یکسو کننده کامل موج 

دیودهای توان را می توان به یکدیگر متصل کرد تا یک یکسوساز موج کامل ایجاد کرد که ولتاژ AC را به ولتاژ DC پالس دار برای استفاده در منابع تغذیه تبدیل می‌کند.

یکسو کننده پل موج کامل

در آموزش قبلی دیودهای توان در مورد روش‌های کاهش تغییرات ولتاژ  یا موجی در ولتاژ مستقیم DC با اتصال خازن های هموار کننده در دوسر مقاومت بار بحث کردیم.

گرچه این روش برای کاربردهای کم مصرف مناسب است اما برای کاربردهایی که به ولتاژ منبع تغذیه “ثابت و هموار” نیاز دارند نامناسب است. یک روش برای بهبود این مورد استفاده از هر نیم سیکل ولتاژ ورودی به جای هر نیم سیکل دیگر است. مداری که به ما امکان انجام این کار را می‌دهد، یکسو کننده کامل موج  نامیده می‌شود.

مانند مدار نیم موج، یک مدار یکسوساز موج کامل یک ولتاژ یا جریان خروجی تولید می کند که کاملاً DC است یا دارای برخی از مولفه مشخص DC است. یکسو کننده های موج کامل نسبت به نمونه های یکسو کننده نیم موج خود دارای برخی مزایای اساسی هستند. ولتاژ خروجی متوسط (DC) بالاتر از نیم موج است، خروجی یکسوساز موج کامل نوسان بسیار کمتری نسبت به یکسو کننده نیه موج دارد که شکل موج خروجی هموارتری ایجاد می‌کند.

اکنون در یک مدار یکسو کننده موج کامل از دو دیود یکی برای هر نیم چرخه استفاده می‌شود. از یک ترانسفورماتور سیم پیچ چندگانه استفاده می شود که سیم پیچ ثانویه با یک اتصال مشترک متصل به مرکز، به طور مساوی به دو نیمه تقسیم می شود (C). این پیکربندی منجر به هدایت هر دیود می شود که ترمینال آند آن با توجه به نقطه مرکز ترانسفورماتور C مثبت باشد و در هر دو نیم سیکل خروجی ایجاد کند، که دو برابر برای یکسوساز نیم موج است بنابراین 100٪ کارآیی دارد که در زیر نشان داده شده است.

مدار یکسو کننده موج کامل

مدار یکسوساز موج کامل از دو دیود توان متصل به یک مقاومت بار واحد (RL) تشکیل شده است که هر دیود آن را به نوبه خود برای تأمین جریان بار دریافت می کند. هنگامی که نقطه A ترانسفورماتور نسبت به نقطه C مثبت است، دیود D1 همانطور که فلش‌ها نشان می دهد، در جهت جلو هدایت می‌شود.

وقتی نقطه B با توجه به نقطه C مثبت باشد (در نیمه منفی چرخه) ، دیود D2 در جهت جلو هدایت می شود و جریان جاری از مقاومت R برای هر دو نیم چرخه در یک جهت است. از آنجا که ولتاژ خروجی در دو سر مقاومت R حاصل جمع فازور دو شکل موج است، این نوع مدار یکسوساز موج کامل به عنوان مدار “دو فاز” نیز شناخته می‌شود.

اگر مدار را در مدار شبیه ساز Partsim با خازن هموار کننده اجرا کنیم، کاملاً واضح است که این تأثیر را می‌بینیم.

شکل موج شبیه سازی Partsim

همانطور که اکنون فضاهای بین هر نیم موج توسعه یافته توسط هر دیود توسط دیود دیگر پر می‌شود، ولتاژ خروجی DC متوسط در دو سر مقاومت بار اکنون دو برابر مدار یکسوساز نیم موج منفرد است و در حدود 0.637V_max از ولتاژ پیک  با فرض عدم افت است.

بطوریکه: V_MAX حداکثر مقدار پیک در نیمی از سیم پیچ ثانویه و V_RMS مقدار rms است.

