آموزش مدار یکسو ساز تمام موج (Full-Wave Rectifier)

اگرچه یکسوساز نیم‌ موج در برخی کاربردهای کم‌مصرف مانند آشکارساز سیگنال و آشکارساز قله استفاده می‌شود، اما در حوزه یکسوسازی توان، کاربرد چندانی ندارد. پرکاربردترین نوع یکسوساز در این زمینه، یکسوساز تمام‌موج (Full-Wave Rectifier) است.

مقاله مشابه:

• آموزش یکسو کننده نیم‌ موج (Half-Wave Rectifier)
• ساخت مدار یکسو ساز تمام موج پل (Full-Wave Bridge Rectifier)

یکسوساز تمام‌موج نسبت به نوع نیم‌موج ساختار پیچیده‌تری دارد، اما مزایای چشمگیری ارائه می‌دهد. این مدار از هر دو نیم‌چرخه موج سینوسی استفاده می‌کند و در نتیجه، ولتاژ خروجی DC آن از نوع نیم‌موج بیشتر است. یکی دیگر از مزایای آن، کاهش چشمگیر ریپل‌های خروجی است که موجب می‌شود دستیابی به یک شکل موج صاف‌تر و پایدارتر بسیار آسان‌تر باشد.

ساختار یکسوساز تمام‌موج

برای یکسوسازی هر دو نیم‌چرخه موج سینوسی، یکسوساز تمام‌موج از دو دیود استفاده می‌کند؛ هر دیود برای یک نیم‌چرخه. همچنین، در این مدار از ترانسفورماتوری با سیم‌پیچ ثانویه دارای نقطه میانی (Center-Tapped Transformer) بهره گرفته می‌شود.

این مدار را می‌توان مانند دو یکسوساز نیم‌موج در نظر گرفت که پشت به پشت به هم متصل شده‌اند. در تصویر مربوطه، شماتیک مدار یکسوساز تمام‌موج نشان داده می‌شود.

عملکرد مدار را می‌توان به‌صورت مجزا در هر نیم‌چرخه توضیح داد:

در نیم‌چرخه مثبت، نقطه A نسبت به نقطه C دارای پتانسیل مثبت است. در این حالت، دیود D1 بایاس مستقیم و دیود D2 بایاس معکوس می‌شود. بنابراین، فقط نیمه بالایی سیم‌پیچ ثانویه ترانسفورماتور جریان را عبور می‌دهد و در نتیجه، ولتاژ بار به‌صورت مثبت ظاهر می‌شود.

در نیم‌چرخه بعدی (نیم‌چرخه منفی)، قطبیت ولتاژ منبع تغییر می‌کند؛ در این زمان نقطه B نسبت به نقطه C مثبت می‌شود. در این وضعیت، دیود D2 بایاس مستقیم و D1 بایاس معکوس خواهد بود. در نتیجه، این بار نیمه دیگر سیم‌پیچ ثانویه جریان را عبور می‌دهد و مجدداً ولتاژ مثبت در دو سر مقاومت بار تولید می‌شود.

در نتیجه، جریان بار در هر دو نیم‌چرخه عبور می‌کند و شکل موج خروجی به‌صورت تمام‌ موج (Full-Wave) ظاهر می‌شود.

مقدار DC در سیگنال تمام‌ موج

از آنجایی که یکسوساز تمام‌موج در هر دو نیم‌چرخه خروجی تولید می‌کند، تعداد سیکل‌های مثبت آن دو برابر سیگنال نیم‌موج است. به همین دلیل، مقدار متوسط یا DC آن نیز دو برابر مقدار نیم‌موج خواهد بود.

می‌توان مقدار متوسط ولتاژ در یک دوره را با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد:

این رابطه نشان می‌دهد که مقدار DC در سیگنال تمام‌موج حدود 63.6٪ از مقدار پیک ولتاژ است. برای مثال، اگر ولتاژ پیک سیگنال تمام‌موج برابر با 10 ولت باشد، ولتاژ DC آن حدود 6.36 ولت خواهد بود.

