توضیحات
| بخشی از یک سریال در |
| مهندسی قدرت |
|---|
| تبدیل توان الکتریکی |
|
| زیرساخت های برق |
|
| اجزای سیستم های قدرت الکتریکی |
|
|
یک یکسو کننده دستگاه الکتریکی است که جریان متناوب (AC) را که به صورت دوره ای جهت را معکوس می کند، به جریان مستقیم (DC) تبدیل می کند که فقط در یک جهت جریان دارد. عمل معکوس (تبدیل DC به AC) توسط یک اینورتر انجام می شود .
این فرآیند به عنوان یکسوسازی شناخته می شود ، زیرا جهت جریان را “صاف” می کند. از نظر فیزیکی، یکسو کننده ها اشکال مختلفی دارند، از جمله دیودهای لوله خلاء ، سلول های شیمیایی مرطوب، دریچه های قوس جیوه ای ، پشته های صفحات اکسید مس و سلنیوم ، دیودهای نیمه هادی ، یکسو کننده های کنترل شده با سیلیکون و سایر کلیدهای نیمه هادی مبتنی بر سیلیکون. از لحاظ تاریخی، حتی کلیدهای الکترومکانیکی سنکرون و مجموعه موتور ژنراتورها نیز مورد استفاده قرار گرفته اند. گیرنده‌های رادیویی اولیه که رادیوهای کریستالی نامیده می‌شوند ، از « سبیل گربه‌ای » از سیم ریز که بر روی کریستال گالن (سولفید سرب) فشار می‌داد استفاده می‌کردند تا به عنوان یکسوساز تماس نقطه‌ای یا «ردیاب کریستال» عمل کنند.
استفاده می شوند یکسو کننده ها کاربردهای زیادی دارند، اما اغلب به عنوان اجزای منبع تغذیه DC و جریان مستقیم با ولتاژ بالا سیستم های انتقال . یکسوسازی ممکن است در نقش‌هایی غیر از تولید جریان مستقیم برای استفاده به عنوان منبع نیرو عمل کند. عمل کنند همانطور که اشاره شد، یکسو کننده ها می توانند به عنوان آشکارساز سیگنال های رادیویی . در سیستم های گرمایش گاز از یکسوسازی شعله برای تشخیص وجود شعله استفاده می شود.
بسته به نوع منبع جریان متناوب و آرایش مدار یکسو کننده، ولتاژ خروجی ممکن است نیاز به صاف کردن اضافی برای تولید یک ولتاژ ثابت یکنواخت داشته باشد. بسیاری از کاربردهای یکسو کننده‌ها، مانند منابع تغذیه برای تجهیزات رادیویی، تلویزیونی و رایانه‌ای، نیاز به یک ولتاژ DC ثابت ثابت تولید می‌کند دارند (همانطور که باتری ). در این کاربردها خروجی یکسو کننده توسط یک فیلتر الکترونیکی صاف می شود که ممکن است یک خازن ، چوک یا مجموعه ای از خازن ها، چوک ها و مقاومت ها باشد و احتمالاً به دنبال آن یک تنظیم کننده ولتاژ برای تولید یک ولتاژ ثابت است.
مدار پیچیده تری که عملکرد مخالف را انجام می دهد، یعنی تبدیل DC به AC، اینورتر نامیده می شود .
دستگاه های یکسو کننده
قبل از توسعه یکسو کننده های نیمه هادی سیلیکونی، از دیودهای ترمیونیک مبتنی بر اکسید مس یا سلنیوم لوله خلاء و پشته های یکسو کننده فلزی استفاده می شد. [1] با معرفی الکترونیک نیمه هادی، یکسو کننده های لوله خلاء منسوخ شدند، به جز برخی از علاقه مندان به تجهیزات صوتی لوله خلاء . برای یکسوسازی توان از جریان بسیار کم تا بسیار زیاد، دیودهای نیمه هادی از انواع مختلف ( دیودهای اتصال ، دیودهای شاتکی و غیره) به طور گسترده استفاده می شود.
سایر دستگاه‌هایی که دارای الکترودهای کنترلی هستند و همچنین به عنوان دریچه‌های جریان یک‌طرفه عمل می‌کنند، در جاهایی که نیاز به یکسوسازی ساده نیست، مثلاً در مواردی که ولتاژ خروجی متغیر مورد نیاز است، استفاده می‌شود. یکسو کننده های پرقدرت، مانند آنهایی که در انتقال برق جریان مستقیم با ولتاژ بالا استفاده می شوند ، از دستگاه های نیمه هادی سیلیکونی از انواع مختلف استفاده می کنند. اینها تریستورها یا سایر کلیدهای سوئیچینگ کنترل شده حالت جامد هستند که به طور موثر به عنوان دیود عمل می کنند تا جریان را تنها در یک جهت عبور دهند.
مدارهای یکسو کننده
مدارهای یکسو کننده ممکن است تک فاز یا چند فاز باشند. اکثر یکسو کننده های کم توان برای تجهیزات خانگی تک فاز هستند، اما یکسوسازی سه فاز برای کاربردهای صنعتی و برای انتقال انرژی به صورت DC (HVDC) بسیار مهم است.
یکسو کننده های تک فاز
تصحیح نیمه موج
در یکسوسازی نیمه موج یک منبع تغذیه تک فاز، یا نیمه مثبت یا منفی موج AC عبور داده می شود، در حالی که نیمه دیگر مسدود می شود. از آنجایی که تنها نیمی از شکل موج ورودی به خروجی می رسد، میانگین ولتاژ کمتر است. یکسوسازی نیم موج به یک دیود تک در یک منبع تک فاز یا سه دیود در یک منبع سه فاز نیاز دارد . یکسو کننده ها جریان مستقیم یک طرفه اما ضربانی تولید می کنند. یکسو کننده های نیم موج موجی بسیار بیشتر از یکسو کننده های تمام موج تولید می کنند و برای حذف هارمونیک های فرکانس AC از خروجی به فیلتر بسیار بیشتری نیاز است.
ولتاژ DC خروجی بدون بار یکسو کننده نیمه موج ایده آل برای یک ولتاژ ورودی سینوسی است: [2]
- V r متر س = V پ ه آ ک 2 V د ج = V پ ه آ ک پی
![{\displaystyle {\begin{aligned}V_{\mathrm {rms} }&={\frac {V_{\mathrm {peak} }}{2}}\\[8pt]V_{\mathrm {dc} }& ={\frac {V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/8d8b3a0bfeadf4d9578fb87c37968464dcf11d53)
جایی که:
- V dc ، V av – ولتاژ خروجی DC یا متوسط،
- V پیک ، مقدار پیک ولتاژهای ورودی فاز،
- Vrms (RMS ) ، ریشه میانگین مربع مقدار ولتاژ خروجی.
یکسوسازی تمام موج
یکسو کننده تمام موج کل شکل موج ورودی را به قطبی ثابت (مثبت یا منفی) در خروجی خود تبدیل می کند. از نظر ریاضی، این با تابع قدر مطلق مطابقت دارد . یکسوسازی تمام موج، هر دو قطبیت شکل موج ورودی را به DC ضربانی (جریان مستقیم) تبدیل می‌کند و ولتاژ خروجی متوسط بالاتری را ایجاد می‌کند. با شیر مرکزی دو دیود و یک ترانسفورماتور ، یا چهار دیود در پیکربندی پل و هر منبع AC (از جمله یک ترانسفورماتور بدون شیر مرکزی)، مورد نیاز است. [3] دیودهای نیمه هادی تک، دیودهای دوتایی با کاتد مشترک یا آند مشترک و پل های چهار یا شش دیودی به صورت تک جزئی تولید می شوند.
برای جریان متناوب تک فاز، اگر ترانسفورماتور دارای ضربه مرکزی باشد، دو دیود پشت سر هم (کاتد به کاتد یا آند به آند، بسته به قطبیت خروجی مورد نیاز) می توانند یک یکسو کننده تمام موج را تشکیل دهند. برای بدست آوردن ولتاژ خروجی یکسانی نسبت به یکسوساز پل، دو برابر چرخش در ترانسفورماتور ثانویه مورد نیاز است، اما درجه قدرت بدون تغییر است.
میانگین : و ولتاژ خروجی بدون بار RMS یک یکسوساز تمام موج تک فاز ایده آل عبارتند از
- V د ج = V آ v = 2 ⋅ V پ ه آ ک پی V r متر س = V پ ه آ ک 2
![{\displaystyle {\begin{aligned}V_{\mathrm{dc}}=V_{\mathrm{av}}&={\frac {2\cdot V_{\mathrm{peak}}}{\pi}}\ \[8pt]V_{\mathrm {rms}}&={\frac {V_{\mathrm {peak}}}{\sqrt {2}}}\end{aligned}}} بزرگ کردن مرکز روی میانگین](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a19ae9a82ba91315194d5512d2bed3390f5b5fad)
یکسو کننده دو دیودی بسیار رایج لوله های خلاء حاوی یک کاتد مشترک و دو آند در داخل یک پاکت واحد بودند که به یکسوسازی تمام موج با خروجی مثبت دست یافتند. 5U4 و 80/5Y3 (4 پین)/(اکتال) نمونه های محبوب این پیکربندی بودند.
