چگونگی کارکرد پل دیودی، در مدار راه ایمپالسی
در این مقاله قصد داریم مدار یکسو کننده پل موج کامل را مورد بحث قرار دهیم،بنابراین در سمت چپ،یک سیگنال AC که یک سیگنال جریان متناوب است را به یک ترانسفورماتور اعمال میکنیم.
اکنون در سمت راست این ترانسفورماتور، چهار دیود متصل داریم و نحوه اتصال این چهار دیود به ما این امکان را میدهد که سیگنال AC را به DC تبدیل کنیم که هدف اصلی یکسوکننده است.سپس یک مقاومت قرار میدهیم و اسم آن را R میگذاریم.حالا چهار نقطه حایز اهمیت داریم که آنها را A،B،C،Dنام گذاری میکنیم و دیود ها را به نام های D1،D2،D3،D4 وصف میکنیم. چیزی که میبینید مدار یکسو کننده پل موج کامل است.اکنون بیایید در مورد عملکرد این مدار صحبت کنیم.
در تصویر زیر یک موج سینوسی میبینید و در طول نیم سیکل مثبت این موج، قسمت بالایی در سمت راست ترانسفورماتور دارای پتانسیل مثبت است و سمت پایین پتانسیل منفی خواهد داشت و این در واقع پولاریته(قطبیت) بخش دوم ترانسفورماتور میباشد.جریان قراردادی همواره از پتانسیل بیشتر به پتانسیل کمتر است که میدانیم برخلاف جریان حرکت الکترون است.فلش سبز رنگ نشان دهنده جهت جریان قراردادی میباشد که از قطب(ترمینال) مثبت ترانسفورماتور به سمت نقطه A و سپس از نقطه A به نقطه B(از طریق دیود D1) جریان خواهد داشت. اکنون مسیله این است که دیود D1 روشن است یا خاموش؟ یعنی آیا در حالت بایاس رو به جلو است یا در حالت بایاس معکوس؟ هر زمان که جهت جریان قراردادی در همان جهت فلش باشد، دیود روشن و اکتیو(در حالت بایاس رو به جلو )است و اگر جریان درجهت مخالف فلشی باشدکه بخشی از نماد دیود است،در این حالت دیود درحالت خاموش(در حالت بایاس معکوس)است.در قسمت A تا B به وضوح دیده میشود که جهت فلش سبز رنگ با جهت دیود یکسان است، در نتیجه D روشن است.
سپس جریان از B به C میرود و باید توجه داشت که جهت فلش سبز رنگ برخلاف جهت دیود است که به یک تناقض میرسیم و در نتیجه دیود D2 خاموش است. بنابراین جریان الکتریکی ناچار است از B به سمت مقاومتR حرکت کند،سپس به سمت نقطه D بازگردد و پس از آن از دیود D4 عبور میکند زیرا جریان در جهت یکسانی با فلش سبز رنگ خواهد بود. اکنون مشاهده میشود راهی برای بازگشت به A ندارد چرا که از ابتدا از A بوده است(به یک تناقض میرسیم) به این معنا که هچین چیزی شدنی نیست و در نتیجه دیود D4 در جهت معکوس بایاس است. میتوانیم از این زاویه به قضیه نگاه کنیم که پتانسیل الکتریکی در نقطه D از پتانسیل الکتریکی در نقطه A کمتر است و میدانیم جریان از پتانسیل کمتر به پتانسیل بیشتر نمیرود و اصلا این گونه عمل نمیکند(جریان الکتریکی همواره از پتانسیل بیشتر به پتانسیل کمتر میرود که همان جریان قراردادی است).
