خانه » مفاهیم پایه الکترونیک » دیود » دیودهای قدرت و رکتیفایر
  1. خانه
  2. »
  3. مفاهیم پایه الکترونیک
  4. »
  5. دیود
  6. »
  7. دیودهای قدرت و رکتیفایر

دیودهای قدرت و رکتیفایر

بازدید: 281

فهرست مطالب

دیودهای قدرت نیمه هادی هایی با اتصال PN هستند که می‌توانند جریان زیادی را در ولتاژ بالا جهت استفاده در مدارهای یکسو کننده عبور دهند.

درمقاله دیود سیگنال مشاهده کردیم که دیود سیگنال نیمه‌رسانا تنها در یک جهت جریان را از آند به کاتد عبور می‌دهد (جهت روبه‌جلو یا forward)، اما در جهت عکس جریان را عبور نمی‌دهد و مانند یک شیر یک‌طرفه الکتریکی عمل می‌کند.

یکی از کاربردهای رایج این ویژگی و همه دیودها مربوط به تبدیل ولتاژ متناوب (AC) به ولتاژ پیوسته (DC) است، که عموماً به آن یکسوسازی گفته می‌شود.

اما دیودهای سیگنال کوچک را نیز می‌توان در کاربردهای جریان و توان پایین ( کمتر از 1 آمپر) به عنوان یکسوساز یا رکتیفایر استفاده کرد، اما وقتی مدارهای بایاس مستقیم (forward bias) بزرگتر یا ولتاژهای مسدودکننده بایاس معکوس بالاتری وجود داشته باشند، در نهایت اتصال PN یک دیود سیگنال کوچک بیش از حد گرم و ذوب می‌شوند لذا از دیودهای قدرت استفاده می‌شود .

دیود قدرت نیمه‌رسانا که به آن دیود قدرت هم گفته می‌شود، در مقایسه با دیود سیگنال کوچکتر دارای سطح اتصال PN بسیار بزرگتری است، که این منجر به قابلیت جریان رو به جلوی بالا تا چند صد آمپر (KA) و ولتاژ مسدودسازی معکوس تا چند هزار ولت (KV) می‌شود.

از آنجایی‌که دیود قدرت دارای اتصال PN بزرگی است، برای کاربردهای فرکانس بالای بیشتر از 1 مگاهرتز مناسب نیستند، اما دیودهای فرکانس بالا و جریان بالای ویژه و گران وجود دارند. برای کاربردهای یکسوساز فرکانس بالا معمولا از دیودهای شاتکی (Schottky) استفاده می‌شود زیرا در وضعیت بایاس مستقیم زمان بازیابی معکوس آنها کوتاه، و افت ولتاژ آنها پایین است.

دیودهای قدرت یکسوسازی کنترل نشدۀ قدرت را فراهم می‌سازند و در کاربردهایی نظیر شارژ باتری یا منبع برق DC و یکسوسازها و مبدل‌های AC استفاده می‌شوند. به علت ولتاژ و جریان بالایی که دارند می‌توان به عنوان دیودهای هرزگرد و شبکه‌های اسنابر (snubber) نیز از آنها استفاده کرد.

دیودهای قدرت طوری طراحی شده‌اند که یک مقاومت رو به جلوی «ON» به مقدار کسری از اهم دارند ولی مقاومت مسدودسازی معکوس آنها در بازه چند مگا اهم است. برخی از دیودهای قدرت با مقادیر بالاتر به صورت «stud mounted» یا پیچی روی هیت سینک ها (heatsinks) طراحی شده‌اند که مقاومت گرمایی را به 0.1 الی 1 درجه سانتیگراد/ وات کاهش می‌دهند.

اگر یک ولتاژ متناوب به دیود قدرت اعمال شود، در طول نیم‌سیکل مثبت، دیود جریان را عبور خواهد داد و در طول نیم‌سیکل منفی، دیود مانع عبور جریان نخواهد شد . بنابراین رسانش در دیود قدرت تنها در طول نیم سیکل مثبت اتفاق می‌افتد و به همین دلیل یک جهته یا DC است. این موضوع را در شکل زیر نشان داده‌ایم.