یکسو کننده های سه فاز
یکسو کننده های تک فاز معمولاً برای منابع تغذیه تجهیزات خانگی استفاده می شوند. با این حال، برای اکثر کاربردهای صنعتی و پرقدرت، مدارهای یکسو کننده سه فاز معمول هستند. همانند یکسو کننده های تک فاز، یکسو کننده های سه فاز می توانند به شکل یک مدار نیم موج، یک مدار تمام موج با استفاده از یک ترانسفورماتور با ضربه مرکزی یا یک مدار پل تمام موج باشند.
تریستورها معمولاً به جای دیودها برای ایجاد مداری که می تواند ولتاژ خروجی را تنظیم کند استفاده می شود. بسیاری از دستگاه هایی که جریان مستقیم را تامین می کنند در واقع تولید می کنند AC سه فاز . به عنوان مثال، دینام خودرو شامل شش دیود است که به عنوان یکسو کننده تمام موج برای شارژ باتری عمل می کند.
مدار سه فاز نیم موج
یک مدار سه فاز و نیمه موج کنترل نشده به سه دیود نیاز دارد که یکی به هر فاز متصل است. این ساده ترین نوع یکسو کننده سه فاز است اما از اعوجاج هارمونیک نسبتاً بالایی در هر دو اتصال AC و DC رنج می برد. گفته می شود که این نوع یکسو کننده دارای تعداد پالس سه است، زیرا ولتاژ خروجی در سمت DC شامل سه پالس مجزا در هر سیکل فرکانس شبکه است:
مقادیر اوج V پ ه آ ک این ولتاژ DC سه پالس از مقدار RMS محاسبه می شود V L ن ولتاژ فاز ورودی (ولتاژ خط به خنثی، 120 ولت در آمریکای شمالی، 230 ولت در اروپا در هنگام کار شبکه): V پ ه آ ک = 2 ⋅ V L ن . متوسط ولتاژ خروجی بدون بار V آ v از انتگرال زیر نمودار یک نیم موج مثبت با مدت زمان دوره حاصل می شود 2 3 پی (از 30 درجه تا 150 درجه):
این ولتاژ DC سه پالس از مقدار RMS محاسبه می شود V L ن 
ولتاژ فاز ورودی (ولتاژ خط به خنثی، 120 ولت در آمریکای شمالی، 230 ولت در اروپا در هنگام کار شبکه): V پ ه آ ک = 2 ⋅ V L ن 
. متوسط ولتاژ خروجی بدون بار V آ v 
از انتگرال زیر نمودار یک نیم موج مثبت با مدت زمان دوره حاصل می شود 2 3 پی 
(از 30 درجه تا 150 درجه):- V د ج = V آ v = 1 2 3 پی 🔻 30 ∘ 150 ∘ V پ ه آ ک ⋅ گناه فی ⋅ د فی = 3 ⋅ V پ ه آ ک 2 پی ⋅ ( – cos 150 ∘ + cos 30 ∘ ) = 3 ⋅ V پ ه آ ک 2 پی ⋅ [ – ( – 3 2 ) + 3 2 ] = 3 ⋅ 3 ⋅ V پ ه آ ک 2 پی
![{\displaystyle V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av } }={\frac {1}{{\frac {2}{3}}\pi }}\int _{30^{\circ }}^{150^{\circ }}V_{\mathrm {peak } }\cdot \sin \varphi \cdot \mathrm {d} \varphi ={\frac {3\cdot V_{\mathrm {peak} }}{2\pi }}\cdot \left(-\cos 150^ {\circ }+\cos 30^{\circ }\right)={\frac {3\cdot V_{\mathrm {peak} }}{2\pi }}\cdot {\Biggl [}-\left( -{\frac {\sqrt {3}}{2}}\right)+{\frac {\sqrt {3}}{2}}{\Biggl ]}={\frac {3\cdot {\sqrt { 3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{2\pi }}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/38a7c132bcb2222c1a18b9d3fe2efd4ded334ead)
- ⇒ V د ج = V آ v = 3 ⋅ 3 ⋅ 2 ⋅ V L ن 2 پی ⇒ V آ v = 3 ⋅ 6 ⋅ V L ن 2 پی ≈ 1،17 ⋅ V L ن
⇒ V آ v = 3 ⋅ 6 ⋅ V L ن 2 پی 
≈ 1،17 ⋅ V L ن مدار سه فاز و تمام موج با استفاده از ترانسفورماتور با ضربه مرکزی
اگر منبع AC از طریق یک ترانسفورماتور با یک شیر مرکزی تغذیه شود، یک مدار یکسو کننده با عملکرد هارمونیک بهبود یافته می تواند به دست آید. این یکسو کننده اکنون به شش دیود نیاز دارد که یکی به هر انتهای هر سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور متصل است. این مدار دارای عدد پالس شش است و در واقع می توان آن را یک مدار شش فاز و نیم موج در نظر گرفت.
قبل از اینکه دستگاه های حالت جامد در دسترس قرار گیرند، مدار نیمه موج و مدار تمام موج با استفاده از یک ترانسفورماتور با ضربه مرکزی، بسیار رایج در یکسو کننده های صنعتی با استفاده از شیرهای قوس جیوه ای استفاده می شدند . [4] این به این دلیل بود که سه یا شش ورودی منبع AC می‌توانستند به تعداد متناظری از الکترودهای آند روی یک مخزن، که یک کاتد مشترک دارند، تغذیه شوند.
با ظهور دیودها و تریستورها، این مدارها از محبوبیت کمتری برخوردار شده و مدار پل سه فاز به رایج ترین مدار تبدیل شده است.
یکسو کننده پل سه فاز کنترل نشده
برای یکسو کننده پل سه فاز کنترل نشده، از شش دیود استفاده می شود و مدار دوباره دارای عدد پالس شش است. به همین دلیل معمولاً به آن پل شش پالسی نیز می گویند. مدار B6 را می توان به صورت یک اتصال سری دو مدار مرکز سه پالس ساده شده دید.
برای کاربردهای کم مصرف، دیودهای دوتایی به صورت سری، با آند دیود اول متصل به کاتد دوم، به صورت تک جزئی برای این منظور ساخته می‌شوند. برخی از دیودهای دوگانه موجود در بازار دارای هر چهار پایانه هستند تا کاربر بتواند آنها را برای استفاده از منبع تغذیه تک فاز، نیم پل یا یکسو کننده سه فاز پیکربندی کند.
برای کاربردهای با قدرت بالاتر، معمولاً از یک دستگاه مجزا برای هر یک از شش بازوی پل استفاده می شود. برای بالاترین توان ها، هر بازوی پل ممکن است از ده ها یا صدها دستگاه مجزا به صورت موازی (در مواردی که جریان بسیار بالایی نیاز است، به عنوان مثال در ذوب آلومینیوم) یا به صورت سری (که ولتاژهای بسیار بالا مورد نیاز است، برای مثال در جریان مستقیم ولتاژ بالا انتقال برق ).
ولتاژ DC ضربانی ناشی از تفاوت ولتاژ فاز مثبت و منفی آنی است. V L ن تغییر فاز 30 درجه:
ولتاژ خروجی متوسط و بدون بار ایده آل V آ v مدار B6 از انتگرال زیر نمودار یک پالس ولتاژ DC با مدت زمان 1 3 پی (از 60 درجه تا 120 درجه) با مقدار اوج v ^ D سی = 3 ⋅ V پ ه آ ک :
(از 60 درجه تا 120 درجه) با مقدار اوج v ^ D سی = 3 ⋅ V پ ه آ ک 
:- V د ج = V آ v = 1 1 3 پی 🔻 60 ∘ 120 ∘ 3 ⋅ V پ ه آ ک ⋅ گناه فی ⋅ د فی = 3 ⋅ 3 ⋅ V پ ه آ ک پی ⋅ ( – cos 120 ∘ + cos 60 ∘ ) = 3 ⋅ 3 ⋅ V پ ه آ ک پی ⋅ [ – ( – 1 2 ) + 1 2 ] = 3 ⋅ 3 ⋅ V پ ه آ ک پی
![{\display style V_{\mathrm{dc}}=V_{\mathrm{av}}={\frac{1}{{\frac{1} { 3}}\pi }}\int _{60^{\circ }}^{120^{\circ }}{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }\cdot \sin \ varphi \cdot \mathrm {d} \varphi ={\frac {3\cdot {\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\cdot \left(-\cos 120 ^ {\circ}+\cos 60^{\circ}\right)={\frac {3\cdot {\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak}}{\pi}}\cdot { \Biggl[}-\left(-{\frac {1}{2}}\right)+{\frac {1}{2}}{\Biggl]}={\frac {3\cdot {\sqrt { 3}}\cdot V_{\mathrm{peak}}{\pi}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/425d7c480606527f340e6198d3dc6767f8a8887a)
- ⇒ V د ج = V آ v = 3 ⋅ 3 ⋅ 2 ⋅ V L ن پی ⇒ V آ v = 3 ⋅ 6 ⋅ V L ن پی ≈ 2،34 ⋅ V L ن
⇒ V آ v = 3 ⋅ 6 ⋅ V L ن پی 
≈ 2،34 ⋅ V L ن 
اگر یکسو کننده پل سه فاز به طور متقارن (به عنوان ولتاژ تغذیه مثبت و منفی) کار کند، نقطه مرکزی یکسو کننده در سمت خروجی (یا به اصطلاح پتانسیل مرجع ایزوله) در مقابل نقطه مرکزی ترانسفورماتور (یا خنثی) قرار دارد. هادی) دارای اختلاف پتانسیل به شکل یک ولتاژ حالت مشترک مثلثی است . به همین دلیل، این دو مرکز هرگز نباید به یکدیگر متصل شوند، در غیر این صورت جریان های اتصال کوتاه جریان می یابد. بنابراین زمین می یکسو کننده پل سه فاز در عملکرد متقارن از هادی خنثی یا زمین ولتاژ اصلی جدا شود . با تغذیه از ترانسفورماتور، اتصال زمین نقطه مرکزی پل امکان پذیر است، مشروط بر اینکه سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور از ولتاژ برق جدا شده باشد و نقطه ستاره سیم پیچ ثانویه روی زمین نباشد. با این حال، در این مورد، جریان های نشتی (ناچیز) روی سیم پیچ های ترانسفورماتور جریان دارد.