فرض کنید ولتاژ نقطه A، 20ولت باشد در نتیجه ولتاژ نقطه B ، 19.3ولت خواهد بود زیرا یک دیود معمولی دارای یک افت ولتاژ 0.6 یا 0.7 ولتی می باشد. یک افت ولتاژ نیز در مقاومت وجود دارد و فرض میکنیم پس از عبور از مقاومت شاهد ولتاژی برابر با 0.7ولت خواهیم بود(اختلاف 19.3 و 0.7 همان افت ولتاژ چشمگیر در مقاومت بوده است،بنابراین پتانسیل الکتریکی در سر دیگر مقاومت 0.7ولت خواهد بود).در نهایت با عبور از دیودD3، ولتاژ نقطه C برابر با صفر ولت خواهد بود زیرا جهت مخالف این ترانسفورماتور است که این بدان معناست که ولتاژ نقطهD همچنان 0.7ولت است.از آنجایی که جریان علاقه دارد از پتانسیل بیشتر به پتانسیل کمتر برود که یعنی از A(20ولت) به D(0.7ولت) ولی جهت حرکت جریان با جهت دیود مخالف است و این یعنی D4 خاموش است(در حالت بایاس معکوس است).لحظه ای که جریان به نقطه D برسد از دیودD4 عبور نخواهد کرد و از دیودD3 عبور میکند.
با توجه به آنچه گفته شد D3 در حالت اکتیو است و پس از عبور از D3 به نقطه C میرسد و سپس به ترانسفورماتور برمیگردد. این جهت جریان قراردادی در طول نیم سیکل مثبت بود که بررسی کردیم اکنون روی مقاومت تمرکز میکنیم.پیش از این گفته شد جریان از پتانسیل بیشتر به پتانسیل کمتر میرود بنابراین قسمت بالای مقاومت دارای پتانسیل بیشتری نسبت به قسمت پایین آن است. حال برای اینکه به جریان DC برسیم،پولاریته(قطبیت) برای نیم سیکل مثبت و نیم سیکل منفی در این موج سینوسی AC باید باهم برابر باشند.بیایید ببینیم آیا قرار است برای نیم سیکل منفی ثابت بماند یا خیر. اکنون به سراغ نیم سیکل منفی میرویم که پولاریته سمت راست ترانسفورماتور برخلاف حالت قبلی خواهد بود.این دفعه قسمت بالایی پولاریته منفی خواهد داشت.مثل همیشه جریان قراردادی از پتانسیل بیشتر به پتانسیل کمتر میرود. بنابراین از ترمینال مثبت جاری میشود و به سمت ترمینال منفی میرود.پس به سمت نقطه C میرود.اکنون از نقطه C به نقطه Bمیرود.مشاهده میشود دیود D2 روشن و اکتیو است.دلیلی که جریان از نقطه C به نقطه D نمیرود این است که جهت جریان و جهت دیود عکس یکدیگر هستند و به طور مشابه با دفعات قبلی عبور چنین جریانی میسر نیست(دیود D3 خاموش است).عبور جریان از C به B نشان میدهد جریان در نهایت از مقاومت R عبور میکند.در نتیجه همانند حالت نیم سیکل مثبت موج سینوسی AC قسمت بالایی مقاومت R مثبت و قسمت پایینی آن منفی خواهد بود(چون جریان از پتانسیل بیشتر به پتانسیل کمتر عبور میکند).پولاریته مقاومت R با حالت قبلی یکسان است.اکنون ما یک سیگنال AC در مقابل یک سینگال DC داریم.اگر میخواهید یک منبع قدرت AC را به یک منبع قدرت DC تبدیل کنید، مدار یکسو کننده پل موج کامل بسیار کاربردی میباشد. اکنون به سراغ جریان قراردادی میرویم که در این حالت به سمت نقطه D میرود و این سوال مطرح میشود که آیا جریان از نقطه D به سمت نقطه C میرود یا خیر؟ برای جواب به این سوال از ولتاژ های فرضی کمک میگیریم. سر منفی ترانسفورماتور که در بالا قرار دارد دارای ولتاژی برابر با صفر ولت و برای سر مثبت ترانسفورماتور که در پایین قرار دارد ولتاژی برابر با 20 ولت در نظر میگیریم.در عبور جریان از C به B شاهد افت ولتاژی برابر با 0.7 ولت به دلیل وجود دیود D2 خواهیم بود.پس ولتاژ در نقطه B برابر با 19.3 ولت خواهد بود. از نقطه B از مقاومتR عبور میکنیم و پس از افت ولتاژ به 0.7 ولت میرسیم و در نهایت به نقطه D میرسیم که افت ولتاژی نخواهیم داشت چون فقط از سیم عبور کرده ایم.باید توجه داشت ولتاژ نقاط A و C به ترتیب 0 و 20 ولت خواهد بود. الان میتونیم بفهمیم کدام دیود خاموش و یا روشن است.
