مقاله

رکتیفایر چیست؟ | عملکرد و انواع — به زبان ساده و کاربردی

رکتیفایر مدار یا دستگاهی است که جریان متناوب را به جریان مستقیم تبدیل می‌کند. مدار «رکتیفایر» (Rectifier) یا یکسوساز یکی از پرکاربردترین مدارها در الکترونیک است، زیرا تقریباً همه دستگاه‌های الکترونیکی با جریان مستقیم (DC) کار می‌کنند، اما دسترسی مستقیم به این منابع DC محدود است و عمده انرژی وسایل برقی از پریزهای برق جریان متناوب (AC) تأمین می‌شود. حتی شارژرهای تلفن همراه ما از رکتیفایرها برای تبدیل برق AC پریزهای خانه به برق DC بهره می‌گیرند. انواع مختلفی از رکتیفایرها برای کاربردهای متفاوت وجود دارد. در این آموزش، به زبانی ساده عملکرد مدارهای رکتیفایر پایه و نحوه عملکرد آن‌ها را معرفی می‌کنیم.

همان‌طور که گفتیم، در بسیاری از مدارهای الکترونیکی به ولتاژ DC نیاز داریم. با استفاده از قطعه‌ای به نام دیود پیوند PN می‌توانیم ولتاژ یا جریان AC را به راحتی به ولتاژ یا جریان DC تبدیل کنیم. یکی از مهم‌ترین کاربردهای دیود پیوند PN یکسوسازی جریان متناوب (AC) به جریان مستقیم (DC) است. یک دیود پیوند PN جریان الکتریکی را فقط در شرایط بایاس مستقیم امکان‌پذیر می‌کند و جریان الکتریکی را در شرایط بایاس معکوس مسدود می‌کند. به عبارت ساده، دیود عبور جریان الکتریکی را در یک جهت امکان‌پذیر می‌کند. این خاصیت بی‌نظیر به دیود این قابلیت را می‌دهد که به عنوان یک رکتیفایر عمل کند.

رکتیفایر و دیود پیوند PN

رکتیفایر یا یکسوکننده یک دستگاه الکتریکی است که با استفاده از یک یا چند دیود پیوند PN جریان متناوب (AC) را به جریان مستقیم (DC) تبدیل می‌کند.

رکتیفایر چیست

هنگامی که ترمینال مثبت باتری به نیمه‌هادی نوع p و ترمینال منفی باتری به نیمه‌هادی نوع n متصل شود، اصطلاحاً می‌گوییم دیود بایاس مثبت شده است. هنگامی که این ولتاژ بایاس مستقیم به دیود اعمال می‌شود، تعداد زیادی الکترون آزاد (حامل‌های اکثریت) در نیمه‌هادی نوع n، یک نیروی دافعه از ترمینال منفی باتری تجربه می‌کنند، به همین ترتیب تعداد زیادی حفره (حامل های اکثریت) در نیمه‌هادی نوع p یک نیروی دافعه از ترمینال مثبت باتری تجربه می‌کنند.

بایاس مستقیم دیود

در نتیجه، الکترون‌های آزاد در نیمه‌هادی نوع n شروع به حرکت از سمت n به سمت p می‌کنند. به طور مشابه، حفره‌های نیمه‌هادی نوع p از سمت p به سمت n حرکت می‌کنند. می‌دانیم که جریان الکتریکی به معنای جریان حامل‌های بار (الکترون‌ها و حفره‌های آزاد) است. بنابراین، جریان الکترون‌ها از n به p و جریان حفره‌ها از p به n جریان الکتریکی را برقرار می‌کند. حامل‌های اکثریت جریان الکتریکی را در شرایط بایاس مستقیم تولید می‌کنند. بنابراین جریان الکتریکی تولیدشده در شرایط بایاس مستقیم به عنوان جریان اکثریت نیز شناخته می‌شود.

هنگامی که ولتاژ به دیود پیوند PN اعمال شود، به گونه‌ای که ترمینال مثبت باتری به نیمه‌هادی نوع n و ترمینال منفی باتری به نیمه‌هادی نوع p متصل شود، گفته می‌شود دیود بایاس معکوس شده است. وقتی این ولتاژ بایاس معکوس به دیود اتصال PN اعمال می‌شود، تعداد زیادی الکترون آزاد (حامل‌های اکثریت) در نیمه‌هادی نوع n جذب نیرویی از سمت ترمینال مثبت باتری می‌شوند، به همین ترتیب، تعداد زیادی حفره (حامل‌های اکثریت) در نیمه‌هادی نوع p جذب نیرویی از سمت ترمینال منفی باتری خواهند شد.

بایاس معکوس دیود

در نتیجه، الکترون‌های آزاد (حامل‌های اکثریت) در نیمه‌هادی نوع n از محل پیوند PN دور شده و به ترمینال مثبت باتری جذب می‌شوند. به همین ترتیب، حفره‌ها (حامل‌های اکثریت) در نیمه‌هادی نوع p از پیوند PN دور و جذب ترمینال منفی باتری می‌شوند. بنابراین‌، جریان الکتریکی در پیوند PN برقرار نمی‌شود. با این حال، در نیمه‌هادی نوع p نیروی دافعه‌ای از ترمینال منفی باتری بر حامل‌های اقلیت (الکترون‌های آزاد) وارد می‌شود. به طور مشابه، به حامل‌های اقلیت (حفره‌ها) در نیمه‌هادی نوع n، نیروی دافعه از سمت ترمینال مثبت باتری وارد می‌شود.

در نتیجه، الکترون‌های آزاد حامل‌ اقلیت در نیمه‌رسانای نوع p و حفره‌های حامل اقلیت در نیمه‌رسانای نوع n جریان را در سراسر محل پیوند برقرار می‌کنند. بنابراین، جریان الکتریکی در دیود بایاس معکوس به دلیل حامل‌های اقلیت تولید می‌شود. با این حال، جریان الکتریکی تولیدی توسط حامل‌های اقلیت بسیار کم است. بنابراین از جریان حامل اقلیت در شرایط بایاس معکوس چشم‌پوشی می‌شود.

در نتیجه، دیود برقراری جریان الکتریکی را در شرایط بایاس مستقیم امکان‌پذیر می‌کند و آن را در شرایط بایاس معکوس مسدود می‌کند. به عبارت ساده، یک دیود پیوند PN برقراری جریان الکتریکی را فقط در یک جهت امکان‌پذیر می‌کند. این ویژگی بی‌نظیر دیود به آن این قابلیت را می‌دهد که به عنوان یکسوساز عمل کند.

ولتاژ بایاس مستقیم و بایاس معکوس اعمال‌شده به دیود چیزی نیست جز ولتاژ DC. ولتاژ DC جریانی را تولید می‌کند که همیشه در یک جهت است (جهت رو به جلو یا جهت رو به عقب). اما ولتاژ AC جریانی را تولید می‌کند که چندین بار در ثانیه جهت خود را معکوس می‌کند (جلو به عقب و عقب به جلو). رفتار دیود را هنگامی که ولتاژ DC (بایاس مستقیم و بایاس معکوس) به آن اعمال می‌شود، مشاهده کردیم. اکنون حالتی را بررسی می‌کنیم که ولتاژ‌ AC به دیود پیوند PN اعمال می‌شود.

