یکسو کننده چیست؟ انواع و نمودار مدار

یکسو کننده چیست؟ انواع و نمودار مدار

یکسو کننده وسیله ای است که AC (جریان متناوب) را به DC (جریان مستقیم) تبدیل می کند. این یک دستگاه غیر خطی و یک جهته است. جریان الکتریکی فقط می تواند در یک جهت از طریق یکسو کننده جریان یابد که به شیر یک طرفه تشبیه شده است. یکسوسازی فرآیند تبدیل جریان AC به جریان DC است. یکسو کننده می تواند از نظر فیزیکی در اشکال مختلفی وجود داشته باشد، از جمله دیودهای حالت جامد، دیودهای لوله خلاء، دریچه های قوس جیوه ای، یکسو کننده های کنترل شده با سیلیکون، و تعداد زیادی کلید نیمه هادی مبتنی بر سیلیکون.

 

یکسو کننده وسیله الکتریکی است که جریان متناوب را با استفاده از یک یا چند دیود اتصال P-N به جریان مستقیم تبدیل می کند. اصلاح اصطلاحی است که برای توصیف این فرآیند استفاده می‌شود، زیرا می‌تواند جهت جریان را “صاف” کند. در شرایط بایاس رو به جلو، دیودهای اتصال PN فقط اجازه جریان را می دهند. در شرایط سوگیری معکوس، آن را مسدود می کنند. تقریباً همه یکسو کننده ها دارای یک یا چند دیود در پیکربندی های خاص هستند. یکسو کننده می تواند شکل موج های مختلفی تولید کند، از جمله:
نیم موج: موج دیگر در حالی که موج مثبت یا منفی عبور می کند مسدود می شود. با توجه به اینکه تنها نیمی از شکل موج ورودی خروجی است، ناکارآمد است.
موج کامل: قسمت منفی شکل موج AC را معکوس می کند و آن را با مثبت ادغام می کند تا یک موج کامل ایجاد کند.
AC تک فاز: اگر ترانسفورماتور به وسط ضربه خورده باشد، دو دیود می توانند برای ایجاد یکسو کننده تمام موج ترکیب شوند. اگر شیر مرکزی وجود نداشته باشد، باید چهار دیود در یک پل راه اندازی شود.
AC در سه فاز: به طور معمول از سه جفت دیود استفاده می کند.

از آنجایی که برق AC بین قله ها و دره ها در نوسان است، یکسو کننده ها اغلب نمی توانند یک ولتاژ DC ثابت را ارائه دهند. برای اینکه یکسو کننده برق جریان مستقیم مستقیم تولید کند، معمولاً به مدار صاف کننده یا فیلتر نیاز است.

اصل یکسو کننده چیست؟

یکسو کننده وسیله ای است که جریان متناوب را به جریان مستقیم تک جهتی یا پالسی تبدیل می کند. هنگامی که جریان های متناوب به شکلی از جریان مستقیم تبدیل می شوند، به عنوان یکسوسازی شناخته می شود.

 

 

انواع رکتیفایر:

به طور عمده دو نوع یکسو کننده وجود دارد.

1. یکسو کننده کنترل نشده

2. یکسو کننده کنترل شده

ورودی این یکسو کننده با استفاده از دیودها اصلاح می شود. این دیود به عنوان یک دستگاه یک طرفه فقط یک جهت جریان الکتریکی را مجاز می‌کند.
پیکربندی دیود یکسو کننده از نوسانات برق بسته به نیاز بار جلوگیری می کند. دسته های زیر یکسو کننده های کنترل نشده را بیشتر تقسیم می کنند:
1. یکسو کننده نیمه موج
2. یکسو کننده موج کامل
یکسو کننده نیمه موج –

تنها نیمه اول یک چرخه جریان متناوب با استفاده از یکسو کننده نیمه موج به جریان مستقیم تبدیل می شود.