دیدید که در نهایت جریان به نقطه D رسید و جالب است بدانید از دیود D3 عبور نخواهد کرد زیرا با وجود اینکه جهت جریان و جهت دیود یکسان است اما هرگز جریان نمیتواند از پتانسیل کمتر یعنی 0.7 ولت به پتانسیل بیشتر یعنی 20 ولت برود و D3 مانند حالت قبلی خاموش است.اکنون عبور جریان از D به A میسر است(D4 روشن و اکتیو است).اما جریان از A نمیتواند به Bبرود چون پتانسیل A کمتر است و این یک تناقض است(D1 نیز خاموش است).در طول نیم سیکل منفی،فقط D2 و D4 فعال هستند.زمانی که جریان به نقطه A برسد، به ترانسفورماتور برمیگردد. ممکن است این سوال برای شما نیز ایجاد شده باشد که در خروجی چه نوع موجی خواهیم داشت.در واقع در خروجی یک سیگنال DC ضربانی خواهیم داشت. هنگام طراحی یک مدار منبع تغذیه،کاری که می خواهید انجام دهید این است که می خواهید یک سیگنال سازگار خوب دریافت کنید. در حالت ایده‌آل شما میخواهید سیگنالی به این شکل باشد، میخواهید تا حد امکان صاف باشد، شما نمیخواهید موج DC ضربانی داشته باشید، پس چگونه میتوانیم این سیگنال DC ضربانی را به چیزی به سیگنال DC صاف‌تر تبدیل کنیم، چگونه میتوانیم این کار را انجام دهیم.
آیا می توانیم عناصری را به این مدار اضافه کنیم تا اساساً تغییرات ولتاژی را که در خروجی می بینیم کاهش دهیم؟ یکی از اولین کارهایی که می توانیم انجام دهیم این است که می توانیم یک خازن را موازی با مقاومت R اضافه کنیم.خازن اساساً تغییرات ولتاژها را فیلتر می کند.بدون خازن اساساً یک سیگنال DCضربانی خواهیم داشت ،اما با خازن تغییرات کمتر خواهد بود، بنابراین صاف تر می شود.
قطب مثبت و منفی خازن را مشخص میکنیم.وقتی ولتاژ در حال افزایش است،خازن بار را ذخیره می کند و انرژی را از مدار جذب می کند.زمانی که ولتاژ مقاومت کاهش می یابد،خازن انرژی ذخیره شده خود را به مدار آزاد می کند و بنابراین از افت خیلی کم ولتاژ جلوگیری می کند و هنگامی که ولتاژ دوباره بالا می رود،خازن دوباره انرژی را از مدار جذب می کند و از افزایش سریع ولتاژ جلوگیری می کند.خازن انرژی را جذب و آزاد می کند که باعث می شود ولتاژ یکنواخت تر باشد تا اینکه سریع افت کند و یا افزایش سریع داشته باشد و باعث میشود سیگنال DC ضربان دار صاف شود و اکنون تغییر ولتاژهایی که دراینجا می بینیم ولتاژ موج دار نامیده می شود. ولتاژ موج دار را می توانید با افزایش مقدار ظرفیت خازن یا با افزایش مقاومت بار که ممکن است همیشه کنترلی بر آن ها نداشته باشید کاهش دهید ،باید مراقب باشید که مقدار ظرفیت خازن را در این مدار افزایش می دهید،زیرا حتی اگر این یک راه بسیار موثر برای کاهش ولتاژ موج دار باشد مشکل دیگری وجود دارد که باید از آن آگاه باشید.هنگامی که سیگنال AC را به این یکسو کننده اعمال می کنید، اگر خازن کاملاً تخلیه شود که احتمالاً در چنین حالتی قرار می گیرد. به جای جریان یافتن از دستگاهی که به این یکسو کننده متصل است و یا حتی از طریق مقاومت، عبورجریان از خازن آسان تر است،زیرا خازن در حال شارژ شدن است و بنابراین خازن مانند یک اتصال کوتاه عمل می کند،به خاطر داشته باشید که جریان قراردادی ازخازن عبور نمی کند بلکه خازن را شارژ می کند زیرا در مرکز خازن شما یک عایق دارید.در ابتدا خازن شارژ می شود،بنابراین جریان زیادی در این ناحیه سبز رنگ خواهید داشت.
