یکسوساز تمام موج — به زبان ساده (+ دانلود فیلم آموزش رایگان)

در آموزش‌های قبلی مجله فرادس گفتیم که یکسوسازی، عملی است که در آن، یک منبع ولتاژ‌ AC سینوسی با استفاده از دیودها، تریستورها، ترانزیستورها یا مبدل‌ها به یک منبع ولتاژ‌ DC یا جریان مستقیم تبدیل می‌شود. این فرایند یکسوسازی را می‌توان با یکسوسازهای مختلف نیم موج، تمام موج، کنترل نشده و کاملاً کنترل شده برای تبدیل منابع تکفاز و سه فاز به یک سطح DC ثابت انجام داد. در این آموزش، «یکسوساز تمام موج» (Full-Wave Rectifier) و انواع کنترل شده و کنترل نشده آن را معرفی می‌کنیم.

یکسوسازها، یکی از بلوک‌های اصلی تشکیل دهنده تبدیل توان AC با یکسوسازی نیم موج یا تمام موج هستند و عموماً از دیودها برای یکسوسازی استفاده می‌کنند. دیودها، جریان متناوب را در جهت مستقیم عبور می‌دهند و آن را در جهت معکوس سد می‌کنند. در نتیجه، می‌توانند یک ولتاژ‌ DC تولید کنند. برای کنترل یکسوسازها، از قطعاتی مانند تریستور نیز استفاده می‌شود.

یکسوساز تمام موج کنترل نشده

از آن‌جایی که یکسوساز تمام موج اساساً از دو یکسوساز نیم موج تشکیل شده است، از هر دو نیم تناوب مثبت و منفی شکل موج سینوسی ورودی برای تولید خروجی یک‌طرفه استفاده می‌کند.

فیلم آموزش الکترونیک صنعتی و مبدل ها در فرادرس

کلیک کنید

یکسوساز تمام موج تکفاز، از چهار دیود با پیکربندی پل تشکیل شده که نیم موج مثبت را عبور داده و نیم موج منفی را عکس می‌کند.

مدار پیکربندی پل دیودی شکل بالا، عمل یکسوسازی تمام موج را انجام می‌دهد، زیرا در هر زمان، دو دیود از چهار دیود بایاس مستقیم و دو تای دیگر بایاس معکوس هستند. بنابراین، به جای یک دیود در یکسوساز نیم موج، دو دیود مسیر هدایت الکتریکی را تشکیل می‌دهند. در نتیجه، به دلیل افت ولتاژ دو دیود سری، بین دامنه ولتاژ $$V_{IN} $$ و $$V_{OUT}$$ اختلاف وجود دارد. البته برای سادگی در محاسبات، دو دیود را ایده‌آل در نظر گرفته‌ایم.

اما یکسوساز تمام موج چگونه کار می‌کند؟ در نیم موج مثبت از $$ V_{IN}$$، دیودهای $$D_1$$ و $$D_۴$$ بایاس مستقیم و دیودهای $$D_2$$ و $$D_3$$ بایاس معکوس می‌شوند. در نتیجه، برای نیم موج مثبت ورودی، جریان از مسیر $$ D_1 - A - R_L - B - D_ 4 $$ می‌گذرد و به منبع باز می‌گردد.

در نیم تناوب منفی $$V_{IN}$$، دیودهای $$D_3$$ و $$D_۲$$ بایاس مستقیم و دیودهای $$D_4$$ و $$D_1$$ بایاس معکوس هستند. بنابراین، در نیم تناوب منفی شکل موج ورودی، جریان از مسیر $$ D_3 - A - R_L - B - D_2$$ عبور کرده و به منبع باز می‌گردد.

در هر دو حالت نیم تناوب‌های مثبت و منفی شکل موج ورودی، خروجی مثبت خواهد بود و در نتیجه جریان بار $$i$$ همواره در یک جهت برقرار است. بنابراین، نیم موج منفی منبع، به نیم موج مثبت در بار تبدیل می‌شود.

