منبع تغذیه مبدل AC به DC، با پل دیودی

محمد امینی
سیگنالینگ

در این مقاله می خواهیم در مورد نحوه ایجاد یک منبع تغذیه 12 ولتی DC از یک منبع تغذیه 220 ولتی AC صحبت کنیم، بنابراین اولین جزء مورد نیاز ما ترانسفورماتور نامیده می شود که به طور خاص یک ترانسفورماتور کاهنده(مبدل کاهنده) با نسبت چرخش که در این مثال تقریباً 16.9 : 1 است. کاری که این ترانسفورماتور انجام می دهد این است که یک سیگنال 220 ولت AC یا منبع برق متناوب را می گیرد و آن را به یک منبع برق 13 ولت AC تبدیل می کند. ولتاژ اولیه ترانسفورماتور به ولتاژ ثانویه آن برابر است با نسبت پیچ های اولیه به پیچ های ثانویه بنابراین تعداد سیم پیچ های سمت چپ 16.9 برابر تعداد سیم پیچ های سمت راست است بنابراین با این ترانسفورماتور خاص ما می‌توانیم خروجی 13 ولت یا جریان متناوب دریافت کنیم.

اکنون جزء بعدی که نیاز داریم یک دیود است. جریان در حالت بایاس معکوس جریان ندارد و در این حالت دیود خاموش خواهد بود اما جریان در حالت بایاس رو به جلو دیود روشن است بنابراین دیود به ما اجازه می دهد منبع برق AC را به منبع برق DC تبدیل کنیم و جریان متناوب را به DC یا مستقیم تبدیل می کند. اکنون مداری که روی صفحه می بینید یکسو کننده پل موج کامل نامیده می شود.

قبل از اینکه وارد آن مدار شویم کمی بیشتر در مورد دیود صحبت کنیم.سمت چپ این دیود به عنوان آند شناخته می شود و آند ترمینال مثبت است. در سمت راست که کاتد است، ترمینال منفی است، اکنون هنگام ساختن مداری مانند این ، باید قسمتی را با نوار نقره ای که کاتد دیود است شناسایی کنید، بخشی که فاقد نوار نقره است آند.بنابراین مطمئن شوید که تفاوت را درک کرده اید.

حالا بیایید نقاط A ,B ,C و D را مشخص کنیم، و سپس چهار دیود را که در اینجا داریم نام گذاری کنیم(D1,D2,D3 و D4).

در ورودی یک سیگنال متناوب خواهیم داشت، بنابراین از یک موج سینوسی استفاده می کنیم و اجازه دهید در مورد نیمه مثبت یا نیم چرخه مثبت این موج سینوسی صحبت کنیم، زمانی که آن نیمه سیکل مثبت یک طرف را دریافت کردیم. از ترانسفورماتور در خروجی که خروجی ترانسفورماتور است نه خروجی مدار ، یک طرف مثبت می شود طرف دیگر منفی می شود جریان قراردادی از پتانسیل بالا به پتانسیل پایین می رود بنابراین پتانسیل در ترمینال منفی ترانسفورماتور به آن مقدار 0 ولت می دهیم و در ترمینال مثبت می گوییم که 13 ولت است.بر اساس نوع خاصی از ترانسفورماتور که استفاده می کنیم جریان عبور می کند. برای جریان از ترمینال مثبت به ترمینال منفی اکنون با جریان قراردادی روبرو هستیم که خلاف جهت جریان الکترون است، به خاطر داشته باشید که الکترون های یک مدار از ترمینال منفی به ترمینال مثبت جریان می یابند، اما اکثر کتاب های درسی فیزیک از جریان قراردادی استفاده می کنند. بنابراین جریان از ترمینال مثبت به نقطه A می گذرد و سپس از D1 عبور می کند زیرا D1 در حالت بایاس رو به جلو است و نمی تواند از نقطه A به نقطه D جریان یابد زیرا در حالت بایاس معکوس است و D4 هر جریانی را که در آن جهت می رود مسدود می کند، این اتفاق نمی افتد مگر اینکه ولتاژ بسیار بسیار زیاد باشد، همانطور که جریان از A به B در D1 می گذرد، از مقاومت گذر کرده و سپس به نقطه D می رسد. نقطه D قرار نیست به نقطه A برگردد زیرا معنی ندارد(در حالت بایاس معکوس است) بنابراین تنها مکان منطقی که می تواند به آن برود از طریق D3 به نقطه C و سپس بازگشت به ترمینال منفی است تا جریان در طول این مدت،جریان نیم سیکل مثبت این مدار باشد. بنابراین یک ولتاژ مثبت در بالای مقاومت و ولتاژ منفی در پایین خواهیم داشت، زیرا جریان در جهت مشخص شده جریان خواهد داشت.