یکسوساز دیود قدرت

دیودهای قدرت را می‌توان به صورت جداگانه (مانند بالا) استفاده کرد و یا به هم وصل کرد و انواع مدارات یکسوساز نظیر تمام موج (Full Wave) یا نیم موج (Half Wave) و یا یکسوکننده‌های پل (Bridge Rectifiers) ایجاد کرد. هر کدام از انواع مدارهای یکسوکننده را می‌توان در دسته‌های غیرکنترل‌شده، نیمه‌کنترل‌شده یا کاملا کنترل‌شده قرار داد. یکسوسازهای غیرکنترل‌شده تنها از دیودهای قدرت استفاده می‌کنند؛ یکسوساز کاملا کنترل‌شده از تریستورها (SCR) و یکسوساز نیمه‌کنترل‌شده ترکیبی از دیودها و تریستورهاست.

رایج‌ترین دیود قدرت برای کاربردهای اولیه الکترونیک نوع Passive شیشه‌ای چندمنظوره سری 1N400x است که دیود را با نرخ جریان یکسوساز رو به جلوی پیوسته 1.0 آمپری و نرخ ولتاژ مسدودسازی معکوس 50 ولت برای 1N4001 تا 1000 ولت برای 1N4007 یکسوسازی می‌کند. 1N4007GP کوچک رایج‌ترین نوع برای یکسوسازی ولتاژ چندمنظوره است.

یکسوسازی نیم موج ( Half Wave )

یکسوساز یک مدار است که توان ورودی با جریان متناوب (AC) را به توان خروجی جریان مستقیم (DC) تبدیل می‌کند. منبع تغذیه ورودی یک منبع تک‌فاز یا چندفاز است. ساده‌ترین نوع مدار یکسوساز، یکسوساز نیم موج (Half Wave) است.

دیود قدرت در مدار یکسوساز نیم موج، تنها نصف یک موج سینوسی کامل از منبع AC را عبور می‌دهد تا آن را به یک منبع DC تبدیل کند. بنابراین این نوع مدار را یکسوساز «Half-wave» (یا نیم‌موج) می‌گویند زیرا تنها نصف منبع ولتاژ AC ورودی را عبور می‌دهد.

مدار یکسوساز نیم موج یا Half Wave

در طول هر نیم‌سیکل «مثبت» از موج سینوسی AC، دیود بایاس مستقیم (forward biased) است چرا که آند نسبت به کاتد مثبت است و این موضوع منجر به عبور جریان از دیود می‌شود.

از آنجایی‌که بار DC مقاومتی است (مقاومت، R)، لذا عبور جریان در مقاومت بار متناسب با ولتاژ است (قانون اهم)، و ولتاژ موجود در مقاومت بار با ولتاژ منبع یکی خواهد بود، Vs (منهای Vf)، یعنی ولتاژ DC در بار برای نیم‌ سیکل اول سینوسی است، و بنابراین Vout = Vs.

در طول هر نیم‌سیکل «منفی» از شکل موج ورودی سینوسی AC، دیود بایاس معکوس (reverse biased) است چون آند نسبت به کاتد منفی می‌باشد. بنابراین هیچ جریانی از دیود یا مدار عبور نمی‌کند. لذا در نیم‌سیکل منفی منبع هیچ جریانی در مقاومت بار عبور نمی‌کند چون هیچ ولتاژی در آن وجود ندارد، بنابراین Vout = 0.

جریان در سمت DC مدار تنها در یک جهت حرکت می‌کند، لذا مدار را تک جهته می‌کند. با توجه به اینکه مقاومت بار یک نیمه از شکل موج ، ولتاژهای صفر، نیمه مثبت شکل موج، ولتاژ‌های صفر و غیره را از دیود دریافت می‌کند، مقدار این ولتاژ غیرمنظم برابر با ولتاژ هم‌ارز DC  شکل موج سینوسی ورودی یا  شکل موج سینوسی ورودی خواهد بود.