ولتاژ AC یا جریان AC اغلب با شکل موج سینوسی نشان داده می‌شود، در حالی که جریان DC با یک خط افقی مستقیم نشان داده می‌شود. در شکل موج سینوسی، نیم‌سیکل یا نیم‌چرخه بالایی نمایان‌گر نیم‌چرخه مثبت و نیم‌چرخه پایین نمایان‌گر نیم‌چرخه منفی است. نیم‌سیکل مثبت ولتاژ AC مشابه ولتاژ بایاس مستقیم DC و نیم‌سیکل منفی ولتاژ AC مشابه ولتاژ بایاس معکوس DC است.

نیم سیکل مثبت و منفی

جریان متناوب از صفر شروع می‌شود و به اوج جریان مستقیم یا اوج یا پیک جریان مثبت می‌رسد. پیک مثبت شکل موج سینوسی نشان‌دهنده حداکثر یا پیک جریان مستقیم است. پس از رسیدن به اوج، جریان مستقیم شروع به کاهش می‌کند و به صفر می‌رسد. پس از یک دوره کوتاه، جریان متناوب در جهت معکوس یا منفی شروع به افزایش می‌کند و به اوج جریان معکوس یا اوج جریان منفی می‌رسد. پیک منفی شکل موج سینوسی نشان‌دهنده جریان معکوس حداکثر یا اوج است. پس از رسیدن به اوج، اندازه جریان معکوس شروع به کاهش می‌کند و به صفر می‌رسد. به همین ترتیب، جریان متناوب به طور مداوم در یک دوره کوتاه جهت خود را تغییر می‌دهد.

هنگامی که ولتاژ AC یا جریان AC به دیود پیوند PN اعمال شود، در طول نیم‌سیکل مثبت دیود بایاس مستقیم است و جریان الکتریکی را عبور می‌دهد. با این حال، هنگامی که جهت جریان AC به نیم‌سیکل منفی معکوس شود، دیود بایاس معکوس است و اجازه عبور جریان الکتریکی را نمی‌دهد. به عبارت ساده، در طول نیم‌سیکل مثبت، دیود اجازه عبور جریان می‌دهد و در طول نیم‌سیکل منفی، جریان را مسدود می‌کند. بنابراین، جریان الکتریکی فقط در نیم‌سیکل مثبت از دیود عبور می‌کند.

مدار رکتیفایر پایه

جریان خروجی دیود چیزی نیست جز یک جریان DC. بنابراین، دیود با تبدیل جریان AC به جریان DC به عنوان رکتیفایر عمل می‌کند.

رکتیفایر پایه

با این حال، جریان DC تولید‌شده توسط یکسوساز پایه (یکسوساز نیم‌موج) یک جریان DC خالص نیست و می‌توان گفت یک جریان DC دارای پالس یا پالسی است.

خروجی پالسی

جریان مستقیم پالسی نوعی جریان DC است که مقدار آن در یک دوره کوتاه تغییر می‌کند. جریان DC پالسی از صفر شروع می‌شود و تا حداکثر جریان مستقیم (پیک) رشد می‌کند و به صفر کاهش می‌یابد. با این حال، جریان DC پالسی به طور دوره‌ای تغییر جهت نمی‌دهد (برخلاف جریان AC). در واقع، جهت جریان DC پالسی همیشه مانند جهت یک جریان DC خالص به یک سمت است. با این حال، مقدار جریان یا ولتاژ DC پالسی طی یک دوره مشخص کمی تغییر می‌کند. جریان الکتریکی تولیدی توسط باتری‌‌ها، منابع تغذیه و صفحات خورشیدی یک جریان DC خالص است.

با استفاده از ترکیبی از قطعاتی مانند خازن‌ها، سلف‌ها و مقاومت‌ها در مدار، می‌توانیم هموار‌سازی جریان یا ولتاژ DC پالسی به جریان یا ولتاژ DC خالص و هموار را انجام دهیم.

مثالی از کاربرد رکتیفایر

در خانه‌های ما تقریباً تمام وسایل الکترونیکی با جریان برق متناوب کار می‌کنند. با این حال، برخی از لوازم الکترونیکی مانند لپ‌تاپ‌ها این جریان AC را قبل از مصرف برق به جریان مستقیم تبدیل می‌کنند. آداپتور لپ‌تاپ متصل به منبع AC، ولتاژ AC زیاد یا جریان AC زیاد را به ولتاژ DC کم یا جریان DC کم تبدیل می‌کند. این جریان کم DC به باتری لپ‌تاپ داده می‌شود و این همان چیزی است که ما آن را شارژر لپ‌تاپ می‌نامیم. با این حال، لپ‌تاپ روشن نمی‌شود مگر اینکه با فشار دادن دکمه روشن، آن را به صورت دستی روشن کنید. وقتی دکمه روشن شدن لپ تاپ را فشار می‌دهید، باتری لپ‌تاپ شروع به تأمین جریان DC می‌کند.

مثالی از کاربرد رکتیفایر

یک مرحله مهم را فراموش کرده‌ایم. آداپتورها چگونه ولتاژ AC یا جریان AC زیاد را به ولتاژ DC کم یا جریان DC کم تبدیل می‌کنند؟ آداپتورهای برق متناوب از قطعات اساسی مورد نیاز برای تبدیل AC به DC تشکیل شده‌اند. این قطعات ترانسفورماتور، خازن و چندین دیود هستند. از بین این قطعات، قطعه اصلی و کلیدی یک دیود است که جریان متناوب را به جریان مستقیم تبدیل می‌کند. ترانسفورماتور موجود در آداپتور برق متناوب ولتاژ بالا را به ولتاژ متناوب پایین کاهش می‌دهد. یکسوکننده متشکل از دیودها این ولتاژ AC یا جریان AC کم را به ولتاژ DC یا جریان DC کم تبدیل می‌کند. با این حال، جریان تبدیل‌شده جریان DC خالص نیست و یک جریان DC پالسی است. خازن این جریان DC پالسی را به جریان DC خالص فیلتر می‌کند.

انواع رکتیفایرها

رکتیفایرها را عمدتاً می‌توان به دو نوع دسته‌بندی کرد:

  1. رکتیفایر کنترل‌نشده: در مدارهای رکتیفایر کنترل‌نشده، دیودهای نیمه‌هادی قطعات اصلی هستند و به گونه‌ای قرار می‌گیرند که مدار یک نیم‌موج یا موج کامل را یکسو کند.
  2. رکتیفایر کنترل‌شده: در این رکتیفایرها از قطعاتی مانند تریستور استفاده می‌شود که قابلیت کنترل دارند و با کنترل آن‌های می‌توان به شکل موج دلخواه دست یافت.

در آموزش‌های «یکسوساز نیم موج — به زبان ساده (+ دانلود فیلم آموزش رایگان)» و «یکسوساز تمام موج — به زبان ساده (+ دانلود فیلم آموزش رایگان)» مدراهای یکسوساز کنترل‌شده و کنترل‌نشده را معرفی کرده‌ایم.

