با اتصال دیودهای قدرت به یکدیگر می‌توان یک یکسوساز تمام موج (Full Wave) ساخت که ولتاژ AC را جهت استفاده در منابع تغذیه به ولتاژ پالس‌دار DC تبدیل می‌کند.
در مقاله دیودهای قدرت، در مورد روش‌های کاهش نوسان ولتاژ یا ریپل ولتاژ DC از طریق متصل کردن خازن‌های صافی صحبت کردیم.
اگرچه شاید این روش برای کاربردهای با مصرف توان پایین قابل استفاده باشد، اما برای کاربردهایی که به ولتاژ DC «ثابت و هموار» نیاز دارند مناسب نیست. یک روش برای بهبود این وضعیت استفاده از همه نیم سیکل‌های ولتاژ ورودی به جای همه نیم سیکل‌های دیگر است. مداری که به ما اجازۀ این کار را میدهد یکسوساز تمام موج (Full Wave) نام دارد.
مشابه مدار یکسوکننده نیم موج، مدار یکسوساز تمام‌موج نیز یک ولتاژ یا جریان خروجی تولید می‌کند که کاملا DC است و یا دارای یک جزء DC مشخص است. یکسوکننده های تمام‌موج برخی مزایای اساسی نسبت به نیم‌موج ها دارند. میانگین ولتاژ خروجی DC نسبت به نیم‌موج بیشتر است، خروجی یکسوساز تمام‌موج، ریپل بسیار کمتری نسبت به یکسوساز نیم‌موج دارد و لذا طول موج خروجی هموارتری تولید می‌کند.
در یک مدار یکسوساز تمام‌موج دو دیود استفاده میشود؛ به ازای هر نیم سیکل یک دیود. همچنین از یک ترانسفورمر سیم‌پیچ چندگانه استفاده میشود که سیم‌پیچ ثانویه آن به دو قسمت برابر با مرکز اتصال مشترک (C) تقسیم میشود. این پیکربندی باعث میشود وقتی ترمینال آند نسبت به نقطه مرکز ترانسوفرمر C مثبت است دیود رسانش انجام بدهد، و لذا در طول هر دو نیم‌سیکل یک خروجی تولید میشود که دو برابر یکسوساز نیم‌موج است لذا همانطور که در ادامه نشان داده‌ایم اثربخشی آن 100% است.
مدار یکسو کننده تمام موج
۱. مدار یکسو کننده تمام موج
مدار یکسوساز تمام‌موج شامل دو دیود قدرت است که به یک مقاومت بار (R) وصل است. هر کدام از دیودها آن را به صورت نوبتی می‌گیرند تا جریان را به بار برسانند. وقتی نقطه A از ترانسفورمر نسبت به نقطه C مثبت است، دیود در جهت رو به جلو (forward) که توسط فلش‌ها نشان داده شده است، رسانش انجام میدهد.
وقتی نقطه B (در نیمه منفی سیکل) نسبت به نقطه C مثبت است، دیود در جهت رو به جلو رسانش انجام میدهد و جریان عبوری از مقاومت R در هر دو نیم‌سیکل در جهت یکسانی است. با توجه به اینکه ولتاژ خروجی در مقاومت R مجموع فازور (phasor) دو شکل موج ترکیب شده‌است، لذا این نوع مدار یکسوساز تمام‌موج را مدار «دوفازی» هم می‌گویند.
اگر مدار را با حذف خازن صافی در شبیه ساز مدارات الکتریکی پارتسیم (PartSim) اجرا کنیم این تاثیر را به خوبی می‌بینیم.
طول موج شبیه‌سازی شده در Partsim
با توجه به اینکه فضاهای بین دو نیم‌موج توسعه داده شده توسط هر دیود حالا با دیود دیگر پر شده است، لذا میانگین ولتاژ خروجی DC در مقاومت بار دو برابر مدار یکسوساز نیم‌موج و درواقع حدود 0.637 ولت ماکزیمم ولتاژ پیک می‌باشد، البته با فرض اینکه اتلافی وجود نداشته باشد.
که: Vmaxمقدار پیک ماکزیمم در یک نیمه از سیم‌پیچ ثانویه، و Vrms مقدار rms است.
پیک ولتاژ شکل موج خروجی مانند یکسوکننده نیم‌موج است و هر دو نیمه از سیم‌پیچ‌های ترانسفورمر مقدار ولتاژ rms یکسانی دارند. برای بدست آوردن یک خروجی ولتاژ DC متفاوت می‌توان از نرخ‌های متفاوتی برای ترانفسورمر استفاده کرد.
ایراد اصلی این نوع مدار ( یکسوساز تمام‌موج) این است که یک ترانفسورمر بزرگتر برای توان خروجی مشخص با دو سیم‌پیچ ثانویه جدا و یکسان نیاز است. لذا این نوع مدار یکسوساز تمام‌موج در مقایسه با مدار یکسوساز پل تمام‌موج (Full Wave Bridge) گران‌تر است.
