دیودهای قدرت، نیمه رساناهای پیوند PN هستند که قادر به عبور جریان های بزرگ در مقادیر ولتاژ بالا برای استفاده در مدارهای یکسو کننده هستند.

یکسو کننده الکترونیکی

در آموزش های قبلی دیدیم که یک دیود سیگنال نیمه رسانا جریان را تنها در یک جهت از آند خود به کاتد خود (جهت مستقیم)  اما نه در جهت معکوس عبور می دهد و کمی شبیه به یک شیر تک مسیر الکتریکی  عمل می کند. در کل کاربرد بسیار گسترده این ویژگی و دیودها در تبدیل این ولتاژ متناوب (AC) به یک ولتاژ پیوسته (DC) است. در بیان دیگر یکسو سازی است.

اما دیودهای سیگنال کوچک همچنین می توانند به عنوان یکسو کننده در یکسو کننده ها یا کاربردهای کم توان، جریان پایین (کمتر از 1 آمپر) استفاده شوند، اما در مواردی که جریان های بایاس مستقیم بزرگتر یا ولتاژهای مسدود کننده بایاس معکوس بالاتر مشمول شوند پیوند PN یک دیود سیگنال کوچک در نهایت بیش از حد گرم می شود و ذوب می شود و به جای آن از دیودهای توان استفاده می شود.

دیودهای قدرت و یکسو کننده ها

دیود نیمه رسانا توان، شناخته شده به عنوان دیود توان، دارای مساحت پیوند PN بسیار بزرگتر در مقایسه با همتای دیود سیگنال کوچکتر خود است که منجر به یک قابلیت جریان مستقیم بالا تا بالای چند صد آمپر (KA) و ولتاژ مسدود کننده بالای چند صد ولت (KV) می شود.

از آنجا که دیود توان دارای پیوند PN بزرگ است، برای کاربردهایی با فرکانس بالاتر از 1 مگاهرتز مناسب نیست، اما دیودهای با فرکانس بالا ویژه و  جریان بالای گران قیمت در دسترس هستند. برای کاربردهای یکسوساز با فرکانس بالا، دیودهای Schottky معمولاً به دلیل کوتاه بودن زمان بازیابی معکوس و افت ولتاژ پایین در وضعیت بایاس، مستقیم مورد استفاده قرار می گیرند.

دیودهای توان یکسوسازی کنترل نشده توان را مهیا می کنند و در کاربردهایی مانند شارژ باتری و تغذیه های توان DC همانند یکسو کننده های AC و معکوس کننده ها بکار می روند. به دلیل جریان بالای و ویژگی های ولتاژ خود، آنها همچنین می توانند به عنوان دیودهای free-wheeling و شبکه های اسنابر   بکار روند.

دیودهای توان برای داشتن مقاومت ” روشن” مستقیم کسری از اهم  طراحی شده اند درحالی که مقاومت مسدودکننده معکوس آنها در محدوده مگا اهم است. بعضی از مقادیر بالاتر دیودهای توان برای ” سوار شدن ” بر روی هیت سینک ها طراحی شده اند که مقاومت گرمایی آنها را بین 1/0 تا 1 درجه سانتی گراد  بر وات کاهش می دهد.

اگر یک ولتاژ متناوب بر دو سر دیود توان نصب شود، در طول نصف سیکل مثبت دیود هدایت خواهد کرد و جریان را عبور می دهد  و در طول نصف سیکل منفی دیود هدایت نخواهد کرد و شارش جریان را مسدود خواهد کرد. سپس هدایت درون دیود توان تنها در طول نصف سیکل مثبت اتفاق می افتد و در نتیجه همانطور که نشان داده شده است یک طرفه است.

یکسوساز دیود توان

دیودهای توان می توانند بصورت مستقل مانند فوق یا بصورت متصل به یکدیگر برای تولید یک محدوده ای از مدارهای یکسوساز مانند ” نیم موج”، ” موج کامل”  یا به عنوان ” یکسوساز های پل” بکار روند. هر نوع مدار یکسوساز می تواند به عنوان کنترل نشده، نیم کنترل شده یا کاملا کنترل شده طبقه بندی شوند بطوریکه یک یکسوساز کنترل نشده تنها دیودهای توان را بکار می گیرد، یکسوساز کاملا کنترل شده تریستورها (SCR) را بکار می گیرد و یکسوساز نیم کنترل شده مخلوطی از هر دو دیودها و تریستورها است.

دیود توان مستقل بسیار پرکاربرد برای کاربردهای الکترونیکی پایه، دیود یکسو کننده نوع شیشه منفعل1N400x  با محدوده های استاندارد جریان یکسو شده مستقیم پیوسته حدود 1 آمپر  و محدوده ولتاژ مسدود کننده معکوس از 5 ولت برای 1N4001 تا بالای 1000 ولت برای 1N4007 است، بطوریکه 1N4007GP کوچک برای یکسو سازی ولتاژ اصلی  بسیار معروف است.

یکسوسازی نیم موج

یک یکسو کننده  مداری است که جریان متناوب (AC) توان ورودی را به یک توان خروجی  جریان مستقیم (DC) تبدیل می کند. تغذیه توان ورودی ممکن است هم یک تغذیه تک فاز یا یک تغذیه چند فاز باشد، بطوریکه ساده ترین مدارهای یکسوساز همان یکسوساز نیم موج است.

