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

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، تمام‌موج، کنترل‌نشده و کاملاً کنترل‌شده برای تبدیل منابع تکفاز و سه فاز به یک سطح DC ثابت انجام داد. در این آموزش، «یکسوساز نیم موج» (Half-wave Rectifier) را معرفی می‌کنیم.

یکسوسازها، یکی از بلوک‌های اصلی تشکیل دهنده تبدیل توان AC با یکسوسازی نیم موج یا تمام‌موج 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.

البته، جریانی که دیودها یکسو کرده‌اند، مانند یک باتری، خالص نیست و تغییراتی به فرم ریپل سوار شده روی خروجی دارد که در اثر منبع متناوب به وجود آمده است.

باید توجه داشت سیگنالی را که می‌خواهیم یکسو کنیم، یک شکل موج سینوسی AC با دامنه ماکزیمم و فرکانس ثابت باشد.

شکل موج‌های سینوسی، عموماً با دو عدد یا پارامتر مشخص می‌شوند. عدد نخست، درجه چرخش شکل موج در طول محور x است که از صفر تا ۳۶۰ درجه تغییر می‌کند. این مقدار، دوره تناوب (T) نامیده می‌شود و بازه‌ای را تعریف می‌کند که شکل موج یک دور کامل نوسان می‌کند.

دوره‌ تناوب برحسب درجه، زمان یا رادیان اندازه‌گیری می‌شود. رابطه بین دوره تناوب و فرکانس یک شکل موج سینوسی به صورت $$T=1/f$$ است.

عدد دوم، مقدار دامنه جریان یا ولتاژ را روی محور y مشخص می‌کند. این عدد، مقدار لحظه‌ای را از صفر تا پیک یا ماکزیمم ($$\mathrm {V_{MAX}}$$، $$\mathrm {A_{MAX}}$$ یا $$\mathrm {I_{MAX}}$$) شکل موج مشخص می‌کند که بزرگترین دامنه قبل از رسیدن دوباره به صفر است. برای یک شکل موج سینوسی،‌ دو مقدار ماکزیمم یا پیک وجود دارد؛ یکی برای نیم‌سیکل مثبت و یکی برای نیم‌سیکل منفی.

مشابه این دو پارامتر، دو مقدار وجود دارد که مربوط به یکسوسازی است. یکی از این مقادیر، مقدار میانگین و دیگری مقدار RMS است. مقدار میانگین یک شکل موج، با جمع مقادیر لحظه‌ای ولتاژ (یا جریان) روی یک نیم‌سیکل به دست می‌آید و برابر است با $$0.6365V_p$$. از آن‌جایی که یک شکل موج سینوسی، متقارن است، مقدار میانگین آن در یک دوره تناوب کامل برابر با صفر است.

مقدار RMS (جذر میانگین مربعات) یا مقدار مؤثر یک شکل موج سینوسی، همان مقداری به یک مقاومت انرژی منتقل می‌کند که یک منبع DC با مقدار مشابهی این کار ار انجام می‌دهد. مقدار مؤثر یک ولتاژ (یا جریان) سینوسی، برابر است با $$0.7071V_p$$.

مدار یکسوساز نیم موج

همه یکسوسازهای تکفاز،‌ از قطعات حالت جامد استفاده می‌کنند. یکسوسازهای نیم موج کنترل‌نشده تکفاز، ساده‌ترین و شاید پرکاربردترین مدارهای یکسوساز برای سطوح توان پایین هستند (زیرا تحت تأثیر امپدانس بار متصل به آن‌ها قرار می‌گیرند).

فیلم آموزش الکترونیک صنعتی و مبدل ها در فرادرس

کلیک کنید

در مدارهای یکسوساز کنترل‌نشده، دیودهای نیمه‌هادی قطعات اصلی هستند و به گونه‌ای قرار می‌گیرند که مدار یک نیم موج یا موج کامل را تشکیل دهد. مزیت استفاده از دیودها به عنوان یک قطعه یکسوکننده، این است که بسته با طراحی، قطعاتی تک‌جهته هستند و یک پیوند pn یک‌طرفه دارند.

این پیوند pn، با حذف نصف شکل موج یک منبع متناوب دوطرفه، آن را به یک شکل موج یک‌طرفه تبدیل می‌کند. برای مثال وقتی دیود بایاس مستقیم باشد، می‌تواند نیم‌سیکل مثبت را عبور دهد؛ در حالی که وقتی بایاس معکوس شود، نیم‌سیکل منفی را حذف می‌کند.

پیکربندی یکسوساز نیم موج تکفاز شکل زیر، نیم تناوب مثبت شکل موج منبع AC را عبور داده و نیم تناوب منفی را حذف می‌کند.

یکسوسازی را می‌توان با حذف نیم‌سیکل مثبت و عبور دادن نیم تناوب منفی نیز انجام داد. در مدار شکل بالا، با معکوس کردن جهت دیود می‌توان نیم موج‌های منفی را عبور داد و نیم موج‌های مثبت را حذف کرد. بنابراین، خروجی، دنباله‌ای از پالس‌های مثبت و منفی خواهد بود.

در یکسوساز نیم موج، به یکی از نیم موج‌ها هیچ ولتاژ یا جریانی به بار $$R_L$$ اعمال نخواهد شد. به عبارت دیگر، ولتاژ دو سر مقاومت $$R_L$$ فقط شامل نیم موج‌ها (منفی یا مثبت) است. به همین دلیل، این یکسوساز، یکسوساز نیم موج نامیده می‌شود.