ولتاژ اوج شکل موج خروجی برای یکسوساز نیم موج همانند قبل است به شرط آنکه هر نیمی از سیم پیچ های ترانسفورماتور مقدار ولتاژ rms یکسان داشته باشد. برای بدست آوردن خروجی ولتاژ DC متفاوت می توان از نسبت های مختلف ترانسفورماتور استفاده کرد.

عیب اصلی این نوع مدار یکسوساز موج کامل این است که ترانسفورماتور بزرگتری برای یک خروجی توان معین با دو سیم پیچ ثانویه جداگانه اما یکسان لازم است و این نوع مدار اصلاح کننده موج کامل را در مقایسه با مدار معادل مدار “یکسو کننده پل موج کامل” پر هزینه می‌کند.

یکسو کننده پل موج کامل

نوع دیگری از مدار که همان شکل موج خروجی مدار یکسوساز موج کامل در بالا را تولید می کند؛ مدار یکسوساز پل موج کامل است. این نوع یکسوساز تک فاز از چهار دیود یکسو کننده مجزا متصل شده در یک پیکربندی حلقه بسته “پل” برای تولید خروجی مورد نظر استفاده می‌کند.

مزیت اصلی این مدار پل این است که به ترانسفورماتور تنظیم شده با مرکز خاصی احتیاج ندارد و در نتیجه اندازه و هزینه آن کاهش می یابد. سیم پیچ ثانویه تک به یک طرف شبکه پل دیود و بار به طرف دیگر مطابق شکل زیر متصل می‌شود.

یکسو کننده پل دیود

چهار دیود با برچسب D1 تا D4 در “جفت های سری” تنظیم شده اند و فقط دو دیود در طول هر نیم چرخه جریان را هدایت می‌کنند. در طول نیم چرخه مثبت منبع تغذیه، دیودهای D1 و D2 به صورت سری هدایت می‌کنند در حالی که دیودهای D3 و D4 بایاس معکوس هستند و جریان مانند شکل زیر در  بار جریان می‌یابد.

نیم چرخه مثبت

در طول نیم سیکل منفی منبع تغذیه، دیودهای D3 و D4 به صورت سری هدایت می کنند، اما دیودهای D1 و D2 به خاموش تغییر می‌یابند، زیرا اکنون بایاس معکوس هستند. جریان عبوری از بار همان جهت قبلی است.

نیم چرخه منفی

از آنجا که جریان عبوری از بار یک طرفه است، بنابراین ولتاژ ایجاد شده روی بار نیز همانند دیود یکسوساز موج کامل قبلی یک جهته است، بنابراین ولتاژ DC متوسط روی بار 0.637V_max است.

اما در واقعیت، در طول هر نیم سیکل جریان به جای فقط یک دیود از دو دیود جریان می یابد بنابراین دامنه ولتاژ خروجی دو افت ولتاژ (2*0.7 = 1.4V) کمتر از دامنه ورودی V_MAX است. فرکانس موجی در حال حاضر دو برابر فرکانس تغذیه است (به عنوان مثال Hz 100 برای یک منبع Hz 50 یا Hz 120برای یک منبع Hz 60).

اگرچه می‌توانیم از چهار دیود توان جداگانه برای ساخت یکسوساز کامل پل موج استفاده کنیم، اما اجزای یکسو کننده پل از پیش ساخته شده در محدوده ای از اندازه های مختلف ولتاژ و جریان “خارج از قفسه” موجود هستند که می‌توانند مستقیماً در برد مدار PCB لحیم شوند یا توسط کانکتورها متصل شوند.

تصویر سمت راست یکسو کننده پل تک فاز معمولی با یک  قطع گوشه را نشان می‌دهد. این گوشه قطع نشان می دهد که ترمینال نزدیک به گوشه ترمینال یا پایه خروجی مثبت یا ve + است که پایه با پایه مقابل (مورب) خروجی منفی یا ve – است. دو پایه اتصال دیگر، برای ولتاژ متناوب ورودی از سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور است.

