Güç Diyotları ve Doğrultucular(Redresör)

Güç Diyotları, doğrultucu devrelerde kullanılmak üzere yüksek voltaj değerlerinde büyük akımlar geçirebilen yarı iletken pn-bağlantılardır.

Önceki derslerde, bir yarı iletken sinyal diyotunun akımı anotundan katotuna (ileri yön) yalnızca bir yönde ileteceğini, ancak tek yönlü bir valf gibi davranarak ters yönde iletmeyeceğini gördük.

Bu özelliğin ve genel olarak diyotların yaygın olarak kullanılan bir uygulaması, alternatif bir voltajın (AC) sürekli bir voltaja (DC) dönüştürülmesidir. Başka bir deyişle, doğrultmasıdır.

Küçük sinyal diyotları sadece düşük güçlü, düşük akımlı (1 amperden az) doğrultucularda veya uygulamalarda doğrultucu olarak da kullanılabilir, ancak daha büyük ileri ön gerilim akımlarının veya daha yüksek ters öngerilim engelleme voltajlarının söz konusu olduğu durumlarda küçük bir sinyal diyotunun PN bağlantısı sonunda aşırı ısınır ve erir, bunun yerine daha büyük, daha sağlam Güç Diyotları kullanılır.

Basitçe Güç Diyotu olarak bilinen yarı iletken diyotlar, daha küçük sinyal diyot kuzenine kıyasla çok daha büyük bir PN bağlantı alanına sahiptir, bu da birkaç yüz ampere (KA) kadar yüksek ileri akım kapasitesi ve yukarı yönlü blokaj voltajı(birkaç bin volta (KV)) ile sonuçlanır.

Güç diyotu büyük bir PN bağlantısına sahip olduğundan, 1MHz’in üzerindeki yüksek frekans uygulamaları için uygun değildir, ancak özel ve pahalı yüksek frekanslı, yüksek akımlı diyotlar mevcuttur. Yüksek frekanslı doğrultucu uygulamaları için Schottky Diyotları genellikle kısa geri kurtarma süreleri ve ileri ön gerilim durumlarındaki düşük voltaj düşüşü nedeniyle kullanılır.

Güç diyotları, gücün kontrolsüz doğrultulmasını sağlar ve akü şarjı ve DC güç kaynakları ile AC doğrultucular ve invertörler gibi uygulamalarda kullanılır. Yüksek akım ve gerilim özelliklerinden dolayı serbest dönen diyotlar ve engelleyici ağlar olarak da kullanılabilirler.

Güç diyotları, bir Ohm’un kesirlerinin ileri “AÇIK” direncine sahip olacak şekilde tasarlanmıştır, öte yandan ters engelleme direnci mega-Ohm aralığındadır. Daha büyük değere sahip güç diyotlarından bazıları, termal dirençlerini 0,1 ila 1 o C/Watt’a düşüren soğutuculara “saplamalı” olacak şekilde tasarlanmıştır .

Bir güç diyotuna alternatif voltaj uygulanırsa, pozitif yarı döngü sırasında diyot geçen akımı iletecek ve negatif yarı döngü sırasında diyot akımın akışını bloke etmeyecektir. Daha sonra güç diyotundan iletim yalnızca pozitif yarım döngü sırasında meydana gelir ve bu nedenle gösterildiği gibi tek yönlü bir geçirim olur bu da DC’dir.

Güç Diyotu Doğrultucu

güç diyotları

Güç diyotları, yukarıdaki gibi ayrı ayrı kullanılabilir veya “Yarım Dalga”, “Tam Dalga” veya “Köprü Doğrultucu” gibi çeşitli doğrultucu devreleri üretmek için birbirine bağlanabilir. Her tip doğrultucu devresi, kontrolsüz, yarı kontrollü veya tam kontrollü olarak sınıflandırılabilir; burada kontrolsüz bir doğrultucu için sadece güç diyotları kullanır, tam kontrollü doğrultucular için tristörler (SCR’ler) kullanır ve yarı kontrollü doğrultucu hem diyotların hem de tristörlerin bir karışımıdır.

Temel elektronik uygulamalar için en yaygın olarak kullanılan bireysel güç diyotu, yaklaşık 1 amperlik sürekli ileri doğrultulmuş akım standart derecelendirmelerine ve 1N4001 için 50v’den 1N4007 için 1000v’ye kadar ters blokaj voltajı derecelerine sahip genel amaçlı 1N400x Serisi Cam Pasifleştirilmiş tip doğrultucu diyottur. 1N4007GP diyotu genel amaçlı şebeke voltajı düzeltmesi için en popüler olanıdır.

