یکسوسازی چیست؟ + مدارهای یکسو کننده تک فاز تا چند فاز

در این آموزش به بررسی مدارهای یکسو کننده خواهیم پرداخت، اکنون به محبوب ترین کاربرد دیود رسیده ایم یعنی یکسوسازی و یکسوسازها. اول از همه به سوال مهم یکسوسازی چیست؟ جواب دهیم. یکسوسازی، تبدیل جریان متناوب (AC) به جریان مستقیم (DC) است. و شامل دستگاهی است که فقط جریان یک طرفه الکتریکی را امکان پذیر می کند. همانطور که مشاهده کردیم این دقیقاً همان کاری است که یک دیود نیمه هادی انجام می‌دهد. ساده ترین نوع مدار یکسوساز، یکسو کننده نیم موج است. دراین مدار تنها به نیمی از شکل موج AC اجازه داده می شود تا از بار عبور کند.

مدار یکسوکننده نیم موج

یکسو کننده نیم موج

برای اکثر کاربرد های مدار های قدرت، مدار یکسوکننده نیم موج برای انجام کار کافی نیست. محتوای هارمونیکی شکل موج خروجی یکسو کننده نیم موج بسیار بزرگ است و در نتیجه فیلتر کردن آن دشوار است. علاوه بر این، منبع تغذیه AC تنها در هر سیکل کامل نیمی از بار را تامین میکند، به این معنی که نیمی از ظرفیت آن بلااستفاده است. با این حال، یکسوکننده نیم موج یک روش بسیار ساده برای کاهش قدرت رسیده به یک بار مقاومتی است. برخی از سوئیچ های دیمر لامپ دو حالته همه‌ی توان AC را به رشته های لامپ برای روشنایی کامل اعمال می کند و سپس نیم موج آن را برای نورخروجی کمتر یکسو می کند.

کاربرد یکسو کننده نیم موج: دو سطح لامپ دیمر

در موقعیت Dim سوییچ، لامپ رشته ای تقریباً نیمی از نیرویی را که معمولاً در AC استفاده می کند، دریافت می کند. از آنجا که نیروی یکسو کننده نیمه موج بسیار سریعتر از آنکه فیلامان (رشته ها) زمان گرم شدن و خنک شدن داشته باشد، پالس می کند لامپ چشمک نمی‌زند. در عوض، رشته آن صرفاً با دمای کمتری نسبت به حالت عادی کار می‌کند و نور خروجی کمتری تولید می‌کند. این اصل “پالس کردن” سریع انرژی ، در حال بارگیری با سرعت کم برای کنترل انرژی الکتریکی ارسال شده به آن در دنیای الکترونیک صنعتی رایج است. از آنجا که دستگاه کنترل دیود، در این حالت یا در هر زمان معین کاملاً رسانا یا کاملاً غیر رسانا است، ضمن کنترل انرژی بار، انرژی گرمایی کمی را اسراف می کند، و این روش کنترل انرژی را کارامد تر می کند. این مدار شاید بد ترین روش ممکن برای پالس کردن فشار به یک بار باشد، اما به عنوان کاربرد اثبات مفهوم کافی است.

یکسو کننده های تمام موج

اگر بخواهیم تاهمه‌ی قدرت و توان AC  را بطور کامل یکسو کنیم، باید از هر دو نیم سیکل موج سینوسی استفاده کنیم. برای این منظور، از یک مدار مختلف یکسو کننده استفاده می‌کنیم. چنین مداری را یکسوساز تمام موج می نامند. یک نوع یکسو کننده تمام موج به نام اتصال میانی (یا با ترانس سر وسط) از یک ترانسفورماتور با سیم پیچ ثانویه میانی و دو دیود مانند شکل زیر تشکیل شده است.