اکنون اجازه دهید در مورد ولتاژ در هر یک از این چهار نقطه صحبت کنیم. در نقطه A ولتاژ 13 ولت است.حالا فکر می کنید در نقطه B چه خواهد شد؟یک دیود سیلیکونی حدود 0.6 یا 0.7 ولت افت ولتاژ دارد، یک دیود به جنس ژرمانیوم حدود 0.3 ولت افت ولتاژ دارد، بنابراین اگر از سیلیکون استفاده کنیم پتانسیل دیود در نقطه B چه خواهد بود؟ ما می گوییم 12.4 بنابراین از افت ولتاژ 0.6 ولت استفاده می کنیم، به خاطر داشته باشید که برخی از آنها 0.7خواهد بود و ممکن است بسته به مقدار جریانی که از آن عبور می کند، نیز 0.8 پیدا کنید، اما بیایید از 0.6 استفاده کنیم. اکنون پتانسیل در C، صفر است و در D این پتانسیل 0.6 خواهد بود، بنابراین وقتی جریان از نقطه A به نقطه B می‌رسد، افت ولتاژ 0.6 ولت داریم، سپس وقتی به نقطه D برمی‌گردد، پتانسیل 0.6 ولت است. توجه داشته باشید که جریان از نقطه D به نقطه A نمی رود زیرا جریان قراردادی از پتانسیل کم به پتانسیل بالا نمی رود،بلکه از پتانسیل بالا به پتانسیل پایین می رود.اکنون از نقطه D به نقطه C جریان می‌یابد، زیرا ما از ولت 0.6 به صفر ولت می‌رویم، بنابراین در عرض مقاومت، تفاوت بین 12.4 و 0.6 ولت است که اختلاف 11.8 پتانسیل داریم.

اکنون می‌خواهیم یک منبع تغذیه 12 ولت DC ایجاد کنیم و بنابراین نمی‌خواهیم 11.8 ولت در مقاومت بار ایجاد شود، بلکه می‌خواهیم 12 ولت باشد نه 11.8، بنابراین به جای استفاده از دیود سیلیکون از دیود ژرمانیوم استفاده کنیم.اگر از دیود ژرمانیوم استفاده کنیم، پتانسیل در نقطه B ، 12.7 ولت خواهد بود و نقطه C همچنان صفر ولت خواهد بود، اما D اکنون روی 0.3 ولت خواهد بود. تفاوت بین نقطه B و D، 12.7 منهای 0.3 است بنابراین در حال حاضر ولتاژ خروجی 12.4 ولت داریم که تقریباً 12 است.

اکنون اجازه دهید در مورد نیم سیکل منفی این منبع تغذیه DC صحبت کنیم. بنابراین در طول نیم سیکل منفی، قطبیت در سراسر ترانسفورماتور معکوس خواهد شد، بنابراین در بالا مثبت در پایین منفی خواهد بود، پتانسیل ها تغییر خواهند کرد، به طرف منفی یک پتانسیل 0 ولتی و به طرف مثبت یک پتانسیل 13 ولتی اختصاص می دهیم. جریان از ترمینال مثبت به نقطه C می رود و نقطه C دارای 13 ولت است .جریان از D3 عبور نمی کند زیرا در حالت بایاس معکوس است و D3 آن جریان را مسدود می کند، بنابراین این بار از D2 عبور می کند( D2 روشن است در حالی که D3 خاموش است)، اکنون از نقطه B از طریق مقاومت عبور می کند، توجه کنید که جریان عبوری دارای همان جهت نیمه سیکل مثبت در مقاومت از مثبت به منفی به طوری که تغییر نمی کند و سپس به نقطه D برمی گردد ولی به C بر نمی گردد. از D4 به نقطه A به سمت منفی ترانسفورماتور است بنابراین D4 روشن است در حالی که D3 و D1 خاموش هستند.

پتانسیل در نقطه B ، 12.7 ولت خواهد بود و سپس در نقطه D، 0.3 ولت و سپس 0 ولت در نقطه A خواهد بود، بنابراین می توانید ببینید چرا D3 خاموش است از 0.3 ولت به 13 ولت نمی رود. جریان همیشه از یک پتانسیل بالا به یک پتانسیل کم در طول نیم سیکل مثبت و در طول نیم سیکل منفی در یک جهت جریان دارد. این همان چیزی است که می خواهیم یک جریان DC ایجاد کنیم یک جریان مستقیم در یک جهت جریان دارد در حالی که جریان متناوب در هر دو جهت جریان می یابد.