ولتاژ حالت مشترک از مقادیر میانگین مربوطه اختلاف بین ولتاژ فاز مثبت و منفی، که ولتاژ DC ضربانی را تشکیل می دهد، تشکیل می شود. مقدار پیک ولتاژ مثلث v ^ ج o متر متر o n – متر o د ه مقدار ¼ مقدار پیک ولتاژ ورودی فاز است V پ ه آ ک و با محاسبه می شود V پ ه آ ک منهای نیمی از ولتاژ DC در 60 درجه دوره:
مقدار ¼ مقدار پیک ولتاژ ورودی فاز است V پ ه آ ک - v ^ ج o متر متر o n – متر o د ه = V پ ه آ ک – 3 ⋅ V پ ه آ ک ⋅ گناه 60 ∘ 2 = V پ ه آ ک ⋅ ( 1 – 3 ⋅ گناه 60 ∘ 2 ) = V پ ه آ ک · 0.25
= V پ ه آ ک مقدار RMS ولتاژ حالت مشترک از ضریب شکل برای نوسانات مثلثی محاسبه می شود:
- V ج o متر متر o n – متر o د ه = v ^ ج o متر متر o n – متر o د ه 3
اگر مدار به صورت نامتقارن کار کند (به عنوان یک ولتاژ تغذیه ساده با تنها یک قطب مثبت)، هر دو قطب مثبت و منفی (یا پتانسیل مرجع جدا شده) در مقابل مرکز (یا زمین) ولتاژ ورودی به طور مشابه با مثبت ضربان دارند. و شکل موج منفی ولتاژهای فاز. با این حال، تفاوت در ولتاژ فاز منجر به ولتاژ DC شش پالسی (در طول مدت یک دوره) می شود. جداسازی دقیق مرکز ترانسفورماتور از قطب منفی (در غیر این صورت جریان های اتصال کوتاه جاری خواهد شد) یا زمین شدن احتمالی قطب منفی هنگامی که توسط ترانسفورماتور ایزوله تغذیه می شود، به طور متناظر برای عملیات متقارن اعمال می شود.
یکسو کننده پل سه فاز کنترل شده
یکسو کننده پل سه فاز کنترل شده به جای دیودها از تریستور استفاده می کند. ولتاژ خروجی با ضریب cos(α) کاهش می یابد:
- V د ج = V آ v = 3 ⋅ 3 ⋅ V پ ه آ ک پی ⋅ cos آ
یا بر حسب ولتاژ ورودی خط به خط بیان می شود: [5]
- V د ج = V آ v = 3 ⋅ V L L پ ه آ ک پی ⋅ cos آ
جایی که:
- V LLpeak ، مقدار پیک ولتاژهای ورودی خط به خط،
- V پیک ، مقدار پیک ولتاژهای ورودی فاز (خط به خنثی)،
- α، زاویه شلیک تریستور (0 اگر از دیودها برای انجام یکسوسازی استفاده شود)
معادلات فوق فقط زمانی معتبر هستند که جریانی از منبع AC گرفته نشود یا در حالت تئوری زمانی که اتصالات منبع AC فاقد اندوکتانس باشند. در عمل، اندوکتانس تغذیه باعث کاهش ولتاژ خروجی DC با افزایش بار می‌شود، معمولاً در محدوده 10 تا 20 درصد در بار کامل.
اثر اندوکتانس عرضه، کند کردن فرآیند انتقال (به نام کموتاسیون) از یک فاز به فاز دیگر است. در نتیجه این امر این است که در هر انتقال بین یک جفت دستگاه، یک دوره همپوشانی وجود دارد که طی آن سه (به جای دو) دستگاه در پل به طور همزمان هدایت می‌شوند. زاویه همپوشانی معمولاً با علامت μ (یا u) نامیده می شود و ممکن است در بار کامل 20 30 درجه باشد.
با در نظر گرفتن اندوکتانس تغذیه، ولتاژ خروجی یکسو کننده به زیر کاهش می یابد:
- V د ج = V آ v = 3 ⋅ V L L پ ه آ ک پی ⋅ cos ( آ + متر )
زاویه همپوشانی μ مستقیماً با جریان DC مرتبط است و معادله فوق ممکن است دوباره به صورت زیر بیان شود:
- V د ج = V آ v = 3 ⋅ V L L پ ه آ ک پی ⋅ cos ( آ ) – 6 f L ج من د
جایی که:
- L c ، اندوکتانس جابجایی در هر فاز
- من مستقیم جریان
|
یکسو کننده پل سه فاز گریتز در آلفا=0 درجه بدون همپوشانی |
|
یکسو کننده پل سه فاز گریتز در آلفا=0 درجه با زاویه همپوشانی 20 درجه |
|
یکسو کننده پل سه فاز کنترل شده Graetz در آلفا=20 درجه با زاویه همپوشانی 20 درجه |
|
یکسو کننده پل کنترل شده سه فاز گریتز در آلفا=40 درجه با زاویه همپوشانی 20 درجه |
پل دوازده پالسی
اگرچه مدارهای یکسو کننده شش پالس بهتر از یکسو کننده های تک فاز یا یکسو کننده های نیمه موج سه فاز هستند، اما همچنان اعوجاج هارمونیک قابل توجهی در هر دو اتصال AC و DC ایجاد می کنند. برای یکسو کننده های بسیار پرقدرت معمولاً از اتصال پل دوازده پالسی استفاده می شود. یک پل دوازده پالسی شامل دو مدار پل شش پالسی است که به صورت سری به هم متصل شده اند و اتصالات AC آنها از یک ترانسفورماتور تغذیه تغذیه می شود که یک تغییر فاز 30 درجه بین دو پل ایجاد می کند. این امر بسیاری از هارمونیک های مشخصه پل های شش پالسی را لغو می کند.
تغییر فاز 30 درجه معمولاً با استفاده از یک ترانسفورماتور با دو مجموعه سیم پیچ ثانویه، یکی در اتصال ستاره (wye) و دیگری در اتصال مثلث به دست می آید.
یکسو کننده های ضرب ولتاژ
یکسو کننده نیمه موج ساده را می توان در دو پیکربندی الکتریکی با دیودها در جهت مخالف ساخته شد، یک نسخه ترمینال منفی خروجی را مستقیماً به منبع AC و دیگری ترمینال مثبت خروجی را مستقیماً به منبع AC متصل می کند. . با ترکیب هر دوی اینها با صاف کردن خروجی جداگانه، می توان ولتاژ خروجی تقریباً دو برابر حداکثر ولتاژ ورودی AC بدست آورد. این همچنین یک شیر آب در وسط ایجاد می کند که امکان استفاده از چنین مداری را به عنوان منبع تغذیه ریل تقسیم می کند.
یکی از انواع این روش استفاده از دو خازن به صورت سری برای صاف کردن خروجی روی یکسوساز پل است و سپس یک سوئیچ بین نقطه میانی آن خازن ها و یکی از پایانه های ورودی AC قرار دهید. با باز بودن سوئیچ، این مدار مانند یک یکسوساز پل معمولی عمل می کند. با بسته شدن سوئیچ، مانند یکسوساز دو برابر شدن ولتاژ عمل می کند. به عبارت دیگر، این امر استخراج ولتاژ تقریباً 320 ولت (15% ±) DC را از هر منبع اصلی 120 ولت یا 230 ولت در جهان آسان می کند، سپس می توان آن را به یک حالت سوئیچ نسبتاً ساده وارد کرد . منبع تغذیه . با این حال، برای یک ریپل مورد نظر، مقدار هر دو خازن باید دو برابر مقدار مورد نیاز برای یکسو کننده پل معمولی باشد. هنگامی که سوئیچ بسته است، هر کدام باید خروجی یکسو کننده نیمه موج را فیلتر کنند و هنگامی که سوئیچ باز است، دو خازن به صورت سری با مقدار معادل نصف یکی از آنها به هم متصل می شوند.
