یکسو کننده کامل موج
دیودهای قدرت را می توان به یکدیگر متصل کرد و یک یکسو کننده کامل موج ایجاد کرد که ولتاژ AC را به ولتاژ DC ضربان دار برای استفاده در منابع تغذیه تبدیل می کند.
در آموزش قبلی دیود قدرت ما در مورد روش های کاهش تغییرات موج دار یا ولتاژ در ولتاژ مستقیم DC با اتصال خازن های هموار کننده در برابر مقاومت بار بحث کردیم.
اگرچه این روش برای برنامههای کممصرف مناسباست اما برای برنامههایی که به ولتاژ منبع تغذیه ثابت نیاز دارند نامناسب است.
یک روش برای بهبود این مورد استفاده از هر نیم سیکل ولتاژ ورودی به جای هر نیم چرخه دیگر است.
یکسو کننده کامل موج
مداری که به ما امکان انجام این کار را میدهد ، یکسو کننده کامل موج (Full Wave Rectifier) نامیده میشود.
مانند مدار نیم موج ، یک مدار یکسو کننده کامل موج ولتاژ یا جریان خروجی تولید می کند که کاملاً DC است یا دارای برخی از اجزای مشخص DC است.
یکسو کننده های کامل موج نسبت به نمونه های یکسو کننده نیمه موج خود دارای برخی مزایای اساسی هستند.
ولتاژ خروجی متوسط (DC) بالاتر از نیمه موج است ، خروجی یکسوساز کامل موج بسیار کمتری نسبت به
یکسو کننده نیمه موج دارد که شکل موج خروجی نرمتری تولید می کند.
اکنون در یک مدار یکسو کننده کامل موج از دو دیود استفاده می شود ، یکی برای هر نیمه چرخه.
از یکترانسفورماتور سیمپیچ چندگانه استفاده میشود که سیم پیچ ثانویه با یکاتصالمشترک متصل به مرکز،
بهطورمساوی به دونیمه تقسیم میشود(C).
این پیکربندی منجر به هدایت هر دیود می شود که ترمینال آند آن با توجه به نقطه مرکز ترانسفورماتور C مثبت باشد و در هر دو نیم سیکل خروجی ایجاد کند ، این دو برابر برای یکسوساز نیم موج است بنابراین 100٪ کارآیی دارد که در زیر نشان داده شده است.
مدار یکسو کننده کامل موج
مدار یکسو کننده کامل موج از دو دیود قدرت متصل به یک مقاومت بار منفرد (RL) تشکیل شده است.
که هر دیود آن را به نوبه خود برای تأمین جریان بار دریافت می کند.
هنگامی که نقطه A ترانسفورماتور نسبتبه نقطه C مثبت است، دیود D1 همانطور که فلشها نشان میدهد، درجهت جلو هدایتمیشود.
وقتی نقطه B با توجه به نقطه C مثبت باشد (در نیمه منفی چرخه) ، دیود D2 در جهت جلو هدایت می شود و جریان جریان یافته از مقاومت R برای هر دو نیمه سیکل در یک جهت است.
مدار دو فاز
از آنجا که ولتاژ خروجی در برابر مقاومت R حاصل جمع فازور دو شکل موج است ، این نوع مدار یکسو کننده کامل موج به عنوان مدار “دو فاز” نیز شناخته می شود.
اگر مدار را درمدار شبیهساز Partsim با خازن صاف کننده اجرا کنیم، کاملاً واضح است که این تأثیر را میبینیم.
شکل موج در شبیه ساز Partsim
همانطور که اکنون فضاهای بین هر نیم موج توسعه یافته توسط هر دیود توسط دیود دیگر پر می شود ، ولتاژ خروجی DC متوسط در برابر مقاومت بار اکنون دو برابر مدار یکسوساز نیمه موج منفرد است و در حدود 0.637Vmax از پیک است. ولتاژ ، با فرض عدم ضرر.