یکسو کننده تمام موج با ترانس سر وسط

نیم سیکل مثبت

عملکرد این مدار نیم سیکل را براحتی میتوان درک کرد. نیم سیکل اول را در نظر بگیرید ، هنگامی که قطب مثبت منبع ولتاژ (+) در بالا و منفی (-) در پایین است در این زمان ، فقط دیود بالا عمل می کند. دیود پایین جریان را مسدود می کند، و بار “نیمه اول” موج سینوسی را می بیند، مثبت در بالا و منفی در پایین. فقط نیمه بالایی از سیم پیچ های ثانویه ترانسفورماتور در طول این نیم سیکل مانند شکل زیر جریان دارد.

یکسو ساز تمام موج اتصال میانی: نیمه بالای سیم پیچ های ثانویه ، نیم سیکل مثبت ورودی را هدایت می کند و باعث تحویل نیم سیکل مثبت برای بارگیری می شود.

نیم سیکل منفی

در نیم سیکل بعدی ، پلاریته AC  برعکس می شود. اکنون، دیود دیگر و نیمه دیگر سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور جریان را عبور می دهد در حالی که بخش هایی از مدار قبلاً جریان را در طی نیم سیکل قبلی عبور داده بود، بار هنوز نیمی از موج سینوسی را می بیند، با همان پلاریته قبلی، مثبت در بالا و منفی در پایین.

یکسو ساز تمام موج اتصال میانی: در ورودی منفی نیم سیکل، نیمی از سیم پیچ ثانویه عمل هدایت را انجام می دهد و باعث تحویل نیم سیکل مثبت برای بارگیری می شود.

معایب طراحی یکسوکننده تمام موج با ترانس سر وسط

یکی از معایب طراحی یکسوکننده تمام موج، لزوم وجود ترانسفورماتور با سیم پیچ ثانویه میانی است. اگر مدار مورد نظر توان بالا باشد، اندازه و هزینه ترانسفورماتور مناسب، قابل توجه است. در نتیجه،  طراحی یکسوکننده مرکزی فقط در توان پایین کاربرد دارد.

پلاریته یکسوسازتمام موج اتصال میانی در بار ممکن است با تغییر جهت دیودها معکوس شود. علاوه بر این ، دیودهای معکوس را می توان با یکسو کننده خروجی مثبت موجود موازی کرد. نتیجه ، یکسو کننده تمام موج دوقطبی اتصال میانی در شکل زیر است. توجه داشته باشید که اتصال دیودها به خودی خود مشابه همان ساختار مدار پل است.

یکسوکننده تمام موج با ترانس سر وسط و پلاریته دو گانه

یکسوساز تمام موج پل

یکی دیگر از طرح های یکسو کننده تمام موج وجود دارد که از یک پل چهار دیودی ساخته شده است. به دلایل واضح ، این طرح یک پل تمام موج نامیده می شود.

  یکسو کننده پل تمام موج

دستورالعمل های فعلی برای مدار یکسو کننده پل تمام موج همانطور که در شکل زیر برای نیم سیکل مثبت نشان داده شده است و شکل زیر برای نیم سیکل منفی شکل موج منبع AC است. توجه داشته باشید که صرف نظر از پلاریته ورودی، جریان در همان جهت از طریق بار هدایت میشود. یعنی نیمه سیکل منفی منبع، یک سیکل نیمه مثبت در بار است. جریان فعلی از طریق دو دیود به صورت سری برای هر دو پلاریته است.

بنابراین ، دو قطر دیود از ولتاژ (0.7*2=1.4 ولت برای دیود های سیلیسیوم) منبع ولت در دیودها از دست می روند. این یک نقطه ضعف است در مقایسه با یک طرح موج کامل با ترانس سر وسط. این نقطه ضعف فقط در منابع تغذیه ولتاژ بسیار کم مشکل ایجاد می کند.

یکسو کننده پل تمام موج: جریان فعلی برای نیم چرخه های مثبت.

یکسو کننده پل تمام موج: جریان فعلی برای نیم چرخه های منفی.

