آموزش یکسو کننده نیم موج (Half-Wave Rectifier)
یکسوکننده نیمموج
بیشتر سیستمهای الکترونیکی مانند تلویزیونها، سیستمهای صوتی و رایانهها برای عملکرد صحیح به ولتاژ DC نیاز دارند. از آنجا که ولتاژ برق شهری بهصورت متناوب (AC) است، لازم است آن را به ولتاژ DC نسبتاً ثابت تبدیل کنیم. مداری که ولتاژ متناوب (AC) را به ولتاژ مستقیم و پیوسته (DC) تبدیل میکند، یکسوکننده (Rectifier) نام دارد.
همانطور که میدانید، دیود تنها در یک جهت — از آند به کاتد — اجازه عبور جریان را میدهد. این ویژگی باعث میشود دیودها گزینهای ایدهآل برای فرآیند یکسوسازی (Rectification) باشند.
دیودها را میتوان به شکلهای مختلفی به هم متصل کرد تا انواع گوناگونی از مدارهای یکسوکننده مانند «نیمموج»، «تمامموج» یا «پل (Bridge)» ساخته شوند. سادهترین نوع این مدارها، یکسوکننده نیمموج (Half-Wave Rectifier) است.
مقالات مشابه:
- آموزش مدار یکسو ساز تمام موج (Full-Wave Rectifier)
- ساخت مدار یکسو ساز تمام موج پل (Full-Wave Bridge Rectifier)
یکسو کننده نیم موج
شکل زیر مدار یکسوکننده نیمموج را نشان میدهد.
زمانی که یک ولتاژ متناوب به دیود اعمال میشود، در نیمچرخه مثبت منبع ولتاژ، دیود در بایاس مستقیم قرار میگیرد. در این حالت، دیود مانند یک کلید بسته عمل کرده و نیمچرخه مثبت ولتاژ منبع در دو سر مقاومت بار ظاهر میشود.
در نیمچرخه منفی، دیود در بایاس معکوس قرار دارد. در این وضعیت، دیود مانند یک کلید باز عمل کرده و هیچ ولتاژی در دو سر مقاومت بار ظاهر نمیشود.
در مدار یکسوکننده نیمموج، دیود تنها در نیمچرخههای مثبت جریان را عبور میدهد و در نیمچرخههای منفی هدایت نمیکند. به همین دلیل، نیمچرخههای منفی سیگنال حذف میشوند. چنین شکل موجی را سیگنال نیمموج (Half-Wave Signal) مینامند.
اگر جهت دیود را برعکس کنیم، در زمان منفی شدن ولتاژ ورودی، دیود در بایاس مستقیم قرار گرفته و پالسهای خروجی منفی ایجاد میشوند.
ولتاژ نیمموج حاصل، جریانی در بار تولید میکند که فقط در یک جهت جریان دارد و باعث میشود مدار تکسویه (Unidirectional) عمل کند.
مقدار DC در سیگنال نیمموج
مقدار DC در یک سیگنال نیمموج برابر با میانگین ولتاژ آن است.
مقدار میانگین سیگنال در طول یک سیکل با استفاده از فرمول زیر محاسبه میشود:
این معادله نشان میدهد که مقدار DC در سیگنال نیمموج حدود 31.8 درصد مقدار پیک آن است. برای مثال، اگر ولتاژ پیک سیگنال نیمموج 10 ولت باشد، ولتاژ DC آن 3.18 ولت خواهد بود.
تقریب مرتبه دوم (Second-order Approximation)
در عمل، ولتاژ نیمموجی که در دو سر مقاومت بار بهدست میآید، کاملاً ایدهآل نیست.
به دلیل وجود ولتاژ سد پتانسیل (Barrier Potential)، دیود تا زمانی که ولتاژ منبع به حدود 0.7 ولت نرسد، روشن نمیشود. بنابراین، ولتاژ خروجی حدود 0.7 ولت کمتر از مقدار پیک ولتاژ منبع خواهد بود.
برای مثال، اگر ولتاژ پیک منبع 10 ولت باشد، ولتاژ پیک دو سر بار تنها 9.3 ولت خواهد بود.
در نتیجه، فرمول دقیقتر برای محاسبه مقدار DC در سیگنال نیمموج بهصورت زیر بیان میشود:
فرکانس خروجی
تغییرات شکل موج خروجی یکسو شده در نیمچرخههای مثبت و منفی، باعث ایجاد شکل موجی با مقدار زیادی ریپل (Ripple) یا نوسان میشود.
مقدار ریپل تولید شده، همان فرکانس ولتاژ ورودی AC را دارد. بنابراین میتوان نوشت:
فیلتر کردن خروجی یکسوکننده
خروجی حاصل از یکسوکننده نیمموج، یک ولتاژ DC پالسی است که از صفر تا مقدار ماکسیمم افزایش یافته و مجدداً تا صفر کاهش مییابد.
اما در کاربردهای عملی، ما به چنین ولتاژ ناپایداری نیاز نداریم. آنچه مورد نیاز است، یک ولتاژ DC پایدار و یکنواخت مانند ولتاژ خروجی باتری است که فاقد هرگونه نوسان یا ریپل باشد.
برای دستیابی به چنین ولتاژی، لازم است سیگنال نیمموج را فیلتر (Filter) کنیم. یکی از روشهای متداول برای این کار، اتصال یک خازن صافکننده (Smoothing Capacitor) در دو سر مقاومت بار است.
در ابتدا خازن بدون بار است. در ربع اول سیکل، دیود در بایاس مستقیم قرار دارد و خازن شروع به شارژ شدن میکند. این فرایند تا زمانی ادامه دارد که ولتاژ ورودی به مقدار پیک خود برسد. در این لحظه، ولتاژ دو سر خازن برابر با Vp خواهد بود.
پس از رسیدن ولتاژ ورودی به مقدار پیک، ولتاژ ورودی شروع به کاهش میکند. در همان لحظه که ولتاژ ورودی کمتر از Vp میشود، ولتاژ دو سر خازن از ولتاژ ورودی بیشتر شده و دیود قطع میگردد.
با خاموش شدن دیود، خازن از طریق مقاومت بار تخلیه شده و جریان بار را تا زمان رسیدن به پیک بعدی تأمین میکند.
در هنگام رسیدن پیک بعدی، دیود برای مدت کوتاهی رسانا میشود و خازن دوباره تا مقدار پیک شارژ میگردد.
محدودیتها
اگر مقدار مقاومت بار کوچک باشد، جریان زیادی از بار عبور کرده و خازن سریعتر تخلیه میشود. این امر به دلیل ثابت زمانی RC، موجب افزایش ریپل در ولتاژ خروجی میشود.
تا زمانی که ثابت زمانی RC بسیار بزرگتر از دوره تناوب سیگنال باشد، خازن تقریباً بهطور کامل شارژ باقی میماند و خروجی تقریباً ولتاژ DC ایدهآل خواهد بود. برای دستیابی به این حالت، باید از خازنی با ظرفیت بالا استفاده کرد؛ اما افزایش ظرفیت خازن از نظر هزینه و اندازه عملی نیست.
همچنین، در نیمچرخه منفی هیچ خروجی تولید نمیشود و در نتیجه نیمی از توان تلف میشود که باعث کاهش دامنه خروجی خواهد شد.
به دلیل این معایب عمده، مدارهای یکسوکننده نیمموج بهندرت مورد استفاده قرار میگیرند. در عمل، استفاده از یکسوکننده تمامموج (Full-Wave Rectifier) که در آموزش بعدی بررسی میشود، بسیار کاربردیتر و مؤثرتر است.