از نظر تعداد فاز، می‌توان رکتیفایرها را در دو دسته عمده تکفاز و سه‌فاز قرار داد:

  1. رکتیفایر تکفاز: این یکسوساز ولتاژ‌ AC تکفاز را به DC تبدیل می‌کند.
  2. رکتیفایر سه‌فاز: این یکسوساز ولتاژ‌ AC سه‌فاز را به DC تبدیل می‌کند.

برای آشنایی بیشتر با یکسوساز سه‌فاز پیشنهاد می‌کنیم مطلب «یکسوساز سه فاز — به زبان ساده» را مطالعه کنید.

بر اساس نوع یکسوکنندگی، رکتیفایرها به دو دسته طبقه‌بندی زیر می‌شوند:

  1. رکتیفایر نیم‌موج: این یکسو‌کننده فقط نیمی از موج AC را به سیگنال DC تبدیل می‌کند.
  2. رکتیفایر تمام‌موج: یکسوکننده تمام‌موج سیگنال AC کامل را به DC تبدیل می‌کند.

در ادامه، به زبانی ساده با رکتیفایرهای نیم‌موج و تمام‌موج کنترل‌نشده تکفاز آشنا خواهیم شد.

رکتیفایر نیم موج

رکتیفایر نیم‌موج ساده‌ترین شکل رکتیفایر است.

ساختار و اجزای رکتیفایر نیم موج

برای ساخت یکسوساز نیم‌موج فقط از یک دیود استفاده می‌کنیم. این یکسوساز از یک منبع AC، ترانسفورماتور کاهنده، دیود و مقاومت بار تشکیل شده است. دیود بین ترانسفورماتور و مقاومت بار قرار می‌گیرد.

رکتیفایر نیم موج

منبع AC جریان متناوب را به مدار می‌رساند. جریان متناوب اغلب با شکل موج سینوسی نشان داده می‌شود. ترانسفورماتور تجهیزی است که ولتاژ AC را کاهش یا افزایش می‌دهد. ترانسفورماتور کاهنده ولتاژ AC را کاهش می‌دهد، در حالی که ترانسفورماتور افزاینده ولتاژ AC را زیاد می‌کند. در یکسوساز نیم‌موج، به طور کلی از یک ترانسفورماتور کاهنده استفاده می‌شود، زیرا ولتاژ مورد نیاز برای دیود بسیار کم است. اعمال ولتاژ بالای AC بدون استفاده از ترانسفروماتور برای دیود را از بین می‌برد. بنابراین، از یک ترانسفورماتور کاهنده در یکسوساز نیم‌موج استفاده می‌شود. با این حال، در برخی موارد، از یک ترانسفورماتور افزاینده نیز ممکن است استفاده شود. در ترانسفورماتور کاهنده، سیم‌پیچ اولیه تعداد دور بیشتری نسبت به سیم‌پیچ ثانویه دارد. بنابراین ترانسفورماتور کاهنده، ولتاژ را از سیم‌پیچ اولیه به سیم‌پیچ ثانویه کاهش می‌دهد.

دیود یک قطعه دوسر است که جریان الکتریکی را در یک جهت عبور می‌دهد و جریان الکتریکی را در جهت دیگر مسدود می‌کند. مقاومت یک قطعه الکترونیکی است که جریان را تا حد معینی محدود می‌کند.

عملکرد رکتیفایر نیم موج مثبت و منفی

هنگامی که ولتاژ AC بالا (۵۰ هرتز) اعمال می‌شود، ترانسفورماتور کاهنده این ولتاژ بالا را به ولتاژ پایین کاهش می‌دهد. بنابراین، ولتاژ پایین در سیم‌پیچ ثانویه ترانسفورماتور تولید می‌شود. ولتاژ پایین تولیدشده در سیم‌پیچ ثانویه ترانسفورماتور را «ولتاژ ثانویه» (VS) می‌نامند. ولتاژ AC یا سیگنال AC اعمال‌شده به ترانسفورماتور چیزی نیست جز سیگنال AC ورودی یا ولتاژ AC ورودی. ولتاژ متناوب AC تولیدشده توسط ترانسفورماتور کاهنده مستقیماً روی دیود اعمال می‌شود.

رکتیفایر نیم موج مثبت

وقتی ولتاژ متناوب به دیود (D) اعمال می‌شود، در طول نیم‌سیکل مثبت سیگنال، دیود بایاس مستقیم است و جریان الکتریکی را عبور می‌دهد، در حالی که در طول نیم‌سیکل منفی، دیود بایاس معکوس است و جریان الکتریکی را مسدود می‌کند. به بیان ساده، دیود اجازه می‌دهد نیم‌سیکل مثبت سیگنال AC ورودی عبور کند و نیم‌سیکل منفی سیگنال AC ورودی را مسدود می‌کند.

نیم‌سیکل مثبت سیگنال AC ورودی یا ولتاژ AC اعمال‌شده به دیود، مشابه ولتاژ DC مستقیم است که به دیود پیوند PN اعمال می‌شود. به طور مشابه، نیم‌سیکل منفی سیگنال AC ورودی اعمال‌شده به دیود، مشابه بایاس معکوس ولتاژ DC به دیود پیوند PN است.

می‌دانیم که دیود جریان الکتریکی را وقتی بایاس مستقیم است هدایت می‌کند و وقتی بایاس معکوس است مسدود می‌کند. به طور مشابه، در یک مدار AC، دیود اجازه می‌دهد جریان الکتریکی در طول نیم سیکل مثبت (بایاس مستقیم) و جریان الکتریکی را در نیم‌سیکل منفی مسدود کند (بایاس معکوس).

یکسو‌کننده نیم‌موج مثبت نیم‌سیکل های منفی را کاملاً مسدود نمی‌کند. این امر بخش کوچکی از نیم‌سیکل منفی یا جریان منفی کوچکی را عبور می‌دهد. این جریان توسط حامل‌های اقلیت در دیود تولید می‌شود. جریان ناشی از حامل‌های اقلیت بسیار ناچیز است. بنابراین، از آن چشم‌پوشی می‌شود. از نظر بصری نمی‌توانیم قسمت کوچکی از نیم‌سیکل‌های منفی را در خروجی ببینیم. در یک دیود ایده‌آل، نیم‌سیکل‌های منفی یا جریان منفی صفر است.

مقاومت قرار گرفته در خروجی، جریان DC تولیدشده توسط دیود را مصرف می‌کند. از این رو، مقاومت به عنوان بار الکتریکی نیز شناخته می‌شود. ولتاژ DC یا جریان DC خروجی در مقاومت بار RL اندازه‌گیری می‌شود. بار چیزی جز یک قطعه الکتریکی نیست که جریان الکتریکی مصرف می‌کند. در یکسوساز نیم‌موج شکل بالا، مقاومت جریان DC تولیدشده توسط دیود را مصرف می‌کند. بنابراین، مقاومت در این یکسوساز نیم‌موج به عنوان بار شناخته می‌شود. گاهی اوقات، بار به توان مصرفی مدار نیز اشاره دارد. مقاومت‌های بار در رکتیفایرهای نیم‌موج برای محدود کردن یا مسدود کردن جریان اضافه غیرمعمول DC که توسط دیود تولید می‌شود، به کار می‌روند.