Yarım Dalga Doğrultucu

Yarım Dalga Doğrultucu, Alternatif Akım (AC) giriş gücünü Doğru Akım (DC) çıkış gücüne dönüştüren bir devredir. Giriş güç kaynağı, tüm doğrultucu devrelerinin en basiti Yarım Dalga Doğrultucununki olan tek fazlı veya çok fazlı bir kaynak olabilir .

Yarım dalga doğrultucu devresindeki güç diyotu, DC kaynağına dönüştürmek için AC kaynağının her tam sinüs dalgasının sadece yarısını geçirir. Bu tür devrelere “yarım dalga” doğrultucu denir çünkü aşağıda gösterildiği gibi gelen AC güç kaynağının sadece yarısını geçirir.

güç diyotları

AC sinüs dalgasının her “pozitif” yarım döngüsü sırasında, anot katoda göre pozitif olduğundan diyot, diyottan akımın akmasına neden olacak şekilde ileriye doğru bastırılır.

DC yükü dirençli olduğu için (direnç, R), yük direncinde akan akım bu nedenle voltajla orantılıdır (Ohm Yasası) ve bu nedenle yük direnci üzerindeki voltaj, besleme voltajı Vs ile aynı olacaktır. (eksi Vƒ ), yani yük üzerindeki “DC” voltajı yalnızca ilk yarım döngü içinsinüzoidaldir, bu nedenle Vout = Vs dir.

AC sinüzoidal giriş dalga formunun her “negatif” yarım döngüsü sırasında, anot katoda göre negatif olduğundan diyot ters polarlanır. Bu nedenle, diyot veya devreden akım geçmez. Ardından, beslemenin negatif yarı döngüsünde, üzerinde hiçbir voltaj görünmediğinden yük direncinde akım akmaz, bu nedenle Vout o esnada 0 olur.

Devrenin DC tarafındaki akım tek yönde akar ve devreyi tek yönlü yapar. Yük direnci diyottan dalga biçiminin pozitif yarısını, sıfır voltu, dalga biçiminin pozitif yarısını, sıfır voltu vb. aldığında, bu düzensiz voltajın değeri 0,318*Vmax eşdeğer DC voltajına değer olarak eşit olacaktır. Giriş sinüzoidal dalga biçiminin veya giriş sinüzoidal dalga biçiminin 0.45*Vrms’sidir.

Daha sonra yük direnci boyunca eşdeğer DC voltajı, V DC aşağıdaki gibi hesaplanır.

güç diyotları

Burada V MAX , AC sinüzoidal beslemenin maksimum veya tepe voltaj değeridir ve V RMS , besleme voltajının RMS (Kök Ortalama Kare) değeridir.

Güç Diyotları Soru Örneği 1

240 VRMS tek fazlı bir yarım dalga doğrultucuya bağlı 100Ω luk dirençten geçen, VDC ve IDC‘yi ve yük tarafından tüketilen ortalama DC gücünü de hesaplayın.

güç diyotları

Doğrultma işlemi sırasında, sonuçta ortaya çıkan DC voltajı ve akımı her döngüde hem “AÇIK” hem de “KAPALI” olur. Yük direnci üzerindeki voltaj, yalnızca döngünün pozitif yarısında (giriş dalga formunun %50’si) mevcut olduğundan, bu, yüke sağlanan düşük bir ortalama DC değeri ile sonuçlanır.

Bu “AÇIK” ve “KAPALI” durum arasındaki doğrultulmuş çıkış dalga biçiminin değişimi, istenmeyen bir özellik olan büyük miktarlarda “dalgalanma” içeren bir dalga biçimi üretir. Ortaya çıkan DC dalgalanması, AC besleme frekansına eşit bir frekansa sahiptir.

Çok sık olarak, alternatif bir voltajı doğrulturken, herhangi bir voltaj varyasyonu veya dalgalanması olmayan “sabit” ve sürekli bir DC voltajı üretmek isteriz. Bunu yapmanın bir yolu, aşağıda gösterildiği gibi yük direncine paralel olarak çıkış voltajı terminallerine büyük bir değer Kondansatörü bağlamaktır. Bu tip kondansatör, yaygın olarak “Depo” veya Pürüzsüzleştirici/Yumuşatıcı Kondansatör olarak bilinir .

Pürüzsüzleştirici/Yumuşatıcