبع DC تبدیل کند.

سپس به این‌نوع مدار یکسو کننده‌”نیمه موج” گفته می‌شود زیرا فقط نیمی‌از منبع تغذیه ورودی را مانند شکل زیر عبور‌می‌دهد.

مدار یکسو کننده نیمه موج

در‌طول هر نیم سیکل‌”مثبت”‌موج سینوسی AC‌، دیود بایاس رو به جلو است زیرا آند نسبت به کاتد مثبت است و در نتیجه جریان از طریق دیود جریان دارد.

از آنجا که بار DC مقاومتی است‌(مقاومت ، R)‌، بنابراین جریان جاری در مقاومت بار متناسب با ولتاژ است‌(قانون Ohm´s).

بنابراین ولتاژ روی مقاومت بار همان ولتاژ تغذیه ، Vs است (منهای Vƒ).

یعنی ولتاژ “DC” در طول بار فقط برای نیمه اول چرخه سینوسی است بنابراین Vout = Vs.

در‌طول هر نیم‌چرخه “منفی” شکل موج ورودی سینوسی AC‌، دیود بایاس معکوس می‌شود زیرا آند نسبت به کاتد منفی است.

بنابراین ، هیچ جریان از طریق دیود یا مدار عبور نمی کند.

سپس در نیمه سیکل منفی منبع تغذیه‌،‌در مقاومت بار هیچ جریانی جریان نمی‌یابد زیرا هیچ ولتاژی از روی آن ظاهر‌نمی‌شود.

بنابراین ، Vout = 0.

جریان در سمت DC مدار فقط در یک جهت جریان می یابد و مدار را یک جهته می کند.

همانطور که مقاومت بار از دیود نصف مثبت شکل موج ، صفر ولت ، نیمه مثبت شکل موج ، صفر ولت و غیره را دریافت می کند ، مقدار این ولتاژ نامنظم از نظر ارزش برابر با ولتاژ DC معادل 0.318 * Vmax خواهد بود شکل موج سینوسی ورودی یا 0.45 * Vrms شکل موج سینوسی ورودی.

سپس ولتاژ DC معادل ، VDC در برابر مقاومت بار به شرح زیر محاسبه می شود.

جایی که V_MAX حداکثر یا حداکثر مقدار ولتاژ منبع سینوسی AC است و V_RMS مقدار‌RMS (Root Mean Squared)‌ولتاژ تغذیه است.

مثال شماره 1 دیود قدرت

افت ولتاژ VDC و IDC جریان را که از طریق یک مقاومت 100Ω متصل به یکسوساز نیمه موج تک فاز 240 Vrms محاسبه می کنید همانطور که در بالا نشان داده شده است.

همچنین متوسط توان DC مصرفی توسط بار را محاسبه کنید.

در طی فرآیند اصلاح ، ولتاژ و جریان DC خروجی حاصل در هر سیکل هر دو “روشن” و “خاموش” است.

از آنجا که ولتاژ در برابر مقاومت بار فقط در نیمه مثبت چرخه وجود دارد (50٪ شکل موج ورودی) ، این امر منجر به تأمین مقدار متوسط DC کم به بار می شود.

تغییر‌شکل موج‌خروجی اصلاح‌شده بین این وضعیت‌”روشن”‌و‌”خاموش”‌یک شکل موج تولید می‌کند که دارای مقدار زیادی‌”موج دار” است که یک ویژگی نامطلوب‌است.

ریپل DC حاصل فرکانس برابر با فرکانس منبع تغذیه AC است.

اغلب در‌هنگام اصلاح ولتاژ متناوب‌، مایل به تولید ولتاژ ثابت و مداوم‌DC هستیم که از‌هرگونه تغییر ولتاژ یا ولتاژ برخوردار‌نیست.

یکی از روش های انجام این کار اتصال یک خازن با مقدار زیاد از طریق پایانه های ولتاژ خروجی به موازات مقاومت بار است که در زیر نشان داده شده است.

این نوع خازن معمولاً به عنوان “مخزن” یا خازن صاف کننده شناخته می شود.

یکسو کننده نیمه موج با خازن صاف کننده

وقتی که  برای تامین یک منبع ولتاژ مستقیم  (DC)از یک منبع متناوب (AC)استفاده می‌شود، مقدار ولتاژ ریپل می توان با استفاده از خازن‌های مقدار بزرگ‌تر کاهش داد اما هم در هزینه و هم برای انواع خازن‌های هموار مورد استفاده محدودیت‌هایی وجود دارد.

برای یک‌مقدار خازن مشخص‌، جریان بار بیشتر‌(مقاومت بار کوچکتر)‌خازن را با‌سرعت بیشتری تخلیه می‌کند‌(RC Time Constant)‌و‌بنابراین موج بدست‌آمده را افزایش‌می‌دهد.

سپس برای مدار‌تک‌فاز‌،‌مدار یکسوساز نیم‌موج با استفاده از‌یک دیود قدرت‌،‌سعی در کاهش ولتاژ موج‌دار‌شدن توسط صاف‌کردن خازن به‌تنهایی بسیار عملی‌نیست.

در این حالت استفاده از “اصلاح تمام موج” به جای آن عملی تر خواهد بود.

در عمل ، یک رکتیفایر نیم موج اغلب در کاربردهای کم مصرف به دلیل معایب عمده آنها مورد‌استفاده قرار می‌گیرد.

دامنه خروجی کمتر از دامنه ورودی است ، در نیمه سیکل منفی هیچ خروجی وجود ندارد بنابراین نیمی از توان تلف می شود و خروجی پالس می شود DC و منجر به موج دار شدن بیش از حد می شود.

برای‌غلبه بر این‌معایب‌، تعدادی دیود قدرت به‌هم‌متصل‌شده و یک یکسو کننده کامل امواج را تولید می‌کند‌،‌همانطور که در‌آموزش بعدی بحث‌شده‌است.