خازن هموار کننده

در بخش قبلی دیدیم که یکسو کننده نیمه موج تک فاز در هر نیم سیکل یک موج خروجی تولید می کند و استفاده از این نوع مدارها برای تولید منبع تغذیه ثابت عملی نیست. یکسوساز پل کامل موج، مقدار متوسط DC بیشتری (0.637 Vmax) با موج کمتر به ما می‌دهد در حالی که شکل موج خروجی دو برابر فرکانس فرکانس منبع ورودی است.

ما می توانیم خروجی DC متوسط یکسوساز را بهبود بخشیم و در عین حال با استفاده از خازن های هموار کننده برای فیلتر کردن شکل موج خروجی، تغییر AC خروجی اصلاح شده را کاهش دهیم. خازن های هموار کننده یا مخزنی که به طور موازی با بار در دوسر خروجی مدار یکسوساز پل کامل موج متصل شده اند، سطح خروجی DC متوسط را حتی بیشتر می کند زیرا خازن مانند یک دستگاه ذخیره سازی مانند تصویر زیر عمل می کند.

یکسو کننده تمام موج با خازن هموار کننده

خازن هموار کننده، خروجی موج دار کامل یکسوساز را به ولتاژ خروجی DC هموار تری تبدیل می کند. اگر اکنون مدار شبیه ساز Partsim را با مقادیر مختلف خازن هموار ساز نصب شده اجرا کنیم، می توان تأثیر آن را بر شکل موج خروجی اصلاح شده مشاهده کرد که نشان داده شده است.

خازن هموار ساز 5uF

نمودار آبی روی شکل موج نتیجه استفاده از یک خازن هموار کننده 5uF را در خروجی یکسوسازها نشان می‌دهد. قبلاً ولتاژ بار شکل موج خروجی اصلاح شده تا صفر ولت را دنبال می‌کرد. در اینجا خازن 5uF به حداکثر ولتاژ پالس خروجی DC شارژ می‌شود، اما وقتی از اوج ولتاژ خود به پایین صفر ولت کاهش می‌یابد، خازن به دلیل ثابت بودن زمان RC مدار نمی تواند به همین سرعت تخلیه شود.

این منجر به تخلیه خازن تا حدود 3.6 ولت می‌شود، در این مثال، ولتاژ روی مقاومت بار را حفظ می کند تا اینکه خازن بار دیگر در شیب مثبت بعدی پالس DC بارگیری شود. به عبارت دیگر، خازن فقط قبل از شارژ مجدد پالس DC بعدی تا حداکثر زمان کافی برای تخلیه مختصر وقت دارد. بنابراین، ولتاژ DC اعمال شده به مقاومت بار فقط مقدار کمی افت می کند. اما ما می‌توانیم با افزایش مقدار خازن هموار کننده همانطور که نشان داده شده است، این وضعیت را بهبود ببخشیم.

خازن هموار ساز 50uF

در اینجا ما مقدار خازن هموار کننده را 10 برابر از 5uF به 50 uFافزایش داده ایم که باعث کاهش نوسان و افزایش حداقل ولتاژ تخلیه از 3.6 ولت قبلی به 7.9 ولت شده است. با این حال ، با استفاده از مدار شبیه ساز Partsim ما یک بار 1kΩ را برای بدست آوردن این مقادیر انتخاب کرده ایم، اما با کاهش امپدانس بار، جریان بار افزایش می‌یابد و باعث می شود خازن با سرعت بیشتری بین پالس های شارژ تخلیه شود.