بنابراین، یکسوکننده نیم‌موج نیم‌‌سیکل مثبت را عبور می‌دهد و نیم‌سیکل منفی را مسدود می‌کند. یکسوکننده نیم‌موج که نیم‌چرخه‌های مثبت را عبور می‌دهد و نیم‌سیکل‌های منفی را مسدود می‌کند، یکسو‌کننده نیم‌موج مثبت نامیده می‌شود. جریان خروجی DC یا سیگنال DC تولیدشده توسط یکسوساز نیم‌موج مثبت مجموعه‌ای از نیم‌چرخه‌های مثبت یا پالس‌های سینوسی مثبت است.

ساختار و کار یکسوساز نیم‌موج منفی تقریباً مشابه یکسوساز نیم‌موج مثبت است. تنها چیزی که در اینجا تغییر می‌کند، جهت دیود است. هنگامی که ولتاژ AC اعمال می‌شود، ترانسفورماتور کاهنده ولتاژ زیاد را به ولتاژ کم کاهش می‌دهد. این ولتاژ کم به دیود اعمال می‌شود. برخلاف یکسوکننده نیم‌موج مثبت، یکسوکننده نیم‌موج منفی جریان الکتریکی را در نیم‌سیکل منفی سیگنال AC ورودی امکان‌پذیر می‌کند و جریان الکتریکی را در نیم‌سیکل مثبت سیگنال AC ورودی مسدود می‌کند.

یکسوساز نیم‌موج منفی

در طول نیم‌سیکل منفی، دیود بایاس مستقیم است و در طول نیم‌سیکل مثبت دیود بایاس معکوس است، بنابراین رکتیفایر نیم‌موج منفی جریان الکتریکی را فقط در نیم‌سیکل منفی عبور می‌دهد. در نتیجه، رکتیفایر نیم‌موج منفی نیم‌سیکل‌های منفی را عبور می‌دهد و نیم‌سیکل‌های مثبت را مسدود می‌کند. یکسوکننده نیم‌موج منفی نیم‌سیکل‌های مثبت را به طور کامل مسدود نمی‌کند و بخش کوچکی از نیم‌سیکل مثبت یا جریان مثبت کوچک را عبور می‌دهد. این جریان توسط حامل‌های اقلیت در دیود تولید می‌شود.

جریان تولیدشده توسط حامل‌های اقلیت بسیار ناچیز است، بنابراین از آن چشم‌پوشی می‌شود. نمی‌توان این نیم‌‌سیکل‌های مثبت را در خروجی مشاهده کرد. در یک دیود ایده‌آل، نیم‌سیکل مثبت یا جریان مثبت صفر است.

جریان DC یا ولتاژ DC تولیدشده توسط یکسوساز نیم‌موج منفی در مقاومت بار RL اندازه‌گیری می شود. سیگنال خروجی جریان DC یا سیگنال DC تولیدشده توسط یکسوساز نیم‌موج منفی مجموعه‌ای از نیم‌سیکل‌های منفی یا پالس‌های سینوسی منفی است. بنابراین، یکسوساز نیم‌موج منفی مجموعه‌ای از پالس‌های سینوسی منفی را تولید می‌کند.

در یک دیود کامل یا ایده‌آل، نیم‌سیکل مثبت یا نیم‌سیکل منفی در خروجی دقیقاً همان نیم‌سیکل مثبت ورودی یا نیم‌سیکل منفی است. با این حال، در عمل، نیم‌‌سیکل مثبت یا نیم‌سیکل منفی در خروجی با نیم‌سیکل ورودی مثبت یا نیم‌سیکل منفی کمی متفاوت است. اما این تفاوت قابل اغماض است و به همین دلیل نمی‌توانیم آن را با چشم ببینیم.

در نتیجه، یکسوکننده نیم‌موج دنباله‌ای از پالس‌های سینوسی مثبت یا پالس‌های سینوسی منفی تولید می‌کند. این دنباله از پالس‌های مثبت یا پالس‌های منفی یک جریان مستقیم خالص نیستند و یک جریان مستقیم پالسی‌اند. در واقع، اندازه جریان مستقیم پالسی در زمان‌های کوتاهی تغییر می‌کند. 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 نیم‌موج ثابت نیست و با زمان تغییر می‌کند. این در حالی است که در کاربردهای عملی، به ولتاژ ثابت DC نیاز است. فیلتر جریان مستقیم پالسی را به جریان مستقیم خالص تبدیل می‌کند. در رکتیفایرهای نیم‌موج، یک خازن یا سلف به عنوان فیلتر برای تبدیل DC پالسی به DC خالص استفاده می‌شود. برای تولید ولتاژ ثابت DC، باید ریپل‌های ولتاژ DC را کاهش دهیم. این امر می‌تواند 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 می‌کند.

رکتیفایر نیم موج با فیلتر خازنی

مشخصات رکتیفایر نیم موج

در این بخش، برخی از مشخصات یکسوساز نیم موج را معرفی می‌کنیم.

ضریب ریپل

جریان مستقیم (DC) تولیدشده توسط یکسوساز نیم‌موج 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 می‌توان با استفاده از فیلترهایی مانند خازن‌ها و سلف‌ها کاهش داد. برای اندازه‌گیری میزان ریپل در سیگنال DC خروجی، از ضریبی استفاده می‌کنیم که به عنوان «ضریب ریپل» (Ripple Factor) شناخته می‌شود و آن را با $$gamma$$ نشان می‌دهیم. ضریب ریپل مقدار ریپل موجود در سیگنال DC خروجی را به ما می‌گوید. ضریب ریپل بزرگ نشان‌دهنده سیگنال DC با پالس زیاد است، در حالی که ضریب ریپل کم سیگنال DC با پالس کم را نشان می‌دهد.

اگر ضریب ریپل بسیار کم باشد، نشان‌دهنده این است که جریان DC خروجی به جریان خالص DC نزدیک‌تر است. به عبارت ساده‌تر، هرچه ضریب ریپل کمتر باشد، سیگنال DC خروجی صاف‌تر باشد. ضریب ریپل را می‌توان از نظر ریاضی به عنوان نسبت مقدار مؤثر (RMS) مؤلفه AC ولتاژ خروجی به مؤلفه‌های 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، می‌توان 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 می‌شود:

$$ large gamma = sqrt {left ( frac{V_{text {rms}}}{V_{text{DC}}}right )^ 2 -1} $$

در نهایت، برای این رکتیفایر داریم:

$$ large gamma = 1.21 $$

ریپل ناخواسته در خروجی با ولتاژ DC برابر ۱٫۲۱ برابر مقدار DC‌ است. این نشان می‌دهد یکسوساز نیم‌موج مبدل AC به DC کارآمدی نیست. با استفاده از فیلترها می‌توان ریپل‌های زیاد در یکسو‌کننده نیم‌موج را کاهش داد.