مراحل دیود و خازن آبشاری را می توان برای ایجاد یک ضرب کننده ولتاژ اضافه کرد ( مدار Cockroft-Walton ). این مدارها قادر به تولید یک پتانسیل ولتاژ خروجی DC تا حدود ده برابر اوج ولتاژ ورودی AC هستند که در عمل با ظرفیت فعلی و مسائل تنظیم ولتاژ محدود می شود. ضرب‌کننده‌های ولتاژ دیود، که اغلب به‌عنوان مرحله تقویت پشتی یا منبع ولتاژ بالا اولیه (HV) استفاده می‌شود، در منابع تغذیه لیزر HV، دستگاه‌های تغذیه مانند لوله‌های پرتو کاتدی (CRT) (مانند مواردی که در تلویزیون مبتنی بر CRT، رادار و سونار استفاده می‌شود) استفاده می‌شود. نمایشگرها)، دستگاه‌های تقویت‌کننده فوتون موجود در لوله‌های تشدیدکننده تصویر و ضرب‌کننده عکس (PMT) و دستگاه‌های فرکانس رادیویی مبتنی بر مگنترون (RF) که در فرستنده‌های رادار و اجاق‌های مایکروویو استفاده می‌شوند. قبل از معرفی الکترونیک نیمه هادی، گیرنده های لوله خلاء بدون ترانسفورماتور که مستقیماً از برق AC تغذیه می شدند، گاهی اوقات از دوبرابر ولتاژ برای تولید تقریباً 300 VDC از یک خط برق 100-120 ولت استفاده می کردند.
کمی سازی یکسو کننده ها
 | در این بخش اطلاعاتی درباره نسبت های تبدیل برای یکسوسازی نیم موجی و تمام موج سه فاز وجود ندارد ، زیرا این یکسو کننده ها بخش های خاص خود را در این مقاله دارند. لطفاً بخش را برای گنجاندن این اطلاعات گسترش دهید. جزئیات بیشتر ممکن است در صفحه بحث موجود باشد . ( اکتبر 2017 ) |
چندین نسبت برای تعیین کمیت عملکرد و عملکرد یکسو کننده ها یا خروجی آنها استفاده می شود، از جمله ضریب استفاده از ترانسفورماتور (TUF)، نسبت تبدیل (η ) ، ضریب ریپل، ضریب شکل و ضریب پیک. دو معیار اصلی عبارتند از ولتاژ DC (یا افست) و ولتاژ موجی پیک پیک که اجزای تشکیل دهنده ولتاژ خروجی هستند.
نسبت تبدیل
نسبت تبدیل (همچنین “نسبت اصلاح” نامیده می شود، و به طور گیج کننده، “بازده”) η به عنوان نسبت توان خروجی DC به توان ورودی از منبع AC تعریف می شود. حتی با یکسو کننده‌های ایده‌آل، این نسبت کمتر از 100% است، زیرا بخشی از توان خروجی به جای جریان مستقیم، برق متناوب است که به صورت موج‌هایی که روی شکل موج DC قرار می‌گیرند، ظاهر می‌شود. این نسبت را می توان با استفاده از مدارهای صاف کننده که موج را کاهش می دهد و در نتیجه محتوای AC خروجی را کاهش می دهد، بهبود بخشید. نسبت تبدیل با تلفات سیم پیچ ترانسفورماتور و اتلاف توان در خود عنصر یکسو کننده کاهش می یابد. این نسبت اهمیت عملی کمی دارد زیرا یک یکسو کننده تقریباً همیشه با یک فیلتر دنبال می شود تا ولتاژ DC را افزایش دهد و ریپل را کاهش دهد. در برخی از برنامه های سه فاز و چند فاز، نسبت تبدیل به اندازه ای بالا است که مدار هموارسازی غیر ضروری است. [6] در مدارهای دیگر، مانند مدارهای گرمکن رشته ای در الکترونیک لوله خلاء که بار تقریباً به طور کامل مقاومتی است، مدار صاف کردن ممکن است حذف شود زیرا مقاومت ها هم توان AC و هم برق DC را هدر می دهند، بنابراین هیچ برقی از بین نمی رود.
برای یکسو کننده های نیمه موج نسبت بسیار کم است.
- پ آ سی = V پ ه آ ک 2 ⋅ من پ ه آ ک 2 (مقسوم‌کننده‌ها 2 هستند به جای √ 2 زیرا هیچ توانی در نیم‌سیکل منفی تحویل نمی‌شود)
(مقسوم‌کننده‌ها 2 هستند به جای √ 2 زیرا هیچ توانی در نیم‌سیکل منفی تحویل نمی‌شود)- پ D سی = V پ ه آ ک پی ⋅ من پ ه آ ک پی
بنابراین حداکثر نسبت تبدیل برای یکسو کننده نیم موج است،
- را = پ D سی پ آ سی ≈ 40.5 %
به طور مشابه، برای یکسو کننده تمام موج،
- پ آ سی = V پ ه آ ک 2 ⋅ من پ ه آ ک 2
- پ D سی = 2 ⋅ V پ ه آ ک پی ⋅ 2 ⋅ من پ ه آ ک پی
- را = پ D سی پ آ سی ≈ 81.0 %
یکسو کننده های سه فاز، به ویژه یکسو کننده های سه فاز تمام موج، نسبت تبدیل بسیار بیشتری دارند زیرا ریپل ذاتاً کوچکتر است.
برای یکسو کننده نیمه موج سه فاز،
- پ آ سی = 3 ⋅ V پ ه آ ک 2 ⋅ من پ ه آ ک 2
- پ D سی = 3 ⋅ 3 ⋅ V پ ه آ ک 2 پی ⋅ 3 ⋅ 3 ⋅ من پ ه آ ک 2 پی
برای یکسو کننده سه فاز تمام موج،
- پ آ سی = 3 ⋅ V پ ه آ ک 2 ⋅ من پ ه آ ک 2
- پ D سی = 3 ⋅ 3 ⋅ V پ ه آ ک پی ⋅ 3 ⋅ 3 ⋅ من پ ه آ ک پی
نسبت استفاده از ترانسفورماتور
ضریب استفاده از ترانسفورماتور (TUF) مدار یکسو کننده به عنوان نسبت توان DC موجود در مقاومت ورودی به رتبه AC سیم پیچ خروجی ترانسفورماتور تعریف می شود. [7] [8]
تی . U . اف = پ o د ج V آ r آ تی من n g o f تی r آ n س f o r متر ه r
را V آ رتبه بندی ترانسفورماتور را می توان به صورت زیر تعریف کرد: V آ = V r متر س من ˙ r متر س ( اف o r س ه ج o n د آ r y ج o من ل . )
رتبه بندی ترانسفورماتور را می توان به صورت زیر تعریف کرد: V آ = V r متر س من ˙ r متر س ( اف o r س ه ج o n د آ r y ج o من ل . ) 
افت ولتاژ یکسو کننده
همچنین ببینید: دیود § ولتاژ آستانه رو به جلو برای نیمه هادی های مختلف
یک یکسو کننده واقعی به طور مشخص بخشی از ولتاژ ورودی را کاهش می دهد ( افت ولتاژ ، برای دستگاه های سیلیکونی، معمولاً 0.7 ولت به اضافه یک مقاومت معادل، به طور کلی غیر خطی) – و در فرکانس های بالا، شکل موج ها را به روش های دیگر منحرف می کند. برخلاف یک یکسو کننده ایده آل، مقداری نیرو را از بین می برد.
یکی از جنبه‌های یکسوسازی، افت ولتاژ ورودی به پیک ولتاژ خروجی است که ناشی از افت ولتاژ داخلی در بین دیودها است (حدود 0.7 ولت برای دیودهای اتصال p-n سیلیکونی معمولی و 0.3 ولت برای دیودهای شاتکی ). یکسوسازی نیمه موج و یکسوسازی تمام موج با استفاده از یک ثانویه با ضربه مرکزی یک افت ولتاژ اوج یک افت دیود ایجاد می کند. یکسوسازی پل دارای دو افت دیود است. این ولتاژ خروجی را کاهش می‌دهد و اگر ولتاژ متناوب بسیار پایین باید اصلاح شود، ولتاژ خروجی موجود را محدود می‌کند. از آنجایی که دیودها کمتر از این ولتاژ هدایت نمی‌شوند، مدار فقط برای بخشی از هر نیم چرخه جریان را از خود عبور می‌دهد و باعث می‌شود که بخش‌های کوتاه ولتاژ صفر (که ولتاژ ورودی لحظه‌ای زیر یک یا دو افت دیود است) بین هر “قوز” ظاهر شود. “.