تقریب مرتبه دوم (Second-order Approximation)

در واقعیت، ما هیچ‌گاه ولتاژ خروجی کاملاً ایده‌آل و تمام‌موج در دو سر مقاومت بار دریافت نمی‌کنیم. به دلیل وجود ولتاژ سد پتانسیل (Barrier Potential)، دیود تا زمانی که ولتاژ منبع به حدود 0.7 ولت نرسد، هدایت نمی‌کند. بنابراین، ولتاژ خروجی واقعی همیشه به‌اندازه‌ی حدود 0.7 ولت کمتر از مقدار پیک ایده‌آل خواهد بود.

فرکانس خروجی

در یکسوساز تمام‌موج، نیم‌چرخه‌های منفی سیگنال ورودی وارونه می‌شوند و به نیم‌چرخه‌های مثبت تبدیل می‌گردند. در نتیجه، تعداد نیم‌چرخه‌های مثبت در خروجی دو برابر مقدار ورودی خواهد بود. به همین دلیل، فرکانس سیگنال خروجی در یکسوساز تمام‌موج دو برابر فرکانس ورودی است.

برای مثال، اگر فرکانس برق شهری 60 هرتز باشد، فرکانس خروجی مدار یکسوساز تمام‌موج 120 هرتز خواهد بود.

فیلتر کردن خروجی یکسوساز

ولتاژی که از یکسوساز تمام‌موج به دست می‌آید، یک ولتاژ DC ضربانی (Pulsating DC) است؛ ولتاژی که از صفر تا مقدار ماکزیمم نوسان دارد و دوباره کاهش می‌یابد.

اما در عمل، ما به چنین ولتاژ ناپایداری نیاز نداریم. آنچه مورد نیاز مدارهای الکترونیکی است، یک ولتاژ DC یکنواخت و ثابت شبیه به خروجی باتری است که فاقد هرگونه نوسان یا ریپل باشد.

برای دستیابی به این نوع ولتاژ، باید خروجی یکسوساز را فیلتر کرد. یکی از رایج‌ترین روش‌ها، استفاده از خازن صافی (Smoothing Capacitor) است که به‌صورت موازی با مقاومت بار متصل می‌شود.

در ابتدای کار، خازن بدون شارژ است. در طول اولین ربع از چرخه، دیود D1 بایاس مستقیم می‌شود و خازن شروع به شارژ شدن می‌کند. این فرآیند تا زمانی ادامه دارد که ولتاژ ورودی به مقدار پیک خود برسد. در این لحظه، ولتاژ خازن برابر با Vp می‌شود.

پس از رسیدن ولتاژ ورودی به پیک، مقدار آن کاهش می‌یابد. به محض این‌که ولتاژ ورودی از ولتاژ خازن کمتر شود، دیود خاموش می‌شود. در این مرحله، خازن از طریق مقاومت بار دشارژ شده و جریان بار را تأمین می‌کند تا زمانی که نیم‌چرخه بعدی آغاز گردد.

در هنگام رسیدن پیک بعدی، دیود D2 برای مدت کوتاهی هدایت می‌کند و خازن را مجدداً تا مقدار پیک شارژ می‌نماید. نتیجه این فرآیند، یک سیگنال خروجی صاف‌تر و فیلترشده است که ریپل بسیار کمی دارد.

معایب

یکی از معایب اصلی طراحی یکسوساز تمام‌موج با ترانسفورماتور دارای نقطه میانی (Center-Tapped Transformer)، نیاز به چنین ترانسفورماتوری است. در کاربردهای توان بالا، هزینه و ابعاد این نوع ترانسفورماتورها به‌طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. به همین دلیل، این نوع طراحی معمولاً فقط در مدارهای کم‌مصرف مورد استفاده قرار می‌گیرد.

عیب دیگر این است که به‌دلیل وجود نقطه میانی، تنها نیمی از ولتاژ ثانویه ترانسفورماتور برای یکسوسازی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

برای رفع این محدودیت‌ها، از مدار دیگری به نام یکسوساز تمام‌موج پل (Full-Wave Bridge Rectifier) استفاده می‌شود که با اتصال چهار دیود به‌صورت پیکربندی «پل»، عملکردی مشابه اما کارآمدتر ارائه می‌دهد؛ موضوعی که در آموزش بعدی به‌طور کامل بررسی خواهد شد.