بنابراین، در هر دو دیودی که هدایت کنند، ولتاژ گره A همواره مثبت‌تر از گره B است. در نتیجه، ولتاژ و جریان بار در خروجی، یک‌جهته یا DC خواهد بود.

هرچند این شکل موج خروجی پالس‌زن، از صد درصد شکل موج ورودی استفاده می‌کند، ولتاژ (یا جریان) DC میانگین آن، مقدار مشابهی با ورودی نخواهد داشت. در آموزش یکسوساز نیم موج دیدیم که مقدار DC متوسط یا میانگین یک نیم‌موج از شکل موج سینوسی برابر با حاصل‌ضرب $$ 0.637 $$ در مقدار ماکزیمم دامنه است (در یک موج کامل برای یکسوساز نیم‌موج مقدار DC برابر با $$ 0.318 $$ مقدار ماکزیمم دامنه است). هرچند، برخلاف یکسوساز نیم موج، یکسوساز تمام موج دو نیم موج مثبت برای هر تناوب ورودی دارد که مقدار متفاوتی نسبت به یکسوساز نیم موج است.

با توجه به شکل بالا، در یکسوساز تمام موج، برای هر پیک مثبت یک مقدار میانگین $$ 0.637 \times A_{MAX}$$ وجود دارد و از آن‌جایی که دو پیک برای هر تناوب شکل موج ورودی داریم، باید مقدار میانگین مذکور را در $$2$$ ضرب کنیم. بنابراین، ولتاژ‌ خروجی DC یکسوساز تمام موج، دو برابر ولتاژ‌ خروجی DC یکسوساز نیم موج است. اگر حداکثر دامنه برابر با یک باشد، مقدار ولتاژ معادل DC یا میانگین روی بار $$R_L$$ برابر است با:

$$ \large A_ {AVE} = \frac{2 \times A _ {MAX}} {\pi} = \frac {2} {\pi} = 0.637 A_{MAX} $$

بنابراین، عبارت متناظر با مقدار میانگین ولتاژ یا جریان یکسوساز تمام موج به صورت زیر است:

$$ \large V_\mathrm {AVE} = 0.637 \times V_ \mathrm {MAX} $$

$$ \large I_\mathrm {AVE} = 0.637 \times I_ \mathrm {MAX} $$

مانند قبل، $$ A_ \mathrm {MAX} $$ مقدار ماکزیمم شکل موج ورودی است، اما می‌توان از مقدار RMS نیز برای یافتن مقدار خروجی DC معادل استفاده کرد. برای تعیین ولتاژ میانگین یکسوساز تمام موج، مقدار RMS را در $$0.9$$ ضرب می‌کنیم:

$$ \large V _ \mathrm{AVE} = 0.9 \times V _ \mathrm{RMS} $$

$$ \large I _ \mathrm{AVE} = 0.9 \times I _ \mathrm{RMS} $$

به عنوان جمع‌بندی می‌توان گفت، مدار یکسوساز تمام موج، هر دو نیم موج‌های مثبت و منفی شکل موج AC را به یک خروجی DC پالسی تبدیل می‌کند که مقدار آن برابر با $$ 0.637 \times A _ \mathrm {MAX} $$ یا $$ 0.9 \times A _ \mathrm {RMS} $$ است.

شکل زیر، این موضوع را نشان می‌دهد.

مثال

می‌خواهیم با استفاده از یک یکسوساز دیودی تمام موج، یک بار مقاومتی خالص $$ 1 \mathrm {k \Omega } $$ را در ولتاژ $$ 220 \mathrm {V \, \, DC} $$ تغذیه کنیم. مقدار RMS ولتاژ ورودی لازم، کل جریان کشیده شده بار از منبع، جریان بار عبوری از هر دیود و توان اتلافی بار را محاسبه کنید. فرض کنید مشخصه دیودها ایده‌آل است.