تلفات پیک برای یکسو کننده های ولتاژ پایین (به عنوان مثال 12 ولت یا کمتر) بسیار مهم است اما در کاربردهای ولتاژ بالا مانند سیستم های انتقال برق HVDC ناچیز است.
اعوجاج هارمونیک
بارهای غیر خطی مانند یکسو کننده ها به دلیل رفتار سوئیچینگ هارمونیک های جریان فرکانس منبع در سمت AC و هارمونیک های ولتاژ فرکانس منبع در سمت DC را تولید می کنند.
هموارسازی خروجی یکسو کننده
 | در این بخش نشده است ذکر هیچ منبعی . لطفاً به بهبود این بخش با افزودن نقل قول به منابع معتبر کمک کنید . مطالب بدون منبع ممکن است به چالش کشیده و حذف شوند . ( اکتبر 2017 ) ( نحوه و زمان حذف این پیام الگو را بیاموزید ) |
در حالی که یکسوسازی نیمه موج و تمام موج جریان یک طرفه را ارائه می دهند، هیچ یک ولتاژ ثابت تولید نمی کنند. وجود دارد یک قطعه ولتاژ موج دار AC بزرگ در فرکانس منبع برای یکسو کننده نیم موج و دو برابر فرکانس منبع برای یکسو کننده تمام موج . ولتاژ ریپل معمولا پیک به پیک مشخص می شود. تولید DC ثابت از منبع AC اصلاح شده نیاز به یک مدار صاف یا فیلتر دارد . در ساده ترین شکل خود، این می تواند فقط یک خازن (هم به عنوان خازن صاف کننده و هم به عنوان یک مخزن، [9] [10] بافر یا خازن حجیم عمل می کند)، چوک، مقاومت، دیود و مقاومت زنر، یا تنظیم کننده ولتاژ قرار داده شده در خروجی یکسو کننده در عمل، اکثر فیلترهای صاف کننده از اجزای متعددی برای کاهش موثر ولتاژ ریپل تا سطح قابل تحمل مدار استفاده می کنند.
خازن فیلتر انرژی ذخیره شده خود را در بخشی از چرخه AC هنگامی که منبع AC هیچ برقی را تامین نمی کند، آزاد می کند، یعنی زمانی که منبع AC جهت جریان خود را تغییر می دهد.
عملکرد با منبع امپدانس کم
نمودار بالا عملکرد مخزن را از یک منبع امپدانس نزدیک به صفر ، مانند منبع تغذیه نشان می دهد. یکسو کننده با افزایش ولتاژ ، خازن را شارژ می کند و همچنین جریان را به بار می رساند. در پایان سیکل یک چهارم، خازن به مقدار اوج خود Vp ولتاژ یکسو کننده شارژ می شود. به دنبال این، ولتاژ یکسو کننده شروع به کاهش به مقدار حداقل Vmin خود با ورود به چرخه چهارم بعدی می کند. این امر تخلیه خازن را از طریق بار آغاز می کند.
اندازه خازن C با مقدار ریپل r قابل تحمل تعیین می شود، جایی که r=(Vp-Vmin)/Vp. [11]
این مدارها اغلب از ترانسفورماتورها تغذیه می شوند و مقاومت قابل توجهی دارند . مقاومت ترانسفورماتور شکل موج خازن مخزن را اصلاح می کند، ولتاژ پیک را تغییر می دهد و مسائل مربوط به تنظیم را معرفی می کند.
فیلتر ورودی خازن
برای یک بار مشخص، اندازه یک خازن صاف کننده، مبادله ای بین کاهش ولتاژ ریپل و افزایش جریان موج دار است. اوج جریان با نرخ افزایش ولتاژ تغذیه در لبه افزایشی موج سینوسی ورودی تنظیم می شود که با مقاومت سیم پیچ های ترانسفورماتور کاهش می یابد. جریان های موج دار زیاد تلفات I 2 R (به شکل گرما) را در سیم پیچ های خازن، یکسو کننده و ترانسفورماتور افزایش می دهد و ممکن است از وسعت قطعات یا درجه VA ترانسفورماتور فراتر رود. یکسو کننده های لوله خلاء حداکثر ظرفیت خازن ورودی را مشخص می کنند و یکسو کننده های دیود SS نیز دارای محدودیت جریان هستند. خازن های این برنامه به ESR کم نیاز دارند ، یا جریان موج دار ممکن است آنها را بیش از حد گرم کند. برای محدود کردن ولتاژ ریپل به یک مقدار مشخص، اندازه خازن مورد نیاز متناسب با جریان بار و با فرکانس تغذیه و تعداد پیک‌های خروجی یکسوساز در هر سیکل ورودی متناسب است. خروجی یکسو شده تمام موج به خازن کوچکتری نیاز دارد زیرا فرکانس آن دو برابر فرکانس خروجی تصحیح نیمه موج است. برای کاهش ریپل به حد رضایت بخش فقط با یک خازن، اغلب نیاز به خازن با اندازه غیرعملی است. این به این دلیل است که درجه جریان موج دار یک خازن به صورت خطی با اندازه افزایش نمی یابد و همچنین ممکن است محدودیت هایی در ارتفاع وجود داشته باشد. برای کاربردهای جریان بالا، به جای آن از بانک های خازن استفاده می شود.
فیلتر ورودی خفه
همچنین امکان قرار دادن شکل موج تصحیح شده در فیلتر ورودی چوک وجود دارد . مزیت این مدار این است که شکل موج جریان روان‌تر است: جریان در کل چرخه کشیده می‌شود، به جای اینکه در هر نیم سیکل مانند فیلتر ورودی خازن، در پیک‌های ولتاژ AC در پالس‌ها کشیده شود. نقطه ضعف این است که خروجی ولتاژ بسیار کمتر است – میانگین نیم چرخه AC به جای اوج. این حدود 90 درصد ولتاژ RMS در مقابل ولتاژ است 2 برابر ولتاژ RMS (بدون بار) برای فیلتر ورودی خازن. جبران این تنظیم ولتاژ برتر و جریان موجود بالاتر است که ولتاژ پیک و تقاضای جریان موج دار را در اجزای منبع تغذیه کاهش می دهد. سلف ها به هسته هایی از آهن یا مواد مغناطیسی دیگر نیاز دارند و وزن و اندازه را اضافه می کنند. بنابراین استفاده از آنها در منابع تغذیه تجهیزات الکترونیکی به نفع مدارهای نیمه هادی مانند تنظیم کننده های ولتاژ کاهش یافته است. [12]
برابر ولتاژ RMS (بدون بار) برای فیلتر ورودی خازن. جبران این تنظیم ولتاژ برتر و جریان موجود بالاتر است که ولتاژ پیک و تقاضای جریان موج دار را در اجزای منبع تغذیه کاهش می دهد. سلف ها به هسته هایی از آهن یا مواد مغناطیسی دیگر نیاز دارند و وزن و اندازه را اضافه می کنند. بنابراین استفاده از آنها در منابع تغذیه تجهیزات الکترونیکی به نفع مدارهای نیمه هادی مانند تنظیم کننده های ولتاژ کاهش یافته است. [12]مقاومت به عنوان فیلتر ورودی
در مواردی که ولتاژ موج دار ناچیز است، مانند شارژرهای باتری، فیلتر ورودی ممکن است یک مقاومت سری تک باشد تا ولتاژ خروجی را با ولتاژ مورد نیاز مدار تنظیم کند. یک مقاومت هم ولتاژ خروجی و هم ولتاژ ریپل را به طور متناسب کاهش می دهد. نقطه ضعف فیلتر ورودی مقاومتی این است که انرژی را به شکل گرمای اتلاف مصرف می کند که در دسترس بار نیست، بنابراین فقط در مدارهای جریان کم استفاده می شود.
مرتبه بالاتر و فیلترهای آبشاری
برای کاهش بیشتر موج، عنصر فیلتر اولیه ممکن است با سری های متناوب اضافی و اجزای فیلتر شنت یا یک تنظیم کننده ولتاژ دنبال شود. اجزای فیلتر سری ممکن است مقاومت یا چوک باشد. عناصر شنت ممکن است مقاومت یا خازن باشند. فیلتر ممکن است ولتاژ DC را افزایش دهد و همچنین ریپل را کاهش دهید. فیلترها اغلب از جفت اجزای سری/شنت به نام بخش‌های RC (مقاومت سری، خازن شنت) یا LC (سری چوک، خازن شنت) ساخته می‌شوند. دو هندسه فیلتر رایج به نام فیلترهای Pi (خازن، چوک، خازن) و T (چوک، خازن، چوک) شناخته می شوند. گاهی اوقات عناصر سری مقاومت هستند – زیرا مقاومت ها کوچکتر و ارزان تر هستند – زمانی که خروجی DC کمتر مطلوب یا مجاز است. یکی دیگر نوع هندسه فیلتر خاص یک چوک رزونانس سری یا فیلتر چوک تنظیم شده است. برخلاف سایر هندسه‌های فیلتر که فیلترهای پایین گذر هستند، فیلتر چوک رزونانس یک فیلتر باند استاپ است: این فیلتر ترکیبی موازی از چوک و خازن است که در فرکانس ولتاژ ریپل طنین می‌اندازد و امپدانس بسیار بالایی را به ریپل ارائه می‌کند. . ممکن است یک خازن شنت برای تکمیل فیلتر دنبال شود.