اجازه دهید در مورد ولتاژ در خروجی صحبت کنیم. در خروجی آنچه که ما داریم منبع تغذیه یا ولتاژ DC است. به نظر می رسد که ثابت نیست، اساساً این بخش از نمودار به بالا برگردانده شده است، سؤال این است که چگونه می توانیم این خروجی DC ضربان دار را بگیریم و آن را به یک خروجی DC ثابت و خوب تبدیل کنیم. یکی از راه های انجام این کار، معرفی یک فیلتر خازنی است. با اضافه کردن یک خازن موازی با مقاومت بار، می توانیم نوسانات ولتاژ را در خروجی که می بینیم کاهش دهیم، بنابراین به جای داشتن یک خروجی DC ضربانی که به نظر می رسد اکنون خروجی چیزی شبیه به این باشد، نوسانات کمتر است و اینها نوسانات به عنوان ولتاژ موج دار شناخته می شوند، اکنون با افزایش ظرفیت خازن، می توانید ولتاژ ریپل را کاهش دهید، بنابراین هر چه ظرفیت خازنی بیشتر باشد، خروجی به این شکل بیشتر خواهد بود، اما در اکثر موارد نسبتاً ثابت خواهد بود. بنابراین مهم است که اکنون یک خازن در خروجی معرفی کنید.

یکی دیگر از مواردی که باید در نظر بگیرید، جریان موج است و آن زمانی است که خازن در حال شارژ است، زیرا از صفر ولت به پتانسیل در نقطه B ، 12.7 ولت است و در نقطه D ما گفتیم 0.3 است، بنابراین خازن تا 12.4 ولت شارژ می شود، بنابراین در حالی که شارژ می شود جریان زیادی از این خازن عبور می کند، اکنون به خاطر داشته باشید که هیچ جریانی وجود ندارد که در واقع در آن بین دی الکتریک خازن جریان داشته باشد ، اما خازن در حال شارژ شدن است و الکترون ها از یک طرف خازن به طرف دیگر پمپ می شوند و بنابراین جریان زیادی در اینجا برای مدت کوتاهی از این سیم ها عبور می کند.

برای کاهش آن جریان افزایشی(برای اینکه دیود ها نسوزند) می‌توانید از دیودی استفاده کنید که می‌تواند مقدار بسیار زیادی جریان را تحمل کند، برخی از دیودها می‌توانند یک آمپر را تحمل کنند و برخی دیگر می‌توانند 10 ولت را تحمل کنند و برخی دیگر می‌توانند 100 ولت را تحمل کنند. ممکن است بخواهید از دیودهایی استفاده کنید که می توانند مقدار زیادی جریان را تحمل کنند یا می توانید یک مقاومت محدود جریان اضافه کنید تا بتوانیم یک مقاومت محدود جریان سری قرار دهیم که اکنون آن را Rs می نامیم، مقدار Rs بر اساس میزان جریان شما متفاوت خواهد بود. بنابراین اگر می خواهید جریان زیادی در مدار داشته باشید از مقدار کمی استفاده کنید، اکنون با افزایش مقدار Rs، جریان خروجی علاوه بر آن کاهش می یابد. ولتاژ خروجی نیز کاهش می یابد زیرا این دو مقاومت )مقاومت بار و مقاومت محدود کننده جریان سری( به عنوان یک تقسیم کننده ولتاژ عمل می کنند بنابراین ولتاژ خروجی برابر است با رابطه زیر :

بنابراین اگر می خواهید از یک مقاومت حذف کننده جریان سری استفاده کنید تا ولتاژ خروجی را تا حد ممکن بالا نگه دارید، می خواهید مطمئن شوید که RL به طور قابل توجهی بزرگتر از Rs است.

بنابراین اجازه دهید مثالی از برخی اعداد را برای شما بیان کنم. RS ، 10 اهم است که نسبتاً کوچک است و RL یک کیلو اهم یا 1000 اهم است بنابراین ولتاژ خروجی 12.4 ضربدر هزار تقسیم بر مجموع این دو می شود که هزار و ده. و بنابراین ولتاژ خروجی تغییر زیادی نمی کند. در این حالت 12.28 خواهد بود، بنابراین با اطمینان از اینکه مقاومت بار به طور قابل توجهی بالاتر از Rs است، ولتاژ خروجی همچنان بالای 12 ولت خواهد بود.

میزان جریانی را که از مقاومت سری عبور می کند تعیین کنید، باید یک پتانسیل بین نقطه B و بیایید یک نقطه جدید E بگیریم، اکنون می خواهیم ولتاژ خروجی 12 باشد. در حال حاضر 12.4 است، بنابراین ما می خواهیم پتانسیل نقطه E ، 12.3 قرار دهیم تا اختلاف بین E و D ، 12 باشد.بنابراین فرض کنید E دارای 12.3 ولت ، B دارای 12.7 ولت. ولتاژ دو طرف Rs تفاوت بین پتانسیل در E و پتانسیل B است، یعنی B منهای E و باید آن را بر Rs تقسیم کنیم تا جریان را بدست آوریم بنابراین 12.7منهای 12.3تقسیم بر 10 است. بنابراین جریانی که از آن مقاومت می گذرد فقط 0.04 آمپر ، بسیار کم است.