حل: (الف) ولتاژ‌ منبع ($$ V_ \mathrm {RMS} $$):

$$ \large V _ \mathrm { D C } = 0 .9 \times V _ \mathrm { R M S } \Rightarrow V _ \mathrm { R M S } = V _ \mathrm { D C } \div 0.9 = 2 2 0 / 0.9 = 2 4 4 . 4  \mathrm { V } $$

(ب) جریان بار ($$ I_L $$):

$$ \large I _ L = V _ \mathrm {DC} \div R_L = 220/ 1000 = 0.22 \mathrm { A } $$

(ج) جریان گذرنده از هر دیود ($$ I_ D $$):

$$ \large I_D = I_L \div 2 = 0.22 / 2 = 0.11 \mathrm {A} $$

(د) توان اتلافی بار ($$ P _ L $$):

$$ \large P_L = V \times I = I^2 R_L = 220 \times 0.22 = 48.4 \mathrm {W} $$

یکسوساز نیمه کنترل شده

یکسوسازی تمام موج، مزایای زیادی نسبت به یکسوسازی نیم موج دارد. برای مثال، ولتاژ‌ خروجی میانگین آن بزرگتر و فرکانسش دو برابر است. همچنین، یکسوساز تمام موج نسبت به یکسوساز نیم موج خازن کوچکتری برای صاف کردن ولتاژ‌ خروجی نیاز دارد. اما، عملکرد یکسوسازی را می‌توانیم با قرار دادن تریستور به جای دیود بهبود دهیم.

فیلم آموزش مدارهای الکتریکی ۱ در فرادرس

کلیک کنید

با قرار دادن تریستور به جای دیود در مدار پل دیودی، می‌توانیم یکسوساز AC به DC کنترل شده بسازیم. یکسوسازهای نیمه کنترل شده یا کاملاً کنترل شده فاز، کاربردهای فراوانی در منابع ولتاژ‌ متغیر و کنترل موتور دارند.

یکسوساز پل تکفازی که یکسوساز «کنترل نشده» نامیده می‌شود، ولتاژ ورودی را به یک خروجی DC با مقدار معادل ثابت تبدیل می‌کند. برای آنکه بتوانیم یکسوساز پل دیودی کنترل نشده را به یکسوساز تکفاز نیمه کنترل شده تبدیل کنیم، باید به جای دو تا از دیودها، دو تریستور (SCR)‌ قرار دهیم. شکل زیر، این موضوع را نشان می‌دهد.

در پیکربندی یکسوساز نیمه کنترل شده، ولتاژ DC خروجی میانگین، با استفاده از دو تریستور و دو دیود کنترل می‌شود. یک تریستور، فقط وقتی هدایت می‌کند (در حالت ON قرار می‌گیرد) که ولتاژ‌ آند (A)، مثبت‌تر از ولتاژ‌ کاتد (K) آن باشد و یک پالس آتش به پایه گیت (G) اعمال شود؛ در غیر این صورت، غیرفعال باقی می‌ماند.

همچنین، وقتی تریستور روشن است، تنها در صورتی خاموش (OFF) می‌شود که سیگنال گیت آن قطع شود و جریان آند، به دلیل بایاس معکوس شدن توسط منبع ولتاژ‌ AC، پایین‌تر از جریان نگهدارنده $$I_H$$ بیاید.

بنابراین، بعد از آنکه منبع ولتاژ AC از ولتاژ صفر آند به کاتد عبور می‌کند، می‌توان با تأخیر پالس آتش اعمالی به پایه گیت یا زاویه $$ \alpha $$ تریستور، زمان شروع هدایت آن و در نتیجه ولتاژ‌ خروجی میانگین را کنترل کرد.

در نیم موج مثبت ورودی، جریان از $$\mathrm {SCR} _ 1$$ و $$ \mathrm {D} _ 2 $$ می‌گذرد و به منبع باز می‌گردد. در نیم موج منفی ولتاژ‌ ورودی $$V_{IN}$$، هدایت از طریق  $$\mathrm {SCR} _ 2$$ و $$ \mathrm {D} _ 1 $$ انجام می‌شود به منبع بر می‌گردد.

واضح است که یکی از دو تریستور بالایی ($$\mathrm {SCR} _ 1$$ یا $$\mathrm {SCR} _ 2$$) و یکی از دیودهای متناظر آن ($$ \mathrm {D} _ ۱ $$ یا $$ \mathrm {D} _ 2 $$) باید با هم جریان را هدایت کنند.