در اینجا: VMAX حداکثر مقدار پیک در نیمی از سیم پیچ ثانویه و VRMS مقدار rms است.
ولتاژ اوج شکل موج خروجی برای یکسوساز نیم موج همانند قبل است به شرط آنکه هر نیمی از سیم پیچ های ترانسفورماتور مقدار ولتاژ rms یکسان داشته باشد.
برای بدست آوردن خروجی ولتاژ DC متفاوت می توان از نسبت های مختلف ترانسفورماتور استفاده کرد.
عیب اصلی این نوع مدار یکسوساز موج کامل این است که برای دو خروجی جداگانه اما یکسان ثانویه ترانسفورماتور بزرگتر برای یک خروجی برق معین لازم است .
ایننوع مدار اصلاحکننده موج کامل را در مقایسه با مدار”یکسو کننده پل کامل موج کامل” پر هزینه میکند .
یکسو کننده کامل پل موج
نوعدیگری ازمدار که همانشکل موج خروجی مدار یکسو کننده کامل موج دربالا را تولید میکند، مدارFull Wave Bridge Rectifier است.
این نوع یکسوساز تک فاز از چهار دیود یکسو کننده مجزا متصل شده در یک پیکربندی حلقه بسته “پل” برای تولید خروجی مورد نظر استفاده می کند.
مزیتاصلی این مدار پل این است که بهترانسفورماتور بهرهبرداری مرکزی نیاز ندارد و درنتیجه اندازه و هزینه آن کاهش مییابد.
سیم پیچ ثانویه تک به یک طرف شبکه پل دیود و بار به طرف دیگر مطابق شکل زیر متصل میشود.
یکسو کننده پل دیود
چهار دیود با برچسبD1 تا D4 در”جفت های سری”تنظیم شدهاند و فقط دو دیود در طولهر نیم چرخه جریان دارند.
در طول نیمه چرخه مثبت تغذیه ، دیودهای D1 و D2 به صورت سری هدایت می شوند.
در حالی که دیودهای D3 و D4 مغایرت معکوس دارند و جریان مانند بارگیری درجریان از طریق بار عبور میکند.
نیم چرخه مثبت
در طول نیم سیکل منفی منبع تغذیه ، دیودهای D3 و D4 به صورت سری انجام می شوند.
اما دیودهای D1 و D2 “خاموش” می شوند زیرا اکنون با تعصب معکوس مواجه هستند.
جریان عبوری از بار همان جهت قبلی است.
نیم چرخه منفی
از آنجا که جریان عبوری از بار یک طرفه است ، بنابراین ولتاژ ایجاد شده روی بار نیز یک جهته است و همان دو رکتیفایر موج کامل دیود قبلی است ، بنابراین ولتاژ DC متوسط بار 0.637Vmax است.
اما در واقعیت ، در طول هر نیم سیکل جریان به جای فقط یک دیود جریان می یابد بنابراین دامنه ولتاژ خروجی دو افت ولتاژ (2 / 0.7 = 1.4V) از دامنه ورودی VMAX کمتر است.
فرکانس موج دار شدن دو برابر فرکانس تأمین است(به عنوان مثال 100Hz برای یک منبع 50Hz یا 120Hz برای 60Hz.)
اگرچه می توانیم از چهار دیود قدرت جداگانه برای ساخت یکسوساز کامل پل موج استفاده کنیم ،
اما اجزای یکسوساز پل از پیش ساخته شده در محدوده ای از اندازه های مختلف ولتاژ و جریان در دسترس هستند
که می توانند مستقیماً در برد مدار PCB لحیم شوند یا توسط کانکتورهای بیل متصل شوید.
تصویر سمت راست یکسو کننده پل تک فاز معمولی با یک گوشه را نشان می دهد.
این گوشه قطع نشان می دهد که ترمینال نزدیک به گوشه ترمینال یا سرب خروجی مثبت یا + ve است که سرب مقابل (مورب) سرب خروجی منفی یا -ve است.