نمودار مدار جایگزین یکسوکننده پل تمام موج

به یاد آوردن چیدمان مناسب دیودها در یک مدار یکسو کننده پل تمام موج می تواند برای دانشجوی جدید الکترونیک دلسرد کننده باشد. من فهمیدم که بازنمایی جایگزین این مدار هم برای به خاطر سپردن و هم درک کردن راحت تر است. این دقیقآً همان مدار است، همه دیودها در یک حالت افقی ترسیم شده و همه “جهت” را نشان می دهند.

روش طرح جایگزین برای یکسو کننده پل تمام موج

نسخه چند فازی با استفاده از طرح بندی جایگزین

یکی از مزایای به یاد آوردن این طرح برای مدار یکسو کننده پل این است که به راحتی در شکل زیر به یک نسخه چند فاز گسترش می یابد.

مدار یکسو کننده پل سه فاز کامل. هر خط سه فاز بین دو دیود متصل می شود: یکی برای انتقال نیرو به سمت مثبت (+) بار و دیگری برای انتقال نیرو به سمت منفی (-) بار.

سیستم های چند فازی با بیش از سه فاز به راحتی در یک طرح یکسو کننده پل قرار می گیرند. به عنوان مثال مدار یکسو کننده پل شش فاز را در شکل زیر در نظر بگیرید.

مدار یکسو کننده پل تمام موج شش فاز

هنگامی که AC  چند فاز یکسو شود، پالسهای تغییر یافته فاز بر یکدیگر همپوشانی دارند و یک خروجی DC که نسبت به AC تک فاز یکسو شده بسیار صاف می باشد (نوسان کمتری دارد) را تولید میکند. این یک مزیت در نظر گرفته شده در مدارهای یکسو کننده توان بالا است. نمودار شکل زیر یکسو ساز تمام موج  AC سه فاز را نشان می دهد.

خروجی یکسو کننده سه فاز AC و 3 فاز تمام موج

ریپل ولتاژ

در هر نوع از یکسو سازی، تک فاز یا چند فاز، مقدار ولتاژ AC ترکیب شده با خروجی DC یکسو سازی شده ریپل ولتاژ گفته می‌شود. در بیشتر موارد، از آنجا که DC “خالص” هدف مورد نظر است، ریپل ولتاژ نامطلوب است. اگر سطح قدرت خیلی زیاد نباشد ، ممکن است از فیلترها استفاده شود تا مقدار موج در ولتاژ خروجی کاهش یابد.

تک پالس ، دو پالس و واحدهای 6 پالس

بعضی اوقات ، شیوه یکسو سازی به شمارش تعداد “پالس” های خروجی DC برای هر 360 درجه “چرخش” الکتریکی ، ترجیح داده شود. از این رو ، یک مدار یکسو کننده نیم موج تکفاز، یک یکسوکننده تک پالس نامیده می شود، زیرا در طول یک چرخه کامل (360 درجه) شکل موج AC ، یک پالس واحد تولید می کند. یکسوساز تک فاز تمام موج (صرف نظر از طراحی، مرکزی یا پل) یک یکسوساز 2 پالس نامیده می شود زیرا در طول زمان چرخه AC، دو پالس DC تولید می کند. یک یکسو کننده تمام موج سه فاز را یک واحد 6 پالسی می نامند.

فازهای مدار یکسو کننده

کنوانسیون مهندسی برق مدرن بیشتر عملکرد یک مدار یکسو کننده را با استفاده از نماد سه زمینه ای از فازها، جهت ها و تعداد پالس ها توصیف می کند. یک مدار یکسو کننده نیم موج تک فاز، که به صورت اختصاری  Ph1W1P1 (1 فاز ، 1 جهت ، 1 پالس) نام گذاری شود، به آن معنی است که ولتاژ منبع تغذیه AC تک فاز است، جریان در هر فاز از خطوط منبع تغذیه فقط در یک جهت حرکت می کند و یک پالس DC برای هر  ˚ 360 چرخش الکتریکی تولید می‌شود.