کار یکسو کننده نیمه موج

نیم سیکل اول شکل موج ولتاژ متناوب می تواند از یکسو کننده نیم موج عبور کند، اما نیم سیکل دوم نمی تواند.
اصل کار یکسو کننده نیمه موج به شرح زیر است:

 

در طول نیمه اول چرخه ورودی AC، S ثانویه انتهای ترانسفورماتور A را در پتانسیل مثبت و انتهای B را در پتانسیل منفی رها کنید.
در این مثال، دیود بایاس رو به جلو است و جریان در سراسر مدار جریان دارد. در نتیجه، یک ولتاژ در سراسر بار RL به عنوان خروجی به دست می آید.
در نیمه دوم ورودی AC، S ثانویه انتهای ترانسفورماتور A در پتانسیل منفی است و دیود D در جهت مخالف بایاس می شود. در نتیجه ما ولتاژ خروجی نشان داده شده در نمودار را دریافت می کنیم. حتی اگر مقدار ولتاژ خروجی همچنان تغییر کند، زمانی که فقط به یک جهت محدود شود، اصلاح شده در نظر گرفته می شود.

از آنجایی که تنها نیمی از ورودی موج AC ممکن است توسط مدار یکسو شود، این دستگاه به عنوان یکسو کننده نیمه موج نامیده می شود.

ساخت یکسو کننده نیم موج

اجزای یکسو کننده نیم موج به شرح زیر است:

در اینجا تصویری از یکسو کننده نیمه موج است. ولتاژ ورودی AC به سیم پیچ اولیه P یک ترانسفورماتور کاهنده مناسب تغذیه می شود.
مقاومت بار RL و دیود اتصال p-n نیمه هادی D به سیم پیچ ثانویه S ترانسفورماتور متصل می شوند.
یکسو کننده موج کامل –

از سوی دیگر، یکسو کننده تمام موج هر دو نیم سیکل مثبت و منفی AC را تغییر می دهد. نمونه ای از این یکسو کننده پل است. این از چهار دیود ساخته شده است که در یک پل وتستون به هم متصل شده اند.

کار یکسو کننده موج کامل

یکسو کننده تمام موج با تبدیل یک چرخه کامل از الکتریسیته متناوب، جریان مستقیم ضربانی تولید می کند. اصل کار یکسو کننده تمام موج این است:

هنگامی که یک منبع AC در هر دو نیم سیکل این نوع یکسو کننده به i/p اعمال می شود، جریانی که از بار عبور می کند در یک جهت حرکت می کند. از آنجایی که هر دو قطبیت شکل موج i/p در این مدار به DC پالسی تغییر می کند، ولتاژ خروجی استاندارد بزرگتری تولید می شود. این نوع یکسوسازی را می توان با استفاده از بیش از دو دیود کریستالی با رسانایی جریان متفاوت انجام داد.

دو مدار زیر، یکسوساز تمام موج مرکزی و یکسو کننده پل تمام موج، برای اطمینان از اینکه جریان مقاومت بار در هر دو نیمه مثبت و منفی ورودی AC در یک جهت جریان می یابد، استفاده می شود. مداری با بیش از یک دیود برای ایجاد یکسو کننده تمام موج استفاده می شود. یکسو کننده های پل و یکسو کننده های شیر مرکزی دو دسته ای هستند که این یکسو کننده ها در آنها قرار می گیرند.

 

 

ساخت یکسو کننده موج کامل

دو دیود نیمه هادی که در حالت مکمل کار می کنند در یک یکسو کننده تمام موج استفاده می شود. منبع ورودی AC به سیم پیچ اولیه P ترانسفورماتور شیر مرکزی تغذیه می شود. دو سر A و B دومین S ترانسفورماتور به ترتیب به انتهای p دیودهای D1 و D2 متصل می شوند.
یک مقاومت بار RL بین ترمینال‌های n هر دو دیود و مرکز O ترانسفورماتور دوم متصل می‌شود. با عبور جریان از طریق مقاومت بار RL، خروجی DC تولید می شود.
یکسو کننده پل موج کامل:

یکی از طراحی های موثر برای یکسو کننده تمام موج که از چهار دیود در توپولوژی پل استفاده می کند، مدار یکسو کننده پل است. یک ترانسفورماتور استاندارد به جای ترانسفورماتور شیر مرکزی استفاده می شود. مقاومت بار در دو انتهای دیگر پل به صورت مورب وصل می شود و منبع AC که باید اصلاح شود به انتهای مورب متفاوت پل اعمال می شود.