دو لید اتصال دیگر مربوط به ولتاژ متناوب ورودی از سیم پیچ ثانویه ترانس است.
خازن صاف کننده
در بخش قبلی دیدیم که یکسو کننده نیمه موج تک فاز در هر نیم سیکل یک موج خروجی تولید می کند
و استفاده از این نوع مدارها برای تولید یک منبع تغذیه ثابت عملی نیست.
یکسو کننده کامل موج ، مقدار متوسط DC بیشتری (0.637 ولتیمتر) را با موج سوئیچ کمتر به ما می دهد.
در حالی که شکل موج خروجی دو برابر فرکانس فرکانس منبع ورودی است.
ما می توانیم میانگین خروجی DC یکسوساز را بهبود بخشیم و در عین حال با استفاده از خازن های صاف کننده فیلتر شکل موج خروجی را تغییر دهیم و از AC تغییر دهیم.
خازن های هموار یا مخزنی که به طور موازی با بار در سراسر خروجی مدار یکسوساز پل موج کامل متصل می شوند ،
میانگین عملکرد خروجی DC را حتی بیشتر می کند زیرا خازن مانند یک دستگاه ذخیره سازی مانند تصویر زیر عمل می کند.
یکسو کننده کامل موج با خازن روان کننده
خازن هموار کننده خروجی موج دار کامل یکسوساز را به ولتاژ خروجی DC روانتر تبدیل می کند.
اگر اکنون مدار شبیه ساز Partsim را با مقادیر مختلف خازن صاف کننده نصب شده اجرا کنیم ، می توانیم تأثیر آن را بر شکل موج خروجی اصلاح شده مشاهده کنیم ، همانطور که نشان داده شده است.
خازن روان سازی 5uF
نمودار آبی روی شکل موج نتیجه استفاده از یک خازن صاف کننده 5.0uF را در خروجی یکسوسازها نشان می دهد.
قبلاً ولتاژ بار شکل موج خروجی اصلاح شده تا صفر ولت را دنبال می کرد.
در اینجا خازن 5uF به حداکثر ولتاژ پالس خروجی DC شارژ می شود ، اما وقتی از اوج ولتاژ خود به پایین صفر ولت کاهش می یابد ، خازن به دلیل ثابت بودن زمان RC مدار نمی تواند به همین سرعت تخلیه شود.
این منجر به تخلیه خازن تا حدود 3.6 ولت می شود.
در این مثال، ولتاژ روی مقاومتبار را حفظ میکند تا اینکه خازن باردیگر در شیب مثبتبعدی پالس DCدوباره شارژ شود.
به عبارت دیگر، خازن فقط قبل از شارژ مجدد پالس DC بعدی تا مقدار حداکثر ، زمان تخلیه مختصری دارد.
بنابراین ، ولتاژ DC اعمال شده به مقاومت بار فقط مقدار کمی افت می کند.
اما می توانیم با افزایش مقدار خازن صاف کننده همانطور که نشان داده شده است، این وضعیت را بهبود ببخشیم.
خازن روان سازی 50uF
در اینجا ما مقدار خازن صاف کننده را 10 برابر از 5uF به 50uF افزایش داده ایم.
این باعث کاهش ولتاژ تخلیه حداقل ولتاژ تخلیه از 3.6 ولت قبلی به 7.9 ولت شده است.
با اینحال، با استفاده از مدار شبیهساز Partsim ما یک بار 1kΩ را برای بدستآوردن این مقادیر انتخاب کردهایم .
اما با کاهش امپدانس بار، جریان بار افزایش مییابد و باعث میشود خازن با سرعت بیشتری بین پالسهای شارژ تخلیهشود.
اثر تأمین بار سنگین با یک خازن صاف کننده یا مخزنی می تواند با استفاده از یک خازن بزرگتر که
انرژی بیشتری ذخیره می کند و بین پالس های شارژ کمتر تخلیه میشود، کاهش یابد.