ما باید در مورد بدترین حالت فکر کنیم، اگر در خروجی اتصال کوتاهی داشته باشیم، یعنی اگر مقاومت بار به صفر برسد اگر این اتفاق بیفتد، پتانسیل در E و D یکسان خواهد بود، بنابراین ولتاژ دو طرف Rs اکنون 12.4(12.7 منهای 0.3) خواهد بود. بنابراین حداکثر جریانی که از Rs عبور می کند 12.4 ولت خواهد بود. پتانسیل بین B و D تقسیم بر Rs اهم این مقداری است که باید به آن توجه کنید بنابراین این مقدار 1.24 آمپر خواهد بود زیرا باید در نظر بگیرید که آیا یک اتصال کوتاه در خروجی وجود دارد؟ زیرا این مقدار جریانی است که از دیودها عبور می کند، بنابراین اگر دیودی دارید که فقط یک آمپر را تحمل می کند، در صورت وجود اتصال کوتاه می تواند بسوزد، بنابراین برای این مثال از 10 اهم استفاده می شود.

ما دیودی می‌خواهیم که بتواند 5 آمپر یا 10 آمپر را تحمل کند، می‌خواهیم مطمئن شویم که اگر اتصال کوتاهی وجود داشته باشد، دیودها می‌توانند جریان موج را تحمل کنند، اکنون یک عنصر دیگر وجود دارد که باید به این مدار اضافه کنیم و آن یک دیود زنر است.

یک دیود زنر به عنوان یک تنظیم کننده ولتاژ عمل می کند و می تواند به حفظ ولتاژ ثابت خروجی برای این مدار کمک کند و برای کار در حالت بایاس معکوس طراحی شده است. اکنون ولتاژ زنر که می خواهیم برای دیود زنر داشته باشیم 12 ولت است. در حالت ایده آل، باید جریان مناسبی را تنظیم کنیم که افت ولتاژ در دیود زنر 12 ولت باشد، حالا اجازه دهید تا توضیح دهیم که چگونه این کار رخ می دهد، از ولتاژ بین نقاط B و D استفاده می کنیم. پس بیایید با 12.4 ولت شروع کنیم و بیایید یک دیود زنر در آن قرار دهیم، دیود زنر از منبع برق جریان می گیرد و هر زمان که از منبع برق جریان می گیرید ولتاژ آن منبع برق کاهش می یابد بنابراین با استفاده از یک دیود زنر 12 ولتی ولتاژ را از 12.4 به 12.3 به 12.2 به 12.1 و در نهایت به 12 کاهش می دهد. وقتی ولتاژ به زیر 12 می رسد، دیود زنر دیگر جریانی را جذب نمی کند ، بنابراین جریان کافی جذب می کند برای آوردن ولتاژ از 12.4 به 12 و جریان باقیمانده به خروجی می رسد و به این ترتیب دیود زنر به عنوان یک تنظیم کننده ولتاژ کار می کند و ولتاژ را تا یک نقطه خاص پایین می آورد و این در یک وضعیت ایده آل است به خاطر داشته باشید که این دستگاه ها کامل نیست و افت ولتاژ واقعی در سرتاسر دیود زنر به مقدار جریان عبوری از آن بستگی دارد، بنابراین هنگام خرید دیود زنر باید به برگه مشخصات نگاه کنید زیرا جریان زنر خاصی وجود دارد که اگر از طریق دیود زنر عبور کند ، دیود زنر ولتاژ خروجی آن تقریباً 12 خواهد بود. اکنون اگر جریان تغییر کند ولتاژ از 12 زیاد تغییر نمی کند ممکن است از 11.6 به 12.4 تغییر کند اما در بیشتر موارد در مرکز 12 قرار می گیرد. بنابراین وقتی به برگه مشخصات دیود زنر نگاه می کنید ، می خواهید به دنبال عددی به نام جریان زنر بگردید و می خواهید مدار خود را به گونه ای طراحی کنید که جریان زنر از طریق دیود زنر عبور کند به طوری که ولتاژ زنر در سراسر دیود 12 ولت باشد و بنابراین ممکن است لازم باشد جریان خود را تنظیم کنید مقاومت محدود کننده جریان سری خود و همچنین مقاومت بار را در نظر بگیرید و آن را به گونه ای تنظیم کنید که جریان زنر که از دیود عبور می کند به ولتاژ زنر 12 ولت منجر شود، بنابراین اکنون می دانید که چگونه برای ساختن یک منبع تغذیه 12 ولتی DC از یک منبع برق 220 ولتی AC اقدام کنید.