فرادرسرکتیفایر 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
یک مرحله مهم را فراموش کرده‌ایم. آداپتورها چگونه ولتاژ AC یا جریان AC زیاد را به ولتاژ DC كم یا جریان DC كم تبدیل می‌كنند؟ 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:
- 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.
- 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:
- رکتیفایر تکفاز: این یکسوساز ولتاژ AC تکفاز را به DC تبدیل می‌کند.
- 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:
- رکتیفایر نیم‌موج: این یکسوکننده فقط نیمی از موج AC را به سیگنال DC تبدیل می‌کند.
- 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