یکسو کننده تمام موج پل
نوع دیگری از مدار که همان طول موج خروجی مدار یکسوساز تمام‌موج بالا را تولید می‌کند، یکسوساز پل تمام‌موج نام دارد. این نوع یکسوساز تک‌فاز از چهار دیود یکسوسازی استفاده می‌کند که برای تولید خروجی مطلوب به یک پیکربندی «پل» حلقه بسته وصل است.
مزیت اصلی این مدار پل آن است که نیازی به ترانسفورمر مرکزی ندارد و لذا اندازه و هزینه آن نسبت به نسخه قبلی کمتر است. سیم‌پیچ ثانویه به یک طرف شبکه پل دیود، و بار به سمت دیگر وصل است.
یکسو کننده پل دیود
چهار دیود با برچسب D1 تا D4 به صورت «زوج‌های سری» کنار هم چیده شده‌اند که در طول هر نیم‌سیکل تنها دو دیود جریان را عبور می‌دهند. در طول نیم‌سیکل مثبت منبع، دیودهای D1 و D2 به صورت سری عمل می‌کنند ولی دیودهای D3 و D4 بایاس معکوس هستند و جریان به صورت زیر از بار عبور می‌کند.
نیم سیکل مثبت
در طول نیم‌چرخۀ منفی منبع، دیودهای D3 و D4 به صورت سری عمل می‌کنند، اما دیودهای D1 و D2 به وضعیت «OFF» می‌روند زیرا حالا بایاس معکوس هستند. عبور جریان از بار همان جهت حالت قبلی را دارد.
نیم سیکل منفی
با توجه به اینکه جریان عبوری از بار یک جهته است، لذا ولتاز توسعه داده شده در بار نیز مانند یکسوساز تمام‌موج با دو دیود، تک جهت است و بنابراین میانگین ولتاژ DC در بار برابر با 0.637Vmax .
اما در واقعیت، جریان در طول هر نیم‌سیکل از دو دیود عبور می‌کند (نه صرفا یکی از آنها) لذا دامنه ولتاژ خروجی دو افت ولتاژ (1.4V = 0.7*2) کمتر از دامنه Vmax ورودی است.حال فرکانس ریپل دو برابر فرکانس منبع است (مثلا ۱۰۰ هرتز برای یک منبع ۵۰ هرتزی یا ۱۲۰ هرتز برای یک منبع ۶۰ هرتزی).
یک یکسو کننده پل
اگرچه می‌توانیم از چهار دیود قدرت جداگانه برای ایجاد یک یکسوساز پل تمام‌موج استفاده کنیم، اما مولفه‌های یکسوساز پل از پیش ساخته در بازه ولتاژ و اندازه جریان مختلف وجود دارند که می‌توان آنها را مستقیما به یک برد مدار PCB لحیم کرد یا از طریق کانکتورهای بیلچه‌ای آنها را به هم وصل کرد.
تصویر بالا سمت چپ یک یکسوساز پل تک‌فاز را نشان میدهد که یک گوشه آن بریده شده است. این گوشه بریده شده نشان میدهد ترمینالی که به گوشه نزدیک‌تر است یک ترمینال یا سیم رابط خروجی مثبت یا ve+ است که سیم رابط مقابل آن یک سیم رابط خروجی منفی یا ve – است. دو سیم رابط دیگر برای ولتاژ متناوب ورودی از سیم‌پیچ ثانویه ترانسفورمر است.
خازن صافی
در مقاله قبلی مشاهده کردیم که یکسوساز نیم‌موج تک‌فاز در هر نیم‌سیکل یک موج خروجی تولید می‌کند و اینکه استفاده از این نوع مدار برای تولید منبع DC ثابت عملی نیست. اما یکسوساز پل تمام‌موج متوسط مقدار DC بیشتری (0.637Vmax) با ریپل کمتر به ما میدهد اما شکل موج خروجی دو برابر فرکانس منبع ورودی است.
می‌توانیم میانگین خروجی DC یکسوساز را بهبود دهیم و در عین حال نوسان AC خروجی یکسوسازی شده را با استفاده از خازن‌های صافی کاهش دهیم تا شکل موج خروجی فیلتر شود. خازن‌های مخزن یا صافی که به صورت موازی وصل شده‌اند همراه با بار موجود در خروجی مدار یکسوساز پل تمام‌موج میانگین سطح خروجی DC را حتی بیشتر هم افزایش میدهد زیرا خازن مانند یک دستگاه ذخیره‌سازی عمل می‌کند.
یکسوکننده تمام موج با صافی خازن
صافی خازن خروجی تمام‌موج ریپل شده در یکسوساز را به یک ولتاژ خروجی DC هموار تر تبدیل می‌کند. اگر مدار شبیه‌ساز Partsim را با مقادیر متفاوت خازن صافی اجرا کنیم می‌توانیم تاثیر آن بر شکل موج خروجی یکسو شده را ببینیم.