بهطور کلی برای مدارهای منبع تغذیه DC خازن هموار کننده از نوع الکترولیتی آلومینیومی است که دارای
ظرفیت خازنی 100uF یا بیشتر با پالس های تکرار ولتاژ DC از یکسو کننده است که خازن را به حداکثر ولتاژ شارژ میکند.
با این وجود، دو پارامتر مهم برای انتخاب خازن صاف کننده مناسب باید در نظر گرفته شود و این ولتاژ کاری آن است
که باید از مقدار خروجی بدون بار یکسوساز و ظرفیت خازنی آن بیشتر باشد ، که مقدار موج دار ظاهر می شود بالای ولتاژ DC قرار گرفته است.
مقدار خازن خیلی کم است و خازن تأثیر کمی بر شکل موج خروجی دارد.
اما اگر خازن صاف کننده به اندازه کافی بزرگ باشد (میتوان از خازن های موازی استفاده کرد) و جریان بار خیلی زیاد نیست ،
ولتاژ خروجی تقریبا به اندازه DC خالص صاف خواهدبود.
به عنوان یک قاعده کلی، ما بدنبال ولتاژ موج دار کمتر از 100mV پیک تا اوج هستیم.
حداکثر ولتاژ موج دار موجود برای یک مدار اصلاح کننده امواج کامل نه تنها با مقدار خازن صافکننده بلکه با
فرکانس و جریان بار تعیین می شود و به صورت زیر محاسبه میشود:
ولتاژ موج دار یکسو کننده پل
در اینجا:
- I جریان بار DC در آمپر است
- F فرکانس موج دار یا دو برابر فرکانس ورودی در هرتز است
- و C ظرفیت خازنی در فاراد است.
مزایای اصلی یکسو کننده کامل موج این است که :
مقدار ریپل AC کمتری برای بار مشخص و مخزن یا خازن صاف کننده کوچکتر از یکسوساز نیمه موج معادل دارد.
بنابراین، فرکانس اساسی ولتاژ موجدار دوبرابر فرکانس تغذیهAC (100 هرتز)است که برای یکسوساز نیمموج دقیقاً برابر با فرکانس تغذیه(50 هرتز)است.
با افزودن یک فیلتر π (فیلتر فیلتر پی) بسیار بهبود یافته به ترمینال های خروجی یکسو سازنده پل،
مقدار ولتاژ موجی که روی ولتاژ منبع تغذیه DC قرار می گیرد را می توان از بین برد.
این نوع فیلتر کم گذر از دو خازن صاف کننده، معمولاً با همانمقدار و یک چوک یا القایی در سرتاسر آنها
تشکیل شدهاست تا یک مسیر با امپدانس بالا را به جز component موج دار متناوب ارائهدهد.
یکی دیگر از گزینه های عملی تر و ارزان تر، استفاده از IC تنظیم کننده ولتاژ 3 ترمینال خارج از قفسه است،
مانند LM78xx (جایی که “xx” به معنی رتبه ولتاژ خروجی است)برای ولتاژ خروجی مثبت
یا معادل معکوس آن LM79xx برای یک منفی ولتاژ خروجی که میتواند موج دار شدن
را بیش از 70dB (Datasheet) کاهش دهد در حالی که جریانخروجی ثابت بیش از 1 آمپر را تحویل میدهد.
چرا امروز دانش خود را در مورد مدارهای یکسو کننده کامل موج با استفاده ازابزار شبیهساز Partsim آزمایش نمیکنید.
مقادیر مختلف خازن روان سازی و مقاومت در برابر بار را در مدار خود امتحان کنید تا تأثیرات آن را بر روی شکل موج خروجی مشاهده کنید.
در آموزش بعدی در مورد دیودها ، ما به دیود زنر نگاه خواهیم کرد.
که ازویژگی ولتاژ شکست معکوس خود برای تولید ولتاژ خروجی ثابت و ثابت از خود بهره میبرد.