جریان DC

جریان DC با رابطه زیر بیان می‌شود:

$$ large I _ text {DC} = frac {I _ max}{pi} $$

که در آن، $$I _ max$$ ماکزیمم جریان بار DC‌ است.

ولتاژ DC‌ خروجی

ولتاژ DC خروجی ($$V_{text{DC}}$$) ولتاژ ظاهرشده روی مقاومت بار ($$R_L$$) است. این ولتاژ از حاصل‌ضرب جریان DC خروجی در مقاومت بار $$R_L$$ به دست می‌آید. این گفته را می‌توان به شکل ریاضی زیر نوشت:

$$ large V_text{DC} = I _ text {DC} R_ text{L} $$

ولتاژ DC خروجی به صورت زیر داده می‌شود:

$$ large V _ text {DC} = frac {V _ max}{pi} $$

که در آن، $$V _ max$$ ماکزیمم ولتاژ بار DC‌ است.

حداکثر ولتاژ معکوس (PIV)

حداکثر ولتاژ معکوس حداکثر ولتاژ بایاس معکوس است که یک دیود می‌تواند تحمل کند. اگر ولتاژ اعمال‌شده از پیک ولتاژ معکوس بیشتر باشد، دیود می‌سوزد. در طول نیم‌سیکل مثبت، دیود بایاس مستقیم است و اجازه عبور جریان الکتریکی را می‌دهد. این جریان در بار مقاومت (RL) افت می‌کند. با این حال، در طول نیم‌سیکل منفی، دیود بایاس معکوس است و اجازه عبور جریان الکتریکی را نمی‌دهد، بنابراین جریان AC یا ولتاژ AC ورودی در دیود کاهش می‌یابد. حداکثر افت ولتاژ در دیود چیزی نیست جز ولتاژ ورودی. بنابراین، ماکزیمم ولتاژ معکوس (PIV) دیود = VSmax

بازده رکتیفایر

بازده یکسو‌کننده به عنوان نسبت توان DC خروجی به توان AC ورودی تعریف می‌شود. بازده یکسوساز نیم‌موج 40٫6٪ است

مقدار RMS جریان بار 

مقدار RMS جریان بار در یکسوساز نیم موج برابر است با

$$ large I_{RMS} = frac {I_m}{2}$$

مقدار RMS ولتاژ

مقدار RMS ولتاژ از حاصل‌ضرب جریان در مقاومت بار به دست می‌آید:

$$ large V_text{RMS} = I _ text {RMS} R_ text{L}=frac {I_m} {2} R_ text{L} $$

فرم فاکتور

فرم فاکتور به عنوان نسبت مقدار RMS به مقدار DC تعریف می‌شود. از نظر ریاضی می‌توان این‌گونه نوشت:

مقدار DC / مقدار FF = RMS

در رکتیفایر نیم‌موج FF = ۱٫۵۷ است.

مزایا و معایب رکتیفایر نیم موج

همان‌طور که مشاهده کردید، برای ساخت یکسوساز نیم‌موج از قطعات بسیار کمی استفاده کردیم. بنابراین، هزینه این مدار بسیار کم و ساخت آن آسان است. البته تلفات توان آن زیاد است. یکسو‌کننده نیم‌موج یا نیم‌سیکل مثبت را عبور می‌دهد و یا نیم‌سیکل منفی را. بنابراین نیم‌سیکل باقیمانده تلف می‌شود. تقریباً نیمی از ولتاژ اعمال‌شده در یکسوساز نیم‌موج تلف می‌شود. از معایب دیگر آن این است جریان مستقیم پالسی است. جریان مستقیم تولیدشده توسط یکسوساز نیم‌موج یک جریان مستقیم خالص نیست و این یک جریان مستقیم پالسی چندان مفید نیست. همچنین، یکسوساز نیم‌موج ولتاژ خروجی کمی تولید می‌کند.

رکتیفایر تمام موج

دیدیم که در یکسوساز نیم‌موج فقط از یک دیود برای تبدیل AC به DC استفاده می‌شود. بنابراین ساخت یکسوساز نیم‌موج بسیار آسان است. با این حال، یک دیود در یکسوساز نیم‌موج فقط یک نیم‌سیکل مثبت یا یک نیم‌سیکل منفی سیگنال AC ورودی را از خود عبور می‌دهد و نیم‌‌سیکل باقیمانده سیگنال AC ورودی مسدود می‌شود. در نتیجه، مقدار زیادی از انرژی هدر می‌رود. علاوه بر این، یکسوسازهای نیم‌موج در کاربردهایی که به ولتاژ DC ثابت و هموار نیاز دارند، مناسب نیستند. بنابراین یکسوکننده‌های نیم‌موج مبدل‌های AC به DC کارآمدی نیستند.

با استفاده از نوع دیگری از رکتیفایرها که به عنوان رکتیفایر تمام موج شناخته می‌شوند، می‌توانیم به راحتی بر این نقص غلبه کنیم. یکسوکننده تمام‌موج مزایای مهمی نسبت به یکسو‌کننده نیم‌موج دارد. متوسط ​​ولتاژ خروجی DC تولیدشده توسط یکسوساز تمام‌موج از یکسوساز نیم‌موج بیشتر است. علاوه بر این، سیگنال خروجی DC یکسوساز تمام‌موج نسبت به یکسوساز نیم‌موج ریپل کمتری دارد. در نتیجه، ولتاژ DC خروجی صاف‌تری خواهیم داشت.

رکتیفایر تمام‌موج نوعی یکسوکننده است که هر دو نیم‌سیگنال AC را به سیگنال DC پالسی تبدیل می کند.

رکتیفایر تمام موج 

همان‌طور که در شکل بالا نشان داده شده است، یکسوساز تمام‌موج، هر دو نیمه مثبت و منفی سیگنال AC ورودی را به سیگنال DC پالسی خروجی تبدیل می‌کند.

یکسوساز تمام‌موج به دو نوع دسته‌بندی می‌شود: یکسوکننده تمام‌موج با سر وسط قابل تغییر و یکسوکننده تمام‌موج پل.

رکتیفایر تمام موج با سر وسط

قبل از پرداختن به کار یکسوکننده تمام‌موج با سر وسط قابل تغییر، ابتدا نگاهی به ترانسفورماتور با سر وسط قابل تغییر می‌اندازیم، زیرا ترانسفورماتور با سر وسط قابل تغییر نقش اساسی در یکسوساز تمام‌موج با سر وسط دارد. هنگامی که یک سیم انشعاب اضافه دقیقاً از وسط سیم‌پیچ ثانویه ترانسفورماتور گرفته شود، ترانسفورماتور را به عنوان یک ترانسفورماتور با سر وسط قابل تغییر می‌نامیم.

ترانسفورماتور با سر وسط

سیم به گونه‌ای تنظیم می‌شود که دقیقاً در نقطه میانی سیم‌پیچ ثانویه قرار گیرد. بنابراین سیم دقیقاً در صفر ولت سیگنال AC است. این سیم به عنوان سر وسط شناخته می‌شود. ترانسفورماتور با سر وسط تقریباً شبیه ترانسفورماتور معمولی است. مانند یک ترانسفورماتور معمولی، ترانسفورماتور با سر وسط نیز ولتاژ AC را افزایش یا کاهش می‌دهد. با این حال، یک ترانسفورماتور با سر وسط دارای ویژگی مهم دیگری است. این سیم‌پیچ ثانویه ترانسفورماتور است که جریان متناوب ورودی AC یا سیگنال (VP) را به دو قسمت تقسیم می‌کند.