• یک مدار یکسوکننده تمام موج تک فاز اتصال میانی با عنوان 1Ph1W2p در این سیستم نمادین به این صورت تفسیر می شود: تک فاز، جریان تک جهت در هر نیمه سیم پیچ، و دو پالس یا ولتاژ خروجی در هر چرخه.
• یکسو کننده تمام موج تک فاز پل دیودی، با عنوان Ph2W2P1  با همان تفسیر یکسو کننده اتصال میانی دارد، به جز جریان که می تواند به جای تک جهت، در هر دو جهت خطوط AC را طی کند.
• مدار یکسو کننده سه فاز پل دیودی نشان داده شده در ابتدا ، یکسو کننده Ph2W6P3 نامیده می شود.

آیا می توان پالس هایی بیش از دو برابر تعداد فاز های یک مدار یکسوساز را بدست آورد؟

پاسخ این سؤال بله است: بخصوص در مدارهای چند فاز. از طریق استفاده خلاقانه ترانسفورماتور، ممکن است  مجموعه ای از یکسو کننده های تمام موج به گونه ای موازی شوند که بیش از شش پالس DC برای سه فاز AC تولید شود. یک تغییر فاز ˚30 از اولیه به ثانویه ترانسفورماتور سه فاز زمانی ایجاد می شود که تنظیمات سیم پیچ از یک نوع نیست.

به عبارت دیگر ، ترانسفورماتور متصل به Y-Δ یا Δ-Y این تغییر فاز 30 درجه را نشان می دهد ، در حالی که یک ترانسفورماتور متصل به Y-Y یا Δ-Δدر این امر ناتوان است. این پدیده ممکن است با داشتن یک ترانسفورماتور متصل  Y-Y که  از یک یکسو کننده پل تغذیه می شود ، و یک ترانسفورماتور دیگر متصل به  Y-Δ که از  یک یکسوساز پل دوم را تغذیه کند بهره برداری شود ، سپس با موازی سازی هر دو یکسو کننده خروجی DC شکل میگرد. (شکل زیر)

از آنجایی که شکل موج ریپل ولتاژ خروجی دو یکسو کننده 30 درجه با یکدیگر اختلاف دارد، تاثیر آنها منجر به ریپل کمتر در خروجی یکسو کننده می شود که بطور جداگانه در نظر گرفته می شود: 12 پالس در هر ˚360 به جای فقط شش:

مدار یکسو ساز چند فاز:سه فاز دو جهت دوازده پالس(3Ph2W12P)

مرور مطالب مدارهای یکسو کننده

• یکسو کنندگی تبدیل جریان متناوب (AC) به جریان مستقیم (DC) است.
• یکسو کننده نیمه موج مداری است که اجازه میدهد تنها یک نیم سیکل از شکل موج ولتاژ AC را بر روی بار اعمال شود و در نتیجه یک پلاریته غیر متناوب در سراسر آن ایجاد می شود که DC قابل توجهی به بار تحویل داده می شود.
• یکسو کننده تمام موج مداری است که هر دو نیم سیکل از شکل موج ولتاژ AC را به یک سری پراکنده ولتاژ همان پلاریته تبدیل می کند و DC حاصل که به بار تحویل داده شده بر خلاف نیم موج ضربانی ندارد.
• AC چند فاز ، هنگام یکسو سازی ، یک شکل موج DC روانتر (ریپل ولتاژ کمتر) نسبت به AC تک فاز می دهد.

اگر علاقمند بودید حتما توصیه می‌کنم نگاهی به مقالات بخش مفاهیم پایه الکترونیک بیاندازید. و همچنین اگر به طراحی منابع تغذیه علاقمند هستید مقالات آموزش طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ زا هم مطالعه کنید.

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.