تنظیم کننده های ولتاژ
یک جایگزین معمول تر برای اجزای فیلتر اضافی، اگر بار DC به ولتاژ موج دار بسیار کم نیاز دارد، دنبال کردن فیلتر ورودی با یک تنظیم کننده ولتاژ است. یک تنظیم کننده ولتاژ بر اساس اصولی متفاوت از فیلتر کار می کند، که اساساً یک تقسیم کننده ولتاژ است که ولتاژ را در فرکانس ریپل از بار دور می کند. در عوض، یک رگولاتور جریان عرضه شده به بار را افزایش یا کاهش می دهد تا ولتاژ خروجی ثابتی را حفظ کند.
یک تنظیم کننده ولتاژ شنت غیرفعال ساده ممکن است از یک مقاومت سری برای کاهش ولتاژ منبع به سطح مورد نیاز و یک شنت دیود زنر با معکوس تشکیل شود. ولتاژ برابر با ولتاژ تنظیم شده هنگامی که ولتاژ ورودی افزایش می یابد، دیود جریان را تخلیه می کند تا ولتاژ خروجی تنظیم شده را حفظ کند. این نوع رگولاتور معمولاً فقط در مدارهای ولتاژ پایین و جریان کم استفاده می شود زیرا دیودهای زنر دارای محدودیت های ولتاژ و جریان هستند. همچنین بسیار ناکارآمد است، زیرا جریان اضافی را تخلیه می کند، که در دسترس بار نیست.
جایگزین کارآمدتر برای تنظیم کننده ولتاژ شنت، مدار تنظیم کننده ولتاژ فعال است . یک رگولاتور فعال از اجزای راکتیو برای ذخیره و تخلیه انرژی استفاده می کند، به طوری که بیشتر یا تمام جریان تامین شده توسط یکسو کننده به بار منتقل می شود. همچنین ممکن است از بازخورد منفی و مثبت در ارتباط با حداقل یک جزء تقویت کننده ولتاژ مانند ترانزیستور برای حفظ ولتاژ خروجی در هنگام کاهش ولتاژ منبع استفاده کند. فیلتر ورودی باید از افت رگه های ریپل به زیر حداقل ولتاژ مورد نیاز رگولاتور جلوگیری کند تا ولتاژ خروجی مورد نیاز تولید شود. رگولاتور هم برای کاهش قابل توجه ریپل و هم برای مقابله با تغییرات در مشخصات عرضه و بار عمل می کند.
برنامه های کاربردی
کاربرد اصلی یکسو کننده ها استخراج برق DC از منبع AC (مبدل AC به DC) است. یکسو کننده ها در داخل منابع تغذیه تقریباً تمام تجهیزات الکترونیکی استفاده می شوند. تقسیم شوند منابع تغذیه AC/DC ممکن است به طور کلی به منابع تغذیه خطی و منبع تغذیه با حالت سوئیچ . در چنین منابع تغذیه، یکسو کننده به صورت سری به دنبال ترانسفورماتور قرار می گیرد و به دنبال آن یک فیلتر صاف کننده و احتمالاً یک تنظیم کننده ولتاژ وجود دارد.
تبدیل برق DC از یک ولتاژ به ولتاژ دیگر بسیار پیچیده تر است. یکی از روش‌های تبدیل DC به DC ابتدا برق را به AC (با استفاده از دستگاهی به نام اینورتر ) تبدیل می‌کند، سپس از یک ترانسفورماتور برای تغییر ولتاژ استفاده می‌کند و در نهایت برق را به DC برمی‌گرداند. معمولاً از فرکانس چند ده کیلوهرتز استفاده می‌شود، زیرا این امر به اندوکتانس بسیار کمتری نسبت به فرکانس‌های پایین‌تر نیاز دارد و استفاده از ترانسفورماتورهای سنگین، حجیم و گران‌قیمت با هسته آهنی را حذف می‌کند. روش دیگری برای تبدیل ولتاژ DC از پمپ شارژ استفاده می کند که با استفاده از سوئیچینگ سریع برای تغییر اتصالات خازن ها. این تکنیک به دلیل اندازه خازن های مورد نیاز به طور کلی به منابع تا چند وات محدود می شود.
یکسو کننده ها همچنین برای تشخیص سیگنال های رادیویی مدوله شده با دامنه استفاده می شوند . سیگنال ممکن است قبل از تشخیص تقویت شود. در غیر این صورت، باید از یک دیود افت ولتاژ بسیار کم یا یک دیود بایاس با ولتاژ ثابت استفاده شود. هنگام استفاده از یکسو کننده برای دمودولاسیون، خازن و مقاومت بار باید به دقت مطابقت داده شوند: ظرفیت بسیار کم باعث می شود حامل فرکانس بالا به خروجی منتقل شود و خیلی زیاد باعث می شود خازن فقط شارژ شود و شارژ بماند.
یکسو کننده ها ولتاژ پلاریزه را برای جوشکاری تامین می کنند . در چنین مدارهایی کنترل جریان خروجی مورد نیاز است. این گاهی اوقات با جایگزین کردن برخی از دیودهای یکسو کننده پل با تریستورها به دست می آید ، دیودهایی که ولتاژ خروجی آنها را می توان با روشن و خاموش کردن با کنترل کننده های فاز تنظیم کرد .
استفاده می‌شوند تریستورها در کلاس‌های مختلف سیستم‌های راه‌آهن نورد تا بتوان به کنترل دقیق موتورهای کششی دست یافت. تریستورهای خاموش کننده گیت برای تولید جریان متناوب از منبع DC استفاده می شوند، به عنوان مثال در قطارهای یورواستار برای تغذیه موتورهای کششی سه فاز . [13]
فن آوری های اصلاح
الکترومکانیکی
قبل از حدود سال 1905، زمانی که یکسو کننده های نوع لوله توسعه یافتند، دستگاه های تبدیل قدرت از نظر طراحی صرفاً الکترومکانیکی بودند. یکسو کننده های مکانیکی از نوعی چرخش یا ارتعاش رزونانسی استفاده می کردند که توسط آهنرباهای الکتریکی هدایت می شد، که یک سوئیچ یا کموتاتور را برای معکوس کردن جریان کار می کرد.
این یکسو کننده های مکانیکی پر سر و صدا بودند و نیاز به تعمیر و نگهداری بالایی داشتند، از جمله روغن کاری و تعویض قطعات متحرک به دلیل سایش. باز کردن کنتاکت های مکانیکی تحت بار باعث ایجاد قوس الکتریکی و جرقه هایی می شود که باعث گرم شدن و فرسایش کنتاکت ها می شود. نبودند آنها همچنین قادر به مدیریت فرکانس های AC بالاتر از چندین هزار سیکل در ثانیه .
یکسو کننده سنکرون
برای تبدیل متناوب به جریان مستقیم در لوکوموتیوهای الکتریکی ، ممکن است از یکسو کننده سنکرون استفاده شود. [ نیازمند منبع ] شامل یک موتور سنکرون است که مجموعه ای از کنتاکت های الکتریکی سنگین را به حرکت در می آورد. موتور در زمان با فرکانس AC می چرخد و به طور دوره ای اتصالات به بار را در یک لحظه زمانی که جریان سینوسی از یک تقاطع صفر می گذرد، معکوس می کند. کنتاکت ها نباید جریان زیادی را تغییر دهند ، اما باید بتوانند DC لوکوموتیو حمل کنند جریان زیادی را برای تامین موتورهای کشش .
یکسو کننده ارتعاش
اینها شامل یک نی تشدید کننده بودند که توسط یک میدان مغناطیسی متناوب ایجاد شده توسط یک آهنربای الکتریکی متناوب، با کنتاکت هایی که جهت جریان را در نیم سیکل های منفی معکوس می کردند، ارتعاش می کردند. آنها در دستگاه های کم مصرف، مانند شارژرهای باتری ، برای اصلاح ولتاژ پایین تولید شده توسط ترانسفورماتور کاهنده استفاده می شدند. استفاده دیگر در منبع تغذیه باتری برای رادیوهای لوله خلاء قابل حمل برای تامین ولتاژ DC بالا برای لوله ها بود. سوئیچینگ حالت جامد مدرن اینها به عنوان یک نسخه مکانیکی از اینورترهای ، با یک ترانسفورماتور برای افزایش ولتاژ باتری، و مجموعه ای از کنتاکت های ویبراتور روی هسته ترانسفورماتور، که توسط میدان مغناطیسی آن کار می کنند ، برای شکستن مکرر جریان باتری DC برای ایجاد یک پالس AC برای تغذیه ترانسفورماتور. سپس مجموعه دومی از کنتاکت های یکسو کننده روی ویبراتور ولتاژ AC بالا را از ترانسفورماتور ثانویه به DC اصلاح کرد.