دیود توان  در یک مدار یکسوساز  نیم موج تنها نصف هر موج سینوسی کامل منبع تغذیه AC را برای تبدیل به یک منبع تغذیه DC عبور می دهد. سپس این نوع مدار یک یکسو ساز ” نیم موج” نامیده می شود زیرا آن تنها نصف تغدیه توان AC ورودی را همانطور که نشان داده شده است عبور می دهد.

مدار یکسوساز نیم موج

در طول هر  نصف سیکل ” مثبت” از موج سینوسی AC، دیود بایاس مستقیم است بطوریکه آند با توجه به کاتد مثبت است که این منجر به شارش جریان درون دیود می شود.

پاز آنجا که بار DC مقاومتی است ( مقاومت R )، شارش جریان در مقاومت بار  درنتیجه متناسب با ولتاژ است ( قانون اهم)، که یعنی ولتاژ “DC” دو سر بار برای اولین نصف سیکل سینوسی است در نتیجه Vout=Vs .

در طول هر نیم سیکل “منفی” شکل موج ورودی سینوسی AC ، دیود بایاس معکوس می شود زیرا آند نسبت به کاتد منفی است. بنابراین، هیچ جریانی درون دیود یا مدار جاری نمی شود. سپس در نصف سیکل منفی تغذیه، جریانی در بار مقاومتی جاری نمی شود و در نتیجه ولتاژی در دو سر آن ظاهر نمی شود و در نتیجه Vout=0 است.

جریان در سمت DC مدار در یک جهت جاری می شود و مدار را بصورت تک جهته تبدیل می کند. همانطور که مقاومت بار از دیود نصف مثبت شکل موج ، صفر ولت ، نیمه مثبت شکل موج ، صفر ولت و غیره را دریافت می کند ، مقدار این ولتاژ نامنظم از نظر ارزش برابر با ولتاژ DC معادل 0.318*V_max، شکل موج سینوسی ورودی یا  0.45*V_rms شکل موج سینوسی ورودی خواهد بود.

یکسوسازی ولتاژ

سپس ولتاژ DC  معادل، V_DCدر دوسر مقاومت بار بصورت زیر محاسبه می شود:

VDC و جریان I_DC جاری درون یک مقاومت 100 اهم متصل به یک یکسوساز نیم موج تک فاز 240Vrms است که در فوق نشان داده شده است. همچنین توان DC مصرف شده توسط بار را محاسبه کنید.

در طول فرایند یکسوسازی ولتاژ DC خروجی حاصل و جریان درنتیجه هر دو در طول هر سیکل  ” روشن” و ” خاموش”  هستند. از آنجا که ولتاژ دو سر مقاومت بار تنها در طول نصف سیکل مثبت ظاهر می شود ( 50 درصد شکل موج ورودی)، این در مقدار DC متوسط پایین که بار را تغذیه می کند حاصل می شود.

تغییرات شکل موج خروجی یکسو شده بین این وضعیت ” روشن” و ” خاموش” یک شکل موجی تولید می کند که دارای مقادیر بزرگ ” نوسان” است که یک ویژگی نامطلوب است. موج DC حاصل دارای یک فرکانسی است که معادل با فرکانس تغذیه AC است.

که این هنگام یکسوسازی ولتاژ متناوب که می خواهیم یک ولتاژ DC پیوسته ” پایدار” آزاد از هر تغییرات ولتاژ یا نوسان تولید کنیم بسیار رایج است. یک روش انجام این اتصال یک خازن مقدار بزرگ بر دو سر ترمینال های ولتاژ خروجی بصورت موازی با مقاومت بار همانطور که در زیر نشان داده شده است، می باشد. این نوع خازن عموما بصورت یک ” ذخیره کننده” یا خازن هموار کننده شناخته می شود.

یکسوساز نیم موج با خازن هموار کننده

هنگامی که یکسوسازی برای مهیا کردن یک تغذیه توان  ولتاژ مستقیم (DC) از یک منبع جریان متناوب (AC) بکار می رود، مقدار ولتاژ نوسان می تواند بیشتر با اسفاده از خازن های مقدار بزرگ کاهش یابد اما محدودیت هایی در سایز و هزینه در خازن های هموار کننده بکار رفته وجود دارد.

برای یک مقدار خازن مشخص، جریان بار بیشتر (مقاومت بار کوچکتر) خازن را با سرعت بیشتری تخلیه می کند (RC ثابت زمانی) و بنابراین نوسان موج بدست آمده را افزایش می دهد. سپس برای تک فاز، مدار یکسو کننده نیمه موج با استفاده از یک دیود توان، تلاش برای کاهش ولتاژ موج دار فقط با خازن هموار ساز بسیار عملی نیست. در این حالت استفاده از “یکوساز موج کامل” به جای آن عملی تر خواهد بود.

در عمل، اغلب از یکسوساز نیم موج به دلیل معایب عمده آنها در کاربردهایی با توان پایین استفاده می شود. دامنه خروجی از دامنه ورودی کمتر است، در نیم سیکل منفی هیچ خروجی وجود ندارد بنابراین نیمی از توان تلف می شود و خروجی پالس DC می شود و منجر به نوسان بیش از حد می شود.

برای غلبه بر این معایب، تعدادی دیود توان به هم متصل شده و یک یکسو کننده موج کامل را تولید می کند که در آموزش بعدی بحث شده است.