یکسو کننده پل

 

 

یکسو کننده تمام موج ضربه مرکزی

ترانسفورماتور با سیم پیچ ثانویه که در نقطه مرکزی ضربه می زند در این نوع مدار یکسو کننده استفاده می شود. هر دیود در مدار به گونه ای متصل می شود که نیم چرخه ولتاژ AC ورودی را دریافت کند. در حالی که دیود دیگر از نیمه پایین سیم پیچ ثانویه برای یکسوسازی استفاده می کند، یک دیود از ولتاژ متناوب قابل مشاهده در نیمه بالایی سیم پیچ ثانویه استفاده می کند. از آنجایی که برق به هر دو نیمه توسط منبع AC تامین می شود، این مدار دارای o/p و راندمان بالایی است.

 

 

یکسو کننده کنترل شده

همچنین ولتاژ یکسو کننده کنترل شده قابل تنظیم است. برای کنترل آن از SCR، ماسفت و IGBT استفاده می شود. دو نوع مختلف از یکسو کننده های کنترل شده، یکسو کننده های نیمه موج و یکسو کننده های موج کامل هستند. یکسو کننده نیمه موج کنترل شده قابل مقایسه با یکسو کننده کنترل نشده نیمه موج است، با این تفاوت که به جای دیود از SCR استفاده می شود.

انواع یکسو کننده کنترل شده

دو نوع مختلف از یکسو کننده های کنترل شده وجود دارد: یکسو کننده های نیمه موج کنترل شده و یکسو کننده های کنترل شده با موج کامل.

یکسو کننده نیمه موج کنترل شده

برای طراحی یکسو کننده کنترل کننده نیمه موج (SCR) می توان از یک یکسو کننده کنترل شده سیلیکونی استفاده کرد. یکسو کننده نیمه موج کنترل شده ساختاری مشابه با یکسو کننده کنترل نشده نیمه موج دارد، با این تفاوت که دیود را با استفاده از SCR تغییر می دهیم.

یکسو کننده کنترل شده با سیلیکون نمی تواند در بایاس معکوس کار کند، بنابراین نیم سیکل منفی را مسدود می کند. هنگامی که یک پالس به ورودی ترمینال گیت اعمال می شود که به عنوان یک سیگنال پالس دوره ای عمل می کند، SCR در طول نیم سیکل مثبت جریان را در یک حالت واحد هدایت می کند.

در هر نیم سیکل مثبت، هدف اصلی این سیگنال فعال کردن SCR است.

ولتاژ خروجی برای یکسو کننده را می توان با استفاده از این تکنیک مدیریت کرد. DC یا ولتاژ ضربان دار خروجی یکسو کننده کنترل شده با سیلیکون است. با کمک یک خازن که به موازات RL متصل است، این پالس ها قابل جدا شدن هستند.

یکسو کننده کنترل شده با موج کامل

یکسو کننده های کنترل شده با موج کامل، هر دو نیم سیکل مثبت و منفی سیگنال AC را در حالی که دامنه o/p را کنترل می کنند، به DC تبدیل می کنند. یکسو کننده های تمام موج کنترل شده را می توان به دو نوع تقسیم کرد، پل کنترل شده و شنود مرکزی کنترل شده، مشابه نحوه طبقه بندی یکسو کننده های کنترل شده و کنترل نشده.

یکسو کننده پل کنترل شده

یک پل SCR می تواند جایگزین پل دیودی در یکسوساز پل کنترل شده با استفاده از نصبی شبیه به یکسو کننده پل شود. یک خازن را می توان به انتهای خروجی مدار وصل کرد تا امواج را از بین ببرد و در نتیجه خروجی پایدار و صاف ایجاد شود.

مقایسه انواع رکتیفایر

جداول زیر مقایسه بین انواع یکسو کننده های مختلف را از جنبه های مختلف نشان می دهد.