اگر جریان خیلی زیاد باشد می تواند دیودها را بسوزاند و این جریان به صورت ولتاژ پیک در ترانسفورماتور منهای افت ولتاژ دیودها باشد به روی(تقسیم بر) مقاومت دیودها به اضافه مقاومت ترانسفورماتور حاصل کسر خواهد بود. مخرج کسر ممکن است مقادیر پایینی باشند،بنابراین جریان زیاد خواهد بود و این حداکثر جریانی خواهد بود که از خازن درحین شارژ شدن عبور می کند.
ما واقعاً نباید نگران مقاومت R باشیم زیرا مقاومت این مقادیر(مخرج کسر) معمولاً بسیارکمتر از مقاومت بار خواهد بود. چگونه میتوانیم دیودها را در برابر جریان افزایشی(نابهنجار) محافظت کنیم تا دیودها نسوزند؟ چیزی که تضمین شدنی است این است که چنین جریانی زیاد دوام نمیاورد پس مشکل خاصی نیست.هرچند که شما نمیخواهید از مقدار ماکسیمم شدت جریان دیود ها عبور کنید بنابراین آنچه باید انجام دهید این است که تعیین کنید حداکثر ولتاژ پیک منهای افت ولتاژ دیودهایی که دو دیود در هر نقطه فعال هستند، بنابراین ولتاژ پیک در ترانسفورماتور منهای 1.4 خواهد بود.
سپس باید مقاومت سمت ثانویه (سمت راست)ترانسفورماتور و همچنین مقاومت حجمی دیودها را تعیین کنید و بنابراین می توانید تخمین بزنید که حداکثر جریان افزایشی(نابهنجار) چقدر خواهد بود. اکنون یکی از کارهایی که می توانید انجام دهید استفاده از نوع خاصی از دیود است.برخی از دیودها دارای حداکثر شدت جریان 1آمپر هستند،برخی دیگر می توانند 10 آمپر باشند،برخی می توانند جریان 50 آمپر را تحمل کنند و دیود های بزرگی وجود دارند که می توانند 100 آمپر را تحمل کند،بنابراین می تواند یک راه ساده برای حل این مشکل باشد،فقط از یک دیود استفاده کنید که می تواند مقدار جریان بالایی را تحمل کند.اگر به چنین دیودهایی دسترسی ندارید، ،کاری که می توانید انجام دهید این است که از یک مقاومت محدود کننده جریان سری استفاده کنید.اجازه دهید بخشی از مدار را دوباره ترسیم کنیم.