بنابراین، ولتاژ خروجی میانگین $$ V_ \mathrm {AVE}$$، به زاویه آتش $$ \alpha $$ مربوط به دو تریستور بستگی دارد. ولتاژ‌ خروجی میانگین برای زاویه دلخواه $$ \alpha $$ به صورت زیر تعریف می‌شود:

$$ \large V _ \mathrm { A V E } = \frac {V _ \mathrm { MAX }} {\pi} \times ( 1+ \cos \alpha ) $$

$$ \large I _ \mathrm { A V E } = \frac {V _ \mathrm { A V E }} {R _ L} $$

دقت کنید که حداکثر ولتاژ‌ خروجی میانگین، زمانی حاصل می‌شود که $$ \cos \alpha = 1 $$ باشد و مقدار آن برابر با $$ 0.637 \times V _ \mathrm{ M A X } $$ خواهد بود که همان مقدار مربوط به یکسوساز تکفاز پل کنترل نشده است.

یکسوساز پل کاملاً کنترل شده

یکسوسازهای پل کاملاً کنترل شده تکفاز، به عنوان متداول‌ترین مبدل‌های AC به DC شناخته می‌شوند. مبدل‌های پل کاملاً‌ کنترل‌ شده، کاربرد فراوانی در کنترل سرعت ماشین‌های DC دارند و می‌توان آن‌ها را به سادگی و با قرار دادن چهار تریستور به جای چهار دیودِ یکسوساز پل دیودی تتشکیل داد. شکل زیر، مدار این نوع یکسوساز را نشان می‌دهد.

در پیکربندی یکسوساز کاملاً کنترل شده،‌ ولتاژ DC میانگین خروجی،‌ با استفاده از دو تریستور برای هر نصف موج، کنترل می‌شود. تریستورهای $$ \mathrm {SCR} _ 1 $$ و $$ \mathrm {SCR} _ 4$$، در نیم تناوب منفی با هم پالس آتش می‌گیرند. تریستورهای $$ \mathrm {SCR} _ ۲ $$ و $$ \mathrm {SCR} _ ۳$$ نیز در نیم موج منفی روشن می‌شوند. دو تریستور $$ \mathrm {SCR} _ 1 $$ و $$ \mathrm {SCR} _ 2$$ به اندازه $$ 180 $$ درجه اختلاف دارند.

در حالت هدایت پیوسته، برای نگه داشتن ولتاژ خروجی DC میانگین، چهار تریستور به طور مداوم سوئیچ می‌شوند (دو به دو). مشابه یکسوساز نیمه کنترل شده، ولتاژ‌ خروجی را می‌توان با تغییر زاویه تأخیر آتش تریستورها ($$ \alpha $$)  به طور کامل کنترل کرد.

بنابراین، عبارت ولتاژ DC میانگین این یکسوساز در حالت هدایت پیوسته به صورت زیر است:

$$ \large V _ \mathrm {AVE} = \frac {V _ \mathrm {MAX}} { \pi } \times \cos ( \alpha ) $$

$$ \large I _ \mathrm {AVE} = \frac {V _ \mathrm {AVE}} { R _ L } $$

ولتاژ خروجی میانگین، با تغییر $$ \alpha $$ از $$ 0 $$ تا $$\pi$$، از $$V_ \mathrm {MAX} / \pi $$ تا $$-V_ \mathrm {MAX} / \pi $$ تغییر می‌کند. بنابراین، وقتی $$ \alpha < 90 ^ \circ $$ باشد، ولتاژ DC میانگین مثبت و وقتی $$ \alpha > 90 ^ \circ $$ باشد،‌ مقدار آن منفی است. در این حالت ($$ \alpha > 90 ^ \circ $$)، توان از بار DC به منبع AC شارش می‌کند.

اگر این مطلب برایتان مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• انواع اینورترهای خورشیدی — به زبان ساده
• مبدل های DC به DC — مفاهیم اصلی
• مدارهای جریان مستقیم (DC) — مجموعه مقالات جامع وبلاگ فرادرس

^^