 

 

انواع رکتیفایرهای تک فاز و سه فاز

یکسو کننده را می توان بر اساس نحوه عملکرد یک نوع ورودی خاص دسته بندی کرد. یکسو کننده در صورتی که دارای ورودی تک فاز باشد به یکسو کننده تک فاز گفته می شود. مشابه این، در صورتی که ورودی سه فاز باشد، یکسو کننده را یکسو کننده 3 فاز می نامند. برای ایجاد یکسو کننده پل تک فاز می توان از چهار دیود استفاده کرد، در حالی که از شش دیود، که در یک الگوی مشخص قرار گرفته اند تا خروجی مورد نظر را تولید کنند، می توان برای طراحی یکسوساز سه فاز استفاده کرد. بر اساس عناصر کلیدزنی مورد استفاده در هر نوع یکسو کننده مانند تریستور، دیود و غیره، این یکسو کننده ها به عنوان یکسو کننده های کنترل شده یا کنترل نشده طبقه بندی می شوند.

انواع فیلترهای مورد استفاده در انواع یکسو کننده ها

مدارهای یکسو کننده DC تولید می کنند، اما زمانی که از یکسوساز پل استفاده می شود، مقداری AC نیز همراه با DC در خروجی دریافت می کنیم. بنابراین صفحه خروجی یکسو کننده به انواع فیلترها برای کاهش مولفه AC مجهز شده است. خازن ها و سلف ها اکثر فیلترهای مورد استفاده در یکسو کننده ها را تشکیل می دهند. از آنجایی که اتصالات موازی AC را فعال می کنند و از DC جلوگیری می کنند، می توان از آنها برای اتصال یک خازن در مدار فیلتر استفاده کرد. هر جزء AC از خازن در خروجی در جهت زمین عبور می کند و مقدار کمی AC در خروجی بدست می آوریم. از آنجایی که یک سلف از راکتانس القایی تشکیل شده است، می توان یکی را در مدار فیلتر به صورت سری وصل کرد. این راکتانس با هر گونه تغییر مخالفت می کند و امپدانس بالایی را برای AC و امپدانس پایین را برای DC ارائه می دهد زیرا AC یک سیگنال در حال تغییر است در حالی که DC ثابت می ماند. ما می‌توانیم از فیلتر بخش L بر اساس نحوه چیدمان خازن و سلف استفاده کنیم. یک سلف به صورت سری با یک خازن که به صورت موازی وصل می شود در این نوع فیلترها متصل می شود. اجزای اصلی یک فیلتر مقطع pi دو خازن هستند که به صورت موازی توسط یک سلف متصل به سری متصل می شوند.

کاربرد Rectifier

یکسو کننده ها در تعدادی از کاربردها استفاده می شوند، مانند:
برای جوشکاری الکتریکی، از یکسو کننده ها برای تامین ولتاژ پلاریزه استفاده می شود.
یکسو کننده های نیمه موج اثر دافعی روی پشه ها دارند.
یکسو کننده های نیمه موج به عنوان آشکارسازهای پیک سیگنال در رادیو AM استفاده می شوند.
یکسو کننده ها در ضرب کننده های ولتاژ، مدولاسیون و دمدولاسیون استفاده می شوند.
شبکه‌های دسترسی ثابت، شبکه‌های دسترسی بی‌سیم، شبکه‌های انتقال و شبکه‌های ارتباطی محل کار همگی نمونه‌هایی از کاربردهای دستگاه‌های یکسوکننده هستند. یکسو کننده ها به طور موثر مصرف برق را کاهش می دهند در حالی که برق پایدار و قابل اعتماد را برای تامین کنندگان اصلی تامین می کنند. به همین دلیل، قبل از راه اندازی یا تغییر سیستم خود، هر کسب و کار مخابراتی انواع مختلفی از یکسو کننده ها را در نظر می گیرد.

محدودیت یکسو کننده ها

یکسو کننده چند محدودیت دارد. برخی از آنها عبارتند از:

ولتاژ/جریان خروجی از یکسو کننده تمام موج در یک جهت پیوسته است، اما ولتاژ یکسو شده به صورت پالس های نیمه سینوسی تولید می شود.
اگرچه یک طرفه است، ولتاژ خروجی متفاوت است.
به منظور ایجاد خروجی ولتاژ DC خالص از یک خروجی پالسی با مقداری موج AC مخلوط شده، باید ریپل AC را با استفاده از طراحی فیلتر اضافی فیلتر کنیم.