خازن صافی ۵ میکروفاراد
قسمت آبی رنگ روی شکل موج نتیجه استفاده از خازن صافی 5.9uF در خروجی یکسوسازهاست. قبلا ولتاژ بار شکل موج خروجی یکسوسازی شده را تا ولتاژ صفر دنبال کرد. در اینجا خازن 5uF تا پیک ولتاژ پالس DC خروجی شارژ میشود، اما وقتی از ولتاژ پیک به سمت ولتاژ صفر افت می‌کند، خازن نمی‌تواند به آن سرعت تخلیه شارژ انجام دهد که علت این وضعیت ثابت زمانی RC در مدار است.
در مثال ما این وضعیت منجر به تخلیه شارژ خازن تا حدود ۳.۶ ولت میشود، و ولتاژ را در مقاومت بار تا زمانی نگه می‌دارد که خازن یک بار دیگر در شیب مثبت بعدی پالس DC تخلیه شارژ شود. به عبارت دیگر خازن وقت اندکی برای تخلیه شارژ دارد و سپس پالس DC بعدی آن را به مقدار پیک برمی‌گرداند. لذا ولتاژ DC اعمال شده توسط مقاومت بار تنها اندکی افت می‌کند. اما با افزایش مقدار خازن صافی می‌توانیم آن را بیشتر بهبود دهیم.
خازن صافی ۵۰ میکروفاراد
در اینجا مقدار خازن صافی را از 5uF به 50uF (یعنی ۱۰ برابر) افزایش داده‌ایم و این موضوع باعث کاهش ریپل و افزایش مینیمم ولتاژ تخلیه از ۳.۶ ولت به ۷.۹ ولت شده‌است.
تاثیر تامین یک بار سنگین با یک خازن صافی یا مخزن را می‌توان با استفاده از یک خازن بزرگتر کاهش داد. این خازن بزرگتر انرژی بیشتری را ذخیره می‌کند و بین پالس‌های شارژ کمتر تخلیه میشود. به طور کلی برای مدارات عرضه برق DC خازن صافی یک نوع آلومینیوم الکترولیت است که مقدار ظرفیت آن برابر با 100uF یا بیشتر است و پالس‌های ولتاژ DC یکسوساز خازن را تا ولتاژ پیک شارژ می‌کنند.
اما دو پارامتر مهم وجود دارد که در هنگام انتخاب یک خازن صافی مناسب باید در نظر گرفته شوند؛ ولتاژ کاری که باید بیشتر از مقدار خروجی بدون بار در خازن باشد، و ظرفیت خازن صافی که تعیین کنندۀ مقدار ریپلی است که روی ولتاژ DC ظاهر میشود.
اگر مقدار ظرفیت خیلی کم باشد خازن تاثیر کمی بر طول موج خروجی خواهد داشت. اما اگر خازن صافی به اندازه کافی بزرگ باشد (خازن‌های موازی را می‌توان استفاده کرد) و جریان بار خیلی بزرگ نباشد، ولتاژ خروجی تقریبا به اندازه DC خالص هموار خواهد بود. به عنوان یک قانون کلی ما به دنبال ولتاژ ریپل کمتر از ۱۰۰ مگاولت (پیک تا پیک) هستیم.
ماکزیمم ولتاژ ریپل برای یک مدار یکسوساز تمام‌موج نه فقط توسط مقدار خازن صافی، بلکه توسط فرکانس و جریان بار هم تعیین میشود، و محاسبه آن بصورت زیر است:
ولتاژ ریپل یکسوساز پل
که I جریان بار DC برحسب آمپر، f فرکانس ریپل یا دوبرابر فرکانس ورودی برحسب هرتز، و C ظرفیت برحسب فاراد است.
مزیت اصلی یکسوساز پل تمام‌موج این است که در مقایسه با یکسوساز نیم‌موج مقدار ریپل AC آن برای یک بار مشخص کوچکتر است. علاوه‌براین، خازن صافی کوچکتری هم دارد. لذا فرکانس اصلی ولتاژ ریپل دو برابر فرکانس منبع AC (۱۰۰ هرتز) است و برای یکسوساز نیم‌موج دقیقا برابر با فرکانس منبع (۵۰ هرتز) است.
مقدار ولتاژ ریپل که توسط دیودها روی ولتاژ منبع DC قرار می‌گیرد را می‌توان مجازاً از طریق افزودن یک فیلتر π (فیلتر پی یا پای Pi-Filter) بهبودیافته به ترمینال‌های خروجی یکسوساز پل حذف کرد. این نوع فیلتر پایین‌گذر شامل دو خازن صافی است که معمولا مقدار آنها یکی است. همچنین، شامل یک چوک (choke) یا سلف (inductance) هستند که یک مسیر امپدانس بالا در مولفه متناوب ریپل ایجاد می‌کند.
یک گزینه ارزان‌تر و عملی‌تر استفاده از رگلاتور ولتاژ ۳ ترمیناله نظیر آی سی LM78xx برای ولتاژ خروجی مثبت است (xx مخفف نرخ ولتاژ خروجی است). از معکوس آن یعنی LM79xx هم برای ولتاژ خروجی منفی استفاده میشود که می‌تواند بیش از ۷۰ دسیبل، ریپل را کاهش دهد و در عین حال جریان خروجی ثابتی را روی ۱ آمپر تحویل دهد.
دیدگاه خود را بنویسید