ترانس با سر وسط

قسمت بالایی سیم‌پیچ ثانویه ولتاژ مثبت V1 و قسمت پایین سیم‌پیچ ثانویه ولتاژ منفی V2 را تولید می‌کند. وقتی این دو ولتاژ را در بار خروجی با هم ترکیب کنیم، سیگنال AC کاملی دریافت می‌کنیم. یعنی VTotal = V1 + V2. ولتاژهای V1 و V2 از نظر اندازه برابر ولی از جهت مخالف هستند. این ولتاژهای (V1 و V2) تولیدی توسط قسمت بالا و پایین سیم‌پیچ ثانویه با یکدیگر 180 درجه اختلاف فاز دارند. با این حال، با استفاده از یکسوساز تمام‌موج با ترانسفورماتور با سر وسط، می‌توان ولتاژهایی را که با یکدیگر هم‌فاز هستند، تولید کرد. به عبارت ساده‌تر، با استفاده از یکسوساز تمام موج با ترانسفورماتور با سر وسط، می‌توانیم جریانی تولید کنیم که فقط در یک جهت عبور کند.

رکتیفایر تمام‌موج با سر وسط نوعی یکسوکننده است که با استفاده از یک ترانسفورماتور با سر وسط قابل تغییر و دو دیود تمام سیگنال AC را به سیگنال DC تبدیل می‌کند. یکسوکننده تمام‌موج با سر وسط متشکل از یک منبع AC، یک ترانسفورماتور با سر وسط، دو دیود و یک مقاومت بار است.

رکتیفایر تمام‌موج با سر وسط

منبع AC به سیم‌پیچ اولیه ترانسفورماتور با سر وسط متصل می‌شود. یک لغزانه (تپ) مرکزی (سیم اضافه) که دقیقاً به وسط سیم‌پیچ ثانویه متصل شده است، ولتاژ ورودی را به دو قسمت تقسیم می‌کند. قسمت فوقانی سیم‌پیچ ثانویه به دیود D1 و قسمت پایین سیم‌پیچ ثانویه به دیود D2 وصل می‌شود. دیود D1 و دیود D2 با کمک ترانسفورماتور با سر وسط به یک بار مشترک RL متصل می‌شوند. سیم مرکزی به طور کلی به عنوان نقطه زمین یا نقطه مرجع ولتاژ صفر در نظر گرفته می‌شود.

نحوه کار رکتیفایر تمام موج با سر وسط

یکسوکننده تمام‌موج از یک ترانسفورماتور با سر وسط برای تبدیل ولتاژ AC ورودی به ولتاژ خروجی DC استفاده می‌کند. هنگامی که ولتاژ AC ورودی اعمال می‌شود، سیم‌پیچ ثانویه ترانسفورماتور این ولتاژ AC ورودی را به دو قسمت مثبت و منفی تقسیم می‌کند.

در طول نیم‌سیکل مثبت سیگنال AC ورودی، ترمینال A مثبت می‌شود، ترمینال B منفی می‌شود و سر وسط زمین می‌شود (صفر ولت). ترمینال مثبت A به سمت p دیود D1 و ترمینال منفی B به سمت n دیود D1 متصل می‌شوند. بنابراین، دیود D1 در نیم‌سیکل مثبت بایاس مستقیم است و عبور جریان الکتریکی را از طریق آن امکان‌پذیر می‌کند.

نحوه کار رکتیفایر تمام موج با سر وسط

از طرف دیگر، پایانه منفی B به سمت p دیود D2 و پایانه مثبت A به سمت n دیود D2 متصل می‌شود. بنابراین دیود D2 در طول نیم‌سیکل مثبت بایاس معکوس است و اجازه عبور جریان الکتریکی از آن را نمی‌دهد. دیود D1 جریان DC را به بار RL هدایت می‌کند. جریان DC تولیدشده در بار RL از طریق سر وسط به سیم‌پیچ ثانویه بازمی‌گردد.

در طول نیم‌سیکل مثبت، جریان فقط در قسمت بالایی مدار جریان می‌یابد در حالی که قسمت پایین‌ مدار هیچ جریانی را به بار نمی‌رساند، زیرا دیود D2 بایاس معکوس است. بنابراین، در طول نیم‌سیکل مثبت سیگنال AC ورودی، فقط دیود D1 جریان الکتریکی را عبور می‌دهد، در حالی که دیود D2 جریان الکتریکی را مسدود می‌کند.

در طول نیم‌سیکل سیگنال ورودی منفی، ترمینال A منفی می‌شود، ترمینال B مثبت می‌شود و سر وسط زمین می‌شود (صفر ولت). ترمینال منفی A به سمت p دیود D1 و ترمینال مثبت B به سمت n دیود D1 متصل می‌شوند. بنابراین دیود D1 در نیم‌سیکل منفی بایاس معکوس است و اجازه عبور جریان الکتریکی از آن را نمی‌دهد.

رکتیفایر تمام موج

از طرف دیگر، ترمینال مثبت B به سمت p دیود D2 و پایانه منفی A به سمت n دیود D2 متصل می‌شوند. بنابراین دیود D2 در نیم‌سیکل منفی بایاس مستقیم است و عبور جریان الکتریکی را امکان‌پذیر می‌کند. دیود D2 جریان DC را به RL بار می‌رساند. جریان DC تولیدشده در بار RL از طریق سر وسط به سیم‌پیچ ثانویه بازمی‌گردد.

در طول نیم‌سیکل منفی، جریان فقط در قسمت پایین مدار جریان می‌یابد، در حالی که قسمت بالای مدار هیچ جریانی را به بار نمی‌رساند، زیرا دیود D1 بایاس معکوس است. بنابراین، در طول نیم‌سیکل منفی سیگنال ورودی، فقط دیود D2 جریان الکتریکی را عبور می‌دهد، در حالی که دیود D1 جریان الکتریکی را هدایت نمی‌کند.

در نتیجه، دیود D1 جریان الکتریکی را در نیم‌سیکل مثبت و دیود D2 جریان الکتریکی را در نیم‌سیکل منفی سیگنال ورودی AC امکان‌پذیر می‌کند. بنابراین، هر دو نیم‌سیکل (مثبت و منفی) سیگنال ورودی AC منتقل می‌شود. بنابراین، ولتاژ DC خروجی تقریباً برابر با ولتاژ AC ورودی است.

رکتیفایر تمام موج 

اندکی ولتاژ در دیود D1 و دیود D2 تلف می‌شود تا این دیودها جریان را هدایت کنند. هرچند، این ولتاژ در مقایسه با ولتاژ خروجی بسیار کوچک است و از آن چشم‌پوشی می‌شود. دیودهای D1 و D2 معمولاً به بار RL متصل می‌شوند. بنابراین جریان بار مجموع جریان‌های دیودها است. می‌دانیم که یک دیود جریان الکتریکی را فقط در یک جهت عبور می‌دهد. از نمودار بالا می‌توان دریافت که هر دو دیود D1 و D2 جریان را در یک جهت عبور می‌دهند.