همان‌طور که می‌بینیم، خروجی یکسوساز بالا، روشن - خاموش (ON-OFF) در هر نصف شکل موج رخ می‌دهد.

خروجی DC پالس‌زن به این معنی است که مقدار DC معادلی که دو سر بار $$R_L$$ می‌افتد، مقدار میانگین فقط یک نیم موج سینوسی است. از آن‌جایی که مقدار ماکزیمم شکل موج سینوسی برابر با یک است، مقدار میانگین یا متوسط DC نصف شکل موج، به این صورت تعریف می‌شود:

$$0.637 \times$$ مقدار دامنه ماکزیمم

بنابراین، برای یک یکسوساز نیم موج، ۵۰ درصد زمان یک دوره تناوب، مقدار میانگین $$0.637 \times A_{MAX}$$ و برای نیم موج دیگر، میانگین برابر با صفر است.

اگر حداکثر دامنه برابر با یک باشد، مقدار DC یا میانگین معادل بار $$R_L$$ برابر خواهد بود با:

$$\large \mathrm { A } _ { \mathrm { A V E } } = \frac { 0.6 3 7 } { 2 } \times \mathrm { A } _ { \mathrm { M A X }} = \frac {\mathrm { A }_{MAX} } {\pi} = 0.318 \mathrm { A } _ \mathrm { M A X }$$

بنابراین، عبارت متناظر با مقدار میانگین ولتاژ یا جریان برای یک یکسوساز نیم موج، برابر است با:

$$\large V _ { \mathrm { A V E } } = 0.318 \mathrm { V } _ \mathrm { M A X }$$

$$\large I _ { \mathrm { A V E } } = 0.318 \mathrm { I } _ \mathrm { M A X }$$

توجه کنید که علاوه بر مقدار ماکزیمم $$\mathrm {A} _ { \mathrm {max} }$$ شکل موج ورودی، می‌توانیم از مقدار RMS آن نیز برای یافتن مقدار خروجی DC معادل یک یکسوساز نیم موج تکفاز استفاده کنیم. برای تعیین ولتاژ میانگین یک یکسوساز نیم موج، مقدار RMS را در $$0.9$$ (ضریب فرم) ضرب و بر $$2$$ تقسیم می‌کنیم. در نتیجه، داریم:

$$\large V _ { \mathrm { A V E } } = 0.45  V  _ \mathrm { R M S }$$

$$\large I _ { \mathrm { A V E } } = 0.45 I _ \mathrm { R M S }$$

همان‌طور که در شکل بالا می‌بینیم،‌ مدار یکسوساز نیم موج، نیم موج‌های مثبت یا منفی شکل موج AC را به یک خروجی پالسی با مقدار $$0.318 \times \mathrm {A} _ \mathrm { M AX }$$ یا $$0.45 \times \mathrm {A} _ \mathrm { R M S }$$ تبدیل می‌کند.

مثال

یک یکسوساز نیم موج تکفاز به منبع متناوب با ولتاژ مؤثر $$50\, \mathrm{V}$$ و فرکانس $$50\, \mathrm {Hz}$$ متصل شده است. اگر یکسوساز برای تغذیه یک بار مقاومتی $$150$$ اهمی به کار رود، مقدار ولتاژ‌ DC معادل و جریان گذرنده از بار و توان تلف‌شده آن را بیابید. فرض کنید مشخصه دیود ایده‌آل است.

فیلم آموزش حل تمرین مدارهای الکتریکی 1 در فرادرس

کلیک کنید

حل: ابتدا لازم است $$50$$ ولت RMS را به مقدار معادل ولتاژ‌ ماکزیمم یا پیک تبدیل کنیم.

(الف) مقدار ماکزیمم دامنه ولتاژ‌ ($$V_M$$):

$$\large V_M = 1.414 \times V _ { { R M S } } = 1.414 \times 50 = 70.7 \, \mathrm{V}$$

(ب) ولتاژ DC معادل ($$V_ {DC}$$):

$$\large V_{DC} = 0.318 \times V _ { { M} } = 0.318 \times 70.7 = 22.5 \, \mathrm{V}$$

(ج) جریان بار ($$I_L$$):

$$\large I_{L} = V_{DC} \div R _ { { L} } = 22.5\div 150 = 0.15 \, \mathrm{A}$$

(د)  توان اتلافی در مقاومت ($$P_L$$):

$$\large P_{L} = V \times I = V^ 2 \times R _ { { L} } = 22.5 \times 0.15 = 3.375\, \mathrm{W} \approx 3.4 \, \mathrm{W}$$

در عمل، به دلیل بایاس مستقیم $$0.7$$ ولتی دیود، مقدار $$V_{DC}$$ کمی کمتر از آنچه است که به دست آوردیم.

یکی از معایب اصلی یکسوساز نیم موج تکفاز، این است که نصف شکل موج ورودی، در خروجی وجود ندارد که همین موضوع، منجر به یک مقدار میانگین پایین خواهد شد. تنها راه غلبه بر این مسئله، استفاده از دیودهای بیشتر برای تشکیل یک یکسوساز تمام موج است. در آموزش‌های بعدی، این یکسوساز را معرفی خواهیم کرد.

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

• آموزش الکترونیک قدرت ۲
• انواع اینورترهای خورشیدی — به زبان ساده
• مبدل های DC به DC — مفاهیم اصلی
• مدارهای جریان مستقیم (DC) — مجموعه مقالات جامع وبلاگ فرادرس

^^