مجموعه موتور ژنراتور
مجموعه موتور ژنراتور مشابه ، یا مبدل چرخشی ، به طور دقیق یکسو کننده نیست، زیرا در واقع جریان را یکسو نمی کند ، بلکه تولید می کند DC را از منبع AC . در یک “مجموعه MG”، شفت یک موتور AC به طور مکانیکی با یک ژنراتور DC جفت می شود . ژنراتور DC جریان های متناوب چند فازی را در سیم پیچ های آرمیچر خود تولید می کند که یک کموتاتور روی شفت آرمیچر آن را به جریان مستقیم خروجی تبدیل می کند. یا یک ژنراتور هم قطبی بدون نیاز به کموتاتور جریان مستقیم تولید می کند. مجموعه‌های MG برای تولید DC برای موتورهای کششی راه‌آهن، موتورهای صنعتی و سایر کاربردهای جریان بالا مفید هستند و در بسیاری از کاربردهای DC پرقدرت (به عنوان مثال، پروژکتورهای لامپ‌های کربنی برای سالن‌های باز) قبل از تبدیل شدن نیمه‌هادی‌های پرقدرت رایج بودند. به طور گسترده در دسترس است.
الکترولیتی
یکسو الکترولیتی کننده [14] وسیله ای از اوایل قرن بیستم بود که دیگر مورد استفاده قرار نمی گیرد. یک نسخه خانگی در کتاب مکانیک پسر [15] ، فقط برای استفاده در ولتاژهای بسیار پایین مناسب است در سال 1913 نشان داده شده است، اما به دلیل ولتاژ خرابی پایین و خطر برق گرفتگی . دستگاه پیچیده تری از این نوع توسط GW Carpenter در سال 1928 ثبت اختراع شد (اختراع ایالات متحده 1671970). [16]
هنگامی که دو فلز مختلف در یک محلول الکترولیت معلق می شوند، جریان مستقیمی که از یک طرف از محلول عبور می کند مقاومت کمتری نسبت به جهت دیگر می بیند. یکسو کننده های الکترولیتی معمولاً از یک آند آلومینیوم و یک کاتد سرب یا فولاد استفاده می کنند که در محلول تری آمونیوم ارتوفسفات معلق هستند.
عمل یکسوسازی به دلیل پوشش نازکی از هیدروکسید آلومینیوم روی الکترود آلومینیوم است که ابتدا با اعمال جریان قوی به سلول برای ایجاد پوشش ایجاد می شود. فرآیند یکسوسازی به دما حساس است و برای بهترین بازده نباید بالاتر از 86 درجه فارنهایت (30 درجه سانتیگراد) عمل کند. وجود دارد همچنین یک ولتاژ شکست که در آن پوشش نفوذ می کند و سلول اتصال کوتاه پیدا می کند. روش‌های الکتروشیمیایی اغلب شکننده‌تر از روش‌های مکانیکی هستند و می‌توانند به تغییرات استفاده حساس باشند، که می‌تواند به شدت فرآیندهای یکسوسازی را تغییر دهد یا به طور کامل مختل کند.
دستگاه‌های الکترولیتی مشابه به عنوان صاعقه‌گیر در همان دوران با تعلیق بسیاری از مخروط‌های آلومینیومی در مخزن محلول ارتوفسفات تری آمونیوم مورد استفاده قرار گرفتند. برخلاف یکسو کننده فوق، فقط از الکترودهای آلومینیومی استفاده شد، و در AC استفاده شد، هیچ قطبش و در نتیجه هیچ عمل یکسو کننده وجود نداشت، اما شیمی مشابه بود. [17]
مدرن خازن الکترولیتی ، جزء ضروری اکثر تنظیمات مدار یکسو کننده نیز از یکسو کننده الکترولیتی ساخته شده است.
نوع پلاسما
توسعه فن آوری لوله خلاء در اوایل قرن بیستم منجر به اختراع یکسو کننده های مختلف از نوع لوله شد که تا حد زیادی جایگزین یکسو کننده های مکانیکی پر سر و صدا و ناکارآمد شدند.
قوس عطارد
یکسو کننده مورد استفاده در سیستم های انتقال قدرت جریان مستقیم ولتاژ بالا (HVDC) و پردازش های صنعتی بین سال های 1909 تا 1975، یکسو کننده قوس جیوه یا شیر قوس جیوه است . دستگاه در یک ظرف شیشه ای پیازدار یا وان فلزی بزرگ محصور شده است. یک الکترود، کاتد ، در حوضچه ای از جیوه مایع در کف ظرف غوطه ور می شود و یک یا چند الکترود گرافیتی با خلوص بالا، به نام آند ، در بالای حوضچه معلق هستند. ممکن است چندین الکترود کمکی برای شروع و حفظ قوس وجود داشته باشد. هنگامی که یک قوس الکتریکی بین حوضچه کاتد و آندهای معلق ایجاد می شود، جریانی از الکترون ها از طریق جیوه یونیزه شده از کاتد به آندها جریان می یابد، اما نه به روش دیگر (در اصل، این یک همتای با قدرت بالاتر برای یکسوسازی شعله است . که از همان خواص انتقال جریان یک طرفه پلاسما که به طور طبیعی در شعله وجود دارد استفاده می کند.
این دستگاه ها را می توان در سطوح توان صدها کیلووات استفاده کرد و ممکن است برای تحمل یک تا شش فاز جریان AC ساخته شود. پرقدرت یکسو کننده های قوس جیوه با یکسو کننده های نیمه هادی سیلیکونی و مدارهای تریستور در اواسط دهه 1970 جایگزین شدند. قوی‌ترین یکسوکننده‌های قوس جیوه‌ای که تا به حال ساخته شده‌اند در پروژه Manitoba Hydro Nelson River Bipole HVDC با توان ترکیبی بیش از 1 گیگاوات و 450 کیلو ولت نصب شده‌اند. [18] [19]
لوله الکترونی گاز آرگون
دستگاه لوله یکسو کننده تونگار جنرال الکتریک یک بخار جیوه (مثلا: 5B24) یا آرگون (مثلا: 328) الکترونی پر از گاز با یک کاتد رشته تنگستن و یک آند دکمه کربنی بود. این دیود مشابه دیود لوله خلاء ترمیونیک عمل می کرد، اما گاز موجود در لوله در طول هدایت به جلو یونیزه می شود و افت ولتاژ رو به جلو بسیار کمتری به آن می دهد تا بتواند ولتاژهای پایین تر را اصلاح کند. ارزان قیمت از دهه 1920 تا زمانی که یکسو کننده های فلزی و بعدها دیودهای نیمه هادی جایگزین آن شدند، برای شارژرهای باتری و کاربردهای مشابه استفاده می شد. اینها تا چند صد ولت و چند آمپر ساخته می‌شدند و در برخی اندازه‌ها به شدت شبیه یک لامپ رشته‌ای با یک الکترود اضافی بودند.
0Z4 یک لوله یکسو کننده پر از گاز بود که معمولاً در لوله خلاء رادیوهای ماشین در دهه های 1940 و 1950 استفاده می شد. این یک لوله یکسو کننده تمام موج معمولی با دو آند و یک کاتد بود، اما از این نظر منحصر به فرد بود که هیچ رشته ای نداشت (بنابراین عدد “0” در نوع خود بود). شکل الکترودها به گونه ای بود که ولتاژ شکست معکوس بسیار بیشتر از ولتاژ شکست رو به جلو بود. هنگامی که از ولتاژ شکست فراتر رفت، 0Z4 به حالت مقاومت کم با افت ولتاژ رو به جلو حدود 24 ولت تغییر کرد.
لوله وکیوم دیود (شیر)
دیود ترمیونی لوله خلاء ، که در اصل دریچه فلمینگ نامیده می شد، توسط جان آمبروز فلمینگ در سال 1904 به عنوان آشکارساز امواج رادیویی در گیرنده های رادیویی اختراع شد و به یک یکسو کننده عمومی تبدیل شد. این شامل یک لامپ شیشه ای تخلیه شده با رشته ای بود که توسط جریان جداگانه گرم می شد و یک آند صفحه فلزی . این رشته در سال 1884 کشف شد، الکترون با گسیل ترمیونی (اثر ادیسون)، که توسط توماس ادیسون ساطع می‌کند و ولتاژ مثبت روی صفحه باعث جریان الکترون‌ها از طریق لوله از رشته‌ای به صفحه دیگر می‌شود. از آنجایی که فقط رشته الکترون تولید می کند، لوله فقط جریان را در یک جهت هدایت می کند و به لوله اجازه می دهد تا یک جریان متناوب را اصلاح کند.