می‌دانیم که جریانی که فقط در یک جهت عبور می‌کند، جریان مستقیم نامیده می‌شود. بنابراین جریان حاصل در خروجی (بار) یک جریان مستقیم (DC) است. با وجود این، جریان مستقیم در خروجی یک جریان مستقیم خالص نیست بلکه یک جریان مستقیم پالسی است. مقدار جریان مستقیم پالسی با زمان تغییر می‌کند. این به دلیل ریپل در سیگنال خروجی است. با استفاده از فیلترهایی مانند خازن و سلف می‌توان این ریپل‌ها را کاهش داد.

ولتاژ متوسط DC خروجی روی مقاومت بار دو برابر یک مدار یکسوساز نیم‌موج است. شکل موج خروجی یکسوساز تمام‌موج در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل موج خروجی یکسوساز تمام‌موج

اولین شکل موج نشان‌دهنده سیگنال AC ورودی است. شکل موج دوم و شکل موج سوم نشان‌دهنده سیگنال‌های DC یا جریان DC تولیدشده توسط دیود D1 و دیود D2 است. آخرین شکل موج، کل جریان DC خروجی تولیدشده توسط دیودهای D1 و D2 را نشان می‌دهد. از شکل موج فوق می‌توان نتیجه گرفت که جریان خروجی تولید‌شده در مقاومت بار DC خالص نیست بلکه یک DC پالسی است.

رکتیفایر تمام موج پل

بازده یکسوساز پل تقریباً برابر است با یکسوکننده تمام‌موج با سر وسط است. تنها مزیت یکسوساز پل نسبت به یکسوکننده تمام‌موج با سر وسط هزینه کمتر آن است. در یکسو کننده پل، به جای استفاده از ترانسفورماتور، از چهار دیود استفاده می‌شود.

رکتیفایر تمتم موج پل نوعی یکسوکننده تمام‌موج است که از چهار دیود یا بیشتر در پیکربندی مدار پل برای تبدیل مؤثر جریان متناوب (AC) به جریان مستقیم (DC) استفاده می‌کند.

مدار یکسوساز پل در شکل زیر نشان داده شده است. یکسوکننده پل از چهار دیود به نام‌های D1 و D2 و D3 و D4 و مقاومت بار RL ساخته شده است. چهار دیود در یک پیکربندی حلقه‌بسته (پل) به هم متصل شده‌اند تا جریان متناوب (AC) را به جریان مستقیم (DC) تبدیل کنند. مزیت اصلی این پیکربندی مدار پل این است که دیگر به ترانسفورماتور گران با سر وسط نیازی نداریم، در نتیجه هزینه و اندازه آن کاهش می‌یابد.

رکتیفایر تمام موج پل

سیگنال AC ورودی در دو پایانه A و B اعمال می‌شود و سیگنال DC خروجی از طریق مقاومت بار RL که بین پایانه‌های C و D متصل است، به دست می‌آید.

چهار دیود D1 و D2 و D3 و D4 به صورت سری مرتب شده‌اند و فقط دو دیود اجازه عبور جریان الکتریکی را در هر نیم‌سیکل دارند. به عنوان مثال، دیودهای D1 و D3 به عنوان یک جفت در نظر گرفته می‌شوند که جریان الکتریکی را در نیم‌چرخه مثبت امکان‌پذیر می‌کند، در حالی که دیودهای D2 و D4 به عنوان جفت دیگری در نظر گرفته می‌شوند که جریان الکتریکی را در طول نیم‌سیکل منفی سیگنال AC ورودی امکان‌پذیر می‌کند.

نحوه کار رکتیفایر تمام موج پل

هنگامی که سیگنال AC به ورودی یکسوکننده پل اعمال می‌شود، در طول نیم‌سیکل مثبت، دیودهای D1 و D3 بایاس مستقیم هستند و جریان الکتریکی را عبور می‌دهند، در حالی که دیودهای D2 و D4 با یک جهت معکوس هستند و جریان الکتریکی را مسدود می‌کنند. از طرف دیگر، در طول نیم‌سیکل منفی دیودهای D2 و D4 بایاس مستقیم هستند و جریان الکتریکی را عبور می‌دهند در حالی که دیودهای D1 و D3 بایاس معکوس هستند و جریان الکتریکی را مسدود می‌کنند.

در طول نیم‌چرخه مثبت، ترمینال A مثبت می‌شود در حالی که ترمینال B منفی می شود. این امر باعث می شود که دیودهای D1 و D3 بایاس مستقیم شوند و همزمان، دیودهای D2 و D4 بایاس معکوس. جهت جریان در طول نیم‌سیکل مثبت در شکل زیر نشان داده شده است (یعنی A به D به C به B).

رکتیفایر تمام موج پل

در طول نیم‌سیکل منفی، ترمینال B مثبت می‌شود در حالی که ترمینال A منفی می‌شود. این امر باعث می‌شود دیودهای D2 و D4 بایاس مستقیم شوند و در عین حال موجب شود دیودهای D1 و D3 بایاس معکوس شوند. جهت جریان در طول نیم‌سیکل منفی در شکل زیر نشان داده شده است (یعنی B به D به C به A).

رکتیفایر تمام موج پل

از دو شکل بالا می‌توان مشاهده کرد که جهت جریان در مقاومت بار RL در نیم‌سیکل مثبت و نیم‌سیکل منفی یکسان است. بنابراین، قطبیت سیگنال DC خروجی برای هر دو نیمه مثبت و منفی یکسان است. قطبیت سیگنال DC خروجی ممکن است کاملاً مثبت یا منفی باشد. در مورد مدار ما کاملاً مثبت است. اگر جهت دیودها معکوس شود، ولتاژ DC منفی کامل به دست می‌آوریم. بنابراین، یک یکسوساز پل گذر جریان الکتریکی را در طول دو سیکل مثبت و منفی سیگنال AC ورودی امکان‌پذیر می‌کند. شکل موج خروجی رکتیفایر پل در شکل زیر نشان داده شده است.

رکتیفایر پل

مشخصات رکتیفایر پل

در این بخش برخی از ویژگی‌های رکتیفایر پل را بیان می‌کنیم.

حداکثر ولتاژ معکوس

حداکثر ولتاژی که یک دیود می‌تواند در شرایط بایاس معکوس تحمل کند، «حداکثر ولتاژ معکوس (Peak Invers Voltage)  یا PIV نامیده می‌شود. این ولتاژ حداکثر ولتاژی است که دیود غیررسانا می‌تواند تحمل کند.

در طول نیم‌سیکل مثبت، دیودهای D1 و D3 در حالت رسانایی قرار دارند در حالی که دیودهای D2 و D4 در حالت غیررسانا هستند. از طرف دیگر، در طول نیم‌سیکل منفی، دیودهای D2 و D4 در حالت رسانا هستند در حالی که دیودهای D1 و D3 در حالت غیررسانا هستند. حداکثر ولتاژ معکوس (PIV) برای یکسوساز پل توسط رابطه زیر داده می‌شود.