تاثیر تغذیه بار سنگین با یک خازن هموار کننده یا خازن مخزنی را می‌توان با استفاده از یک خازن بزرگتر که انرژی بیشتری ذخیره می کند و بین پالس های شارژ کمتر تخلیه می شود، کاهش داد. به طور کلی برای مدارهای منبع تغذیه DC خازن هموار کننده از نوع الکترولیتی آلومینیومی است که دارای ظرفیت خازنی 100uF یا بیشتر با پالس های تکرار ولتاژ DC از یکسو کننده است که خازن را به حداکثر ولتاژ شارژ می‌کند.

با این وجود، دو پارامتر مهم برای انتخاب خازن هموار کننده مناسب باید در نظر گرفته شود و این ولتاژ کاری آن است که باید بالاتر از مقدار خروجی بدون بار یکسوساز و ظرفیت خازنی آن باشد، که مقدار موج دار ظاهر شده در بالای ولتاژ DC را تعیین می‌کند.

مقدار خازن خیلی کم است و خازن تأثیر کمی بر شکل موج خروجی دارد. اما اگر خازن هموار کننده به اندازه کافی بزرگ باشد (می توان از خازن های موازی استفاده کرد) و جریان بار خیلی زیاد نباشد، ولتاژ خروجی تقریبا به اندازه DC خالص هموار خواهد بود. به عنوان یک قاعده کلی، ما بدنبال ولتاژ موج دار کمتر از 100mv پیک تا پیک هستیم.

حداکثر ولتاژ موج دار موجود برای یک مدار اصلاح کننده موج کامل نه تنها با مقدار خازن هموار کننده بلکه با فرکانس و جریان بار تعیین می شود و به صورت زیر محاسبه می‌شود:

ولتاژ موج دار یکسو کننده پل

بطوریکه: I جریان بار DC در آمپر است ، ƒ فرکانس ریپل یا دو برابر فرکانس ورودی در هرتز است و C ظرفیت خازنی در فاراد است.

مزایای اصلی یکسوساز پل موج کامل این است که مقدار ریپل AC کمتری برای بار مشخص و ذخیره کننده یا خازن هموار کننده کوچکتر از یکسوساز نیم موج معادل دارد. بنابراین، فرکانس اساسی ولتاژ موج دار دو برابر فرکانس تغذیه AC  (100Hz)  است که برای یکسوساز نیم موج دقیقاً برابر با فرکانس تغذیه (50 هرتز) است.

با افزودن یک فیلتر π (فیلتر پی) بسیار بهبود یافته به ترمینال های خروجی یکسو سازنده پل، مقدار ولتاژ موجی که روی ولتاژ منبع تغذیه DC قرار می‌گیرد را می توان از بین برد. این نوع فیلتر پایین گذر از دو خازن هموار کننده، معمولاً با مقدار یکسان و یک چوک یا سلف در دو سر آنها تشکیل شده است تا یک مسیر با امپدانس بالا به مولفه موج دار متناوب ارائه دهد.

محاسبه ولتاژ خروجی پل دیود

یکی دیگر از گزینه های عملی تر و ارزان تر، استفاده از یک آی سی تنظیم کننده ولتاژ 3 ترمینال خارج از قفسه است، مانند LM78xx (بطوریکه “xx” به معنی رتبه ولتاژ خروجی است) برای ولتاژ خروجی مثبت یا معادل معکوس آن LM79xx برای یک ولتاژ خروجی منفی که می تواند موج دار شدن را بیش از  70dB( دفترچه اطلاعات) کاهش دهد در حالی که جریان خروجی ثابت بیش از 1 آمپر را تحویل می‌دهد.

چرا امروز دانش خود را در مورد مدارهای یکسوساز موج کامل با استفاده از ابزار شبیه ساز Partsim آزمایش نمی کنید. مقادیر مختلف خازن هموار ساز و مقاومت بار را در مدار خود امتحان کنید تا تأثیرات آن را بر روی شکل موج خروجی مشاهده کنید. در آموزش بعدی در مورد دیودها، ما به دیود زنر نگاه خواهیم کرد که از ویژگی ولتاژ شکست معکوس خود برای تولید ولتاژ خروجی ثابت در دوسر خود بهره می برد.