مقاومت محدود کننده را Rs،خازن را C و همچنین مقاومت بار را RL می نامیم. با اضافه کردن Rsمی توانیم مقدار جریانی را که از دیودها عبور می کند محدود کنیم اکنون باید مراقب باشید زیرا با افزایش Rs ، ولتاژ خروجی کاهش می یابد زیرا این دو مقاومت Rs و RL مدار تقسیم کننده ولتاژ را تشکیل می دهندو بنابراین با افزایش Rs، ولتاژ خروجی یکسو کننده کاهش می یابد و این یکی ازمعایب استفاده از این مقاومت محدود کننده جریان سری است که با افزایش مقدار آن ولتاژ خروجی را کاهش می دهد بنابراین همیشه نوعی سبک و سنگین کردن وجود دارد که می توانید از دیودها در برابرجریان افزایشی محافظت کنید اما ولتاژ خروجی را کاهش می دهید. فقط برای استفاده از دیودی که می تواند مقدار جریان بیشتری را تحمل کند تا راحت ترشود ،اکنون روش دیگری وجود دارد که می توانیم به جای استفاده از آن مقاومت،آن را با یک سلف جایگزین کنیم اکنون سلف به ما کمک می کند تا جریان ثابتی داشته باشیم،درست مانند خازن که می تواند یک ولتاژ ثابت را حفظ کند.
زمانی که ولتاژ مقاومت بار افزایش می یابد خازن درحالت شارژ قرار می گیرد و بنابراین انرژی را از مدار جذب می کندکه به ثابت بودن ولتاژ کمک می کند و وقتی ولتاژ کاهش می یابد می دانیم که خازن در حالت تخلیه قرار می گیرد و انرژی به مدار آزاد می کند که افت ولتاژ ها را پشتیبانی می کند ، بنابراین اساساً قرار دادن خازن به صورت موازی در این ناحیه باعث می شود که ولتاژ ثابت بماند.زمانی که ولتاژ بالا می رود، خازن انرژی را در میدان استاتیک الکتریکی خود ذخیره می کند و هنگامی که ولتاژ پایین می آید،میدان فروپاشی انرژی آزاد می کند،بنابراین یک ولتاژ ثابت را حفظ می کند.سلف نیز چنین تاثیری دارد منتهی بیشتر با جریان نسبت به ولتاژ .وقتی جریان بالا می رود سلف با افزایش جریان مخالفت می کند و این کار رابا جذب انرژی و ذخیره آن درمیدان مغناطیسی منبسط شده خود انجام می دهد.هنگامی که جریانی پایین می آید میدان مغناطیسی تولید شده توسط سلف فرو می ریزد و در این فرآیند،سلف انرژی ذخیره شده خود را به مدار آزاد میکند و جریان کاهش یافته را پشتیبانی می کند بنابراین اساساً سلف با جریان تعادل برقرار می کند و باعث می شود جریان ثابت بماند،در حالی که خازن به ما اجازه می دهد تا با ولتاژ مدار به حالت تعادل برسیم،بنابراین می خواهید از سلف برای حفظ جریان ثابت در مدار استفاده کنید و می خواهید ازخازن برای حفظ ولتاژ ثابت و ثابت استفاده کنید.بنابراین این فیلتر LC به ما این امکان را می دهد که خروجی بسیار پایداری تولید کنیم.اکنون سلف بسیار مفید است زیرا با هر تغییری در جریان مخالفت می کند و با جریان DC ثابت مخالف نیست،بنابراین اگر جریان DC ثابت داشته باشیم سلف هیچ امپدانسی به آن ارائه نمی دهد. با این حال،اگر جریانی داشته باشیم که دائماً در حال تغییر است، با این تغییرات مخالفت می کند،بنابراین سلف زمانی که به صورت سری با مدار قرار می گیرد، اجازه می دهد یک جریانDCثابت بدون امپدانس عبور کند،اما با سیگنال DC ضربانی مخالفت میکند،بنابراین سلف به ما کمک می کند تا خروجی DC پایدارتری ایجاد کنیم که همان چیزی است که ما می خواهیم، بنابرای هنگام طراحی منبع تغذیه AC به DC شما می خواهید سلف را به صورت سری با مدار خروجی قرار دهید و می خواهید خازن با مدار خروجی موازی یا به موازات مقاومت بار باشد، بنابراین افزایش سلف یا مقدار اندوکتانس سلف ، افزایش ظرفیت خازن و افزایش مقاومت بار به ما کمک می کند تا یک خروجی DC پایدار تولید کنیم.