PIV=VSmax

ضریب ریپل

همان‌طور که گفتیم، نرمی (هموار بودن) سیگنال خروجی DC با استفاده از عاملی که به عنوان ضریب ریپل شناخته می‌شود اندازه‌گیری می‌شود. سیگنال DC خروجی با ریپل بسیار کمتر به عنوان سیگنال DC هموار در نظر گرفته می‌شود در حالی که سیگنال DC خروجی با ریپل زیاد سیگنال DC با پالس بزرگ است. ضریب ریپل از نظر ریاضی به عنوان نسبت ولتاژ ریپل‌دار به ولتاژ DC خالص تعریف می‌شود.

ضریب ریپل برای یکسوساز پل به صورت زیر بیان می‌شود:

$$ large gamma =sqrt {left ( frac {V_{rms}}{V_{DC}}right )^ 2 – 1 } $$

ضریب ریپل یکسوکننده پل 0٫48 است که برابر با همان مقدار برای یکسوساز تمام‌موج با سر وسط است.

بازده یکسوکننده

بازده رکتیفایر تعیین می کند که یکسوساز چگونه جریان متناوب (AC) را به جریان مستقیم (DC) تبدیل می‌کند. بازده بالا نشان‌دهنده قابل اطمینان‌ترین یکسوساز است در حالی که بازده کم نشان‌دهنده یکسوساز ضعیف است. بازده یکسوکننده به عنوان نسبت توان خروجی DC به توان ورودی AC تعریف می‌شود.

$$ large eta = frac {P_{DC}}{P_{AC}} $$

حداکثر کارایی یکسوساز یکسو کننده پل ۸۱٫۲ درصد است که همان بازده یکسوساز تمام‌موج با سر وسط است.

مزایا و معایب رکتیفایر پل

سیگنال خروجی DC یکسوساز پل نرم‌تر از یکسوکننده نیم‌موج است. به عبارت دیگر، یکسوکننده پل در مقایسه با یکسوساز نیم‌موج، ریپل کمتری دارد. با این حال، ضریب ریپل یکسوکننده پل همانند یکسوساز تمام‌موج با سر وسط است. بازده یکسوساز پل در مقایسه با یکسوساز نیم‌موج بسیار زیاد است. با این حال، کارایی یکسوسازه پل و یکسوکننده تمام‌موج با سر وسط یکسان است. در یکسوساز نیم‌موج فقط یک نیم‌سیکل سیگنال ورودی ورودی مجاز است و نیم‌سیکل باقیمانده سیگنال AC ورودی مسدود شده است. در نتیجه، تقریباً نیمی از توان ورودی اعمالی هدر می‌رود. با این حال، در یکسوکننده پل، جریان الکتریکی در طول هر دو نیمه مثبت و منفی سیگنال AC ورودی مجاز است. بنابراین توان DC خروجی تقریباً برابر با توان ورودی AC است.

در یکسوساز نیم‌موج، فقط از یک دیود استفاده می‌شود در حالی که در یک رکتیفایر تمام‌موج از دو دیود استفاده می‌شود. اما در یکسوکننده پل، از چهار دیود برای عملکرد مدار استفاده می‌کنیم. بنابراین مدار یکسوساز پل پیچیده‌تر از یکسوکننده نیم‌موج و یکسوساز تمام‌موج است. در مدارهای الکترونیکی، هرچه از دیودهای بیشتری استفاده کنیم افت ولتاژ بیشتری رخ می‌دهد. تلفات توان در یکسوکننده پل تقریباً برابر است با یکسو‌کننده تمام‌موج با سر وسط است. با این حال، در یکسوساز پل، افت ولتاژ در مقایسه با یکسوساز تمام‌موج با سر وسط اندکی زیاد است. این به دلیل استفاده از دو دیود اضافه است (در مجموع چهار دیود).

در یکسوکننده تمام‌موج با سر وسط، فقط یک دیود در طول هر نیم‌سیکل هدایت می‌کند. بنابراین افت ولتاژ در مدار 0٫7 ولت است. اما در یکسوکننده پل، دو دیود که به صورت سری متصل هستند، در هر نیم‌سیکل هدایت می‌کنند. بنابراین افت ولتاژ به دلیل دو دیود اتفاق می‌افتد که برابر با 1٫4 ولت است (0٫7 + 0٫7 = 1٫4 ولت). با وجود این، اتلاف توان ناشی از این افت ولتاژ بسیار ناچیز است.

رکتیفایر تمتم موج پل با فیلتر خازنی

مانند یکسوساز تمام‌موج با سر وسط، یکسوکننده پل نیز هر دو نیمه مثبت و منفی سیگنال AC ورودی را یکسو می‌کند. با این حال، ساخت یکسوساز پل با یکسوکننده تمام‌موج با سر وسط متفاوت است. در یکسوکننده پل، دیودها در پیکربندی مدار پل قرار می‌گیرند. همان‌طور که دیدیم، یکسوکننده پل از چهار دیود یعنی D1 و D2 و D3 و D4 تشکیل شده است. سیگنال ورودی در دو پایانه A و B اعمال می‌شود در حالی که خروجی DC روی مقاومت بار RL متصل شده بین پایانه‌های C و D حاصل می‌شود.

خروجی پالسی DC به دست آمده از مقاومت بار RL حاوی ریپل است. برای کاهش این ریپل، از یک فیلتر در خروجی استفاده می‌کنیم. فیلتر یکسو کننده پل، معمولاً فیلتر خازنی است. در نمودار مدار زیر، فیلتر خازنی به مقاومت بار RL متصل شده است.

رکتیفایر تمتم موج پل با فیلتر خازنی 

هنگامی که سیگنال AC ورودی اعمال می‌شود، در طول نیم‌سیکل مثبت هر دو دیود D1 و D3 بایاس مستقیم هستند. هم‌زمان، دیودهای D2 و D4 بایاس معکوس هستند. از طرف دیگر، در طول نیم‌سیکل منفی، دیودهای D2 و D4 بایاس مستقیم هستند. در همان زمان، دیودهای D1 و D3 بایاس معکوس هستند. بنابراین، یکسوکننده پل اجازه می‌دهد تا هر دو نیمه مثبت و منفی سیگنال AC ورودی عبور کنند.

خروجی DC تولیدشده توسط یکسوکننده پل یک DC خالص نیست بلکه یک DC پالس‌دار است. این DC پالسی شامل هر دو مؤلفه AC و DC است. مؤلفه‌های AC نسبت به زمان نوسان می‌کنند در حالی که مؤلفه‌های DC با نسبت به زمان ثابت می‌مانند. بنابراین اجزای AC موجود در DC پالسی سیگنالی ناخواسته است.

فیلتر خازنی

فیلتر خازنی موجود در خروجی، مؤلفه‌های ناخواسته AC را از بین می‌برد. بنابراین، یک DC خالص در مقاومت بار RL به دست می‌آید.

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

دکمه بازگشت به بالا