یکسو کننده های دیود ترمیونیک به طور گسترده در منابع تغذیه محصولات الکترونیکی مصرفی لوله خلاء، مانند گرامافون، رادیو و تلویزیون، به عنوان مثال گیرنده رادیویی All American Five ، برای تامین ولتاژ صفحه DC بالا مورد نیاز سایر لوله های خلاء استفاده می شد. نسخه های “تمام موج” با دو صفحه مجزا محبوب بودند زیرا می توانستند با یک ترانسفورماتور با ضربه مرکزی برای ساخت یکسو کننده تمام موج استفاده شوند. یکسو کننده های لوله خلاء برای ولتاژهای بسیار بالا، مانند منبع تغذیه ولتاژ بالا برای لوله اشعه کاتدی گیرنده های تلویزیون ، و کنوترون مورد استفاده برای تامین برق در اشعه ایکس تجهیزات ساخته شده اند. با این حال، در مقایسه با دیودهای نیمه هادی مدرن، یکسو کننده های لوله خلاء به دلیل شارژ فضا و در نتیجه افت ولتاژ بالا، مقاومت داخلی بالایی دارند و باعث اتلاف توان بالا و راندمان پایین می شوند. آنها به ندرت قادر به تحمل جریان بیش از 250 میلی آمپر به دلیل محدودیت های اتلاف برق صفحه هستند و نمی توانند برای کاربردهای ولتاژ پایین مانند شارژرهای باتری استفاده شوند. یکی دیگر از محدودیت های یکسو کننده لوله خلاء این است که منبع تغذیه بخاری اغلب به ترتیبات خاصی نیاز دارد تا آن را از ولتاژهای بالای مدار یکسو کننده عایق کند.
حالت جامد
آشکارساز کریستال
آشکارساز کریستال اولین نوع دیود نیمه هادی بود. توسط Jagadish Chandra Bose اختراع شد و توسط GW Pickard در سال 1902 توسعه یافت و نسبت به آشکارسازهای قبلی مانند coherer پیشرفت چشمگیری داشت. آشکارساز کریستال به طور گسترده ای قبل از در دسترس شدن لوله های خلاء استفاده می شد. یکی از انواع رایج آشکارساز کریستال، که اغلب به آن آشکارساز سبیل گربه ای می گویند ، از کریستالی از نیمه رسانا مواد معدنی ، معمولاً گالن (سولفید سرب) تشکیل شده است که یک سیم فنری سبک که سطح آن را لمس می کند. شکنندگی و قابلیت جریان محدود آن را برای کاربردهای منبع تغذیه نامناسب کرده است. در دهه 1930، محققان کوچک‌سازی و بهبود دادند آشکارساز کریستال را برای استفاده در فرکانس‌های مایکروویو .
یکسو کننده های سلنیوم و اکسید مس
زمانی که در دهه 1970 با یکسو کننده های حالت جامد سیلیکونی فشرده تر و کم هزینه جایگزین شدند، این واحدها از پشته های صفحات فلزی پوشش داده شده با اکسید استفاده می کردند و از خواص نیمه هادی سلنیوم اکسید یا مس استفاده می کردند. [20] در حالی که یکسو کننده‌های سلنیومی وزن سبک‌تری داشتند و از قدرت کمتری نسبت به یکسوکننده‌های لوله خلاء مشابه استفاده می‌کردند، نقطه ضعف آنها عبارت بود از امید به زندگی محدود، افزایش مقاومت با افزایش سن، و فقط برای استفاده در فرکانس‌های پایین مناسب بودند. هر دو یکسو کننده های سلنیوم و اکسید مس نسبت به یکسو کننده های سیلیکونی تحمل بهتری نسبت به ولتاژ لحظه ای دارند.
معمولاً این یکسو کننده‌ها از پشته‌هایی از صفحات فلزی یا واشر تشکیل می‌شدند که توسط یک پیچ مرکزی به هم متصل می‌شدند و تعداد پشته‌ها بر اساس ولتاژ تعیین می‌شد. هر سلول برای حدود 20 ولت رتبه بندی شده بود. یکسو کننده شارژر باتری خودرو ممکن است فقط یک سلول داشته باشد: منبع تغذیه ولتاژ بالا برای یک لوله خلاء ممکن است ده ها صفحه روی هم داشته باشد. چگالی جریان در پشته سلنیوم خنک شده با هوا حدود 600 میلی آمپر در هر اینچ مربع از منطقه فعال (حدود 90 میلی آمپر بر سانتی متر مربع) بود.
دیودهای سیلیکون و ژرمانیوم
دیودهای سیلیکونی پرمصرف ترین یکسو کننده ها برای ولتاژها و توان های کمتر هستند و تا حد زیادی جایگزین یکسو کننده های دیگر شده اند. دیودهای ژرمانیومی به دلیل ولتاژ پیشروی بسیار پایین تر (0.3 ولت در مقابل 0.7 ولت برای دیودهای سیلیکونی)، مزیت ذاتی نسبت به دیودهای سیلیکونی در مدارهای ولتاژ پایین دارند.
قدرت بالا: تریستورها (SCR) و مبدل‌های جدید ولتاژ مبتنی بر سیلیکون
در کاربردهای پرقدرت، از سال 1975 تا 2000، اکثر یکسو کننده های قوس دریچه جیوه ای پشته هایی از تریستورهای در مقایسه با یک دیود ساده با با قدرت بسیار بالا، دستگاه های سیلیکونی با دو لایه اضافی نیمه هادی جایگزین شدند.
در کاربردهای انتقال توان متوسط، حتی سیستم های یکسو کننده نیمه هادی سیلیکونی مبدل منبع ولتاژ پیچیده تر و پیچیده تر (VSC) مانند ترانزیستورهای دوقطبی گیت عایق (IGBT) و تریستورهای خاموش کننده گیت (GTO) ، انتقال برق DC با ولتاژ بالا را کوچکتر کرده اند. سیستم های اقتصادی همه این دستگاه ها به عنوان یکسو کننده عمل می کنند.
از سال 2009 انتظار می‌رفت که این «سوئیچ‌های خود جابجایی» سیلیکونی پرقدرت، به‌ویژه IGBTها و یک نوع تریستور (مربوط به GTO) به نام تریستور یکپارچه با تغییر در دروازه ( IGCT) مقیاس‌بندی شوند. در رتبه‌بندی توان تا حدی بالا می‌روند که در نهایت سیستم‌های اصلاح AC مبتنی بر تریستور را برای بالاترین کاربردهای DC با انتقال نیرو جایگزین می‌کنند. [21]
یکسو کننده فعال
یکسوسازی فعال تکنیکی است برای بهبود راندمان یکسوسازی با جایگزینی دیودها با سوئیچ های کنترل شده فعال مانند ترانزیستورها ، معمولاً ماسفت های قدرت یا BJT های قدرت . [22] در حالی که دیودهای نیمه هادی معمولی افت ولتاژ تقریباً ثابتی در حدود 0.5-1 ولت دارند، یکسو کننده های فعال مانند مقاومت عمل می کنند و می توانند افت ولتاژ خودسرانه پایینی داشته باشند.
از لحاظ تاریخی، سوئیچ های ارتعاشی یا کموتاتورهای استفاده شده اند موتور محور نیز برای یکسو کننده های مکانیکی و یکسوسازی سنکرون . [23]
اصلاح فعال کاربردهای زیادی دارد. اغلب برای آرایه‌هایی از پانل‌های فتوولتائیک استفاده می‌شود تا از جریان معکوس جلوگیری شود که می‌تواند باعث گرمای بیش از حد با سایه جزئی شود و در عین حال حداقل تلفات برق را به همراه داشته باشد.
تحقیقات فعلی
حوزه اصلی تحقیق، توسعه یکسو کننده‌های فرکانس بالاتر است که می‌توانند به فرکانس‌های تراهرتز و نور یکسو شوند. استفاده می شوند این دستگاه ها در تشخیص هترودین نوری که کاربردهای بی شماری در ارتباطات فیبر نوری و ساعت های اتمی دارد . دریافت می شوند یکی دیگر از کاربردهای احتمالی برای چنین دستگاه هایی تصحیح مستقیم امواج نوری است که توسط آنتن های نامیده می شوند کوچکی که نانتن ، برای تولید برق DC . [24] تصور می‌شود که آرایه‌های آنتن می‌توانند وسیله کارآمدتری برای تولید نیروی خورشیدی نسبت به سلول‌های خورشیدی باشند .
یک حوزه تحقیقاتی مرتبط توسعه یکسو کننده های کوچکتر است، زیرا دستگاه کوچکتر فرکانس قطع بالاتری دارد. پروژه های تحقیقاتی در تلاش برای توسعه یک یکسو کننده تک مولکولی منفرد هستند، یک مولکول آلی که به عنوان یکسو کننده عمل می کند.
همچنین ببینید
- آداپتور ای سی
- کارل فردیناند براون (یکسو کننده نقطه تماس، 1874)
- یکسو کننده دقیق
- یکسو کننده
- یکسو کننده وین