بنابراین ولتاژ هم‌ارز DC، یا Vdc به صورت زیر محاسبه می‌شود:

که Vmax ماکزیمم یا پیک مقدار ولتاژ منبع سینوسی AC، و  مقدار RMS ولتاژ منبع است (ریشۀ میانگین مربع).

 

مثال اول از دیود قدرت

افت ولتاژ Vdc و جریان Idc در یک مقاومت 100 اهمی را محاسبه کنید که به یک یکسوساز نیم‌موج تک‌فاز 240Vrms متصل است. علاوه‌براین، میانگین توان DC مصرفی توسط بار را نیز محاسبه کنید.

در طول فرایند یکسوسازی، ولتاژ خروجی DC و جریان هر دو در طول همه چرخه‌ها «ON» و «OFF» هستند. با توجه به اینکه ولتاژ موجود در مقاومت بار تنها در طول نیمه مثبت چرخه وجود دارد (یعنی 50 درصد از شکل موج ورودی)، به همین خاطر میانگین مقدار DC کمی برای بار تامین می‌شود.

تغییر شکل موج خروجی یکسوسازی شده بین این وضعیت «ON» و «OFF» شکل موجی با مقادیر زیاد، ریپل «ripple» تولید می‌کند که یک ویژگی نامطلوب است. فرکانس DC ripple بدست آمده برابر با فرکانس منبع AC است.

معمولا در هنگام یکسوسازی یک ولتاژ متناوب میل داریم یک ولتاژ DC پیوسته و «ثابت» و بدون نوسان ولتاژ یا ریپل تولید کنیم. یک روش برای انجام این کار این است که یک خازن بزرگ در پایانه‌های ولتاژ خروجی به صورت موازی به مقاومت بار وصل شود. این نوع خازن را «مخزن» (Reservoir) یا خازن صافی (smoothing) می‌گویند.

یکسوساز نیم‌موج با صافی خازن

وقتی از یکسوسازی برای فراهم کردن یک منبع تغذیه ولتاژ مستقیم (DC) از یک منبع متناوب (AC) استفاده می‌شود، مقدار ولتاژ ریپل را می‌توان با استفاده از خازن‌های بزرگتر نیز کاهش داد، اما هم از نظر هزینه و هم اندازه محدودیت‌هایی در انواع خازن‌های صافی وجود دارد.

رای یک مقدار مشخص خازن ، جریان بار بیشتر (مقاومت بار کوچکتر) شارژ خازن را سریع‌تر تخلیه می‌کند (ثابت زمانی RC) و بنابراین ریپل افزایش می‌یابد. لذا برای مدار یکسوساز تک‌فاز و نیم‌موج با استفاده از دیود قدرت، کاهش ولتاژ ریپل تنها از طریق صافی خازن عملی نیست.

در عمل، یکسوساز نیم‌موج عمدتا در کاربردهای کم‌مصرف استفاده می‌شود زیرا معایب قابل توجهی دارند. دامنه خروجی کمتر از دامنه ورودی است، هیچ خروجی در طول نیم‌چرخه منفی وجود ندارد لذا نصف انرژی (توان) تلف شده و خروجی DC پالس‌دار است و باعث ripple بیش‌ازحد می‌شود.

برای غلبه بر این معایب تعدادی دیود قدرت به هم وصل می‌شوند و یک یکسوساز تمام موج (Full Wave) ایجاد می‌کنند. در مقاله یکسوساز تمام موج به این موضوع پرداخته‌ایم.

نظرتان را درباره این مقاله بگویید 2 نظر

5 2
دیودهای قدرت و رکتیفایر

این مقاله را با دوستانتان به اشتراک بگذارید!

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

فروشگاه
علاقه مندی
0 محصول سبد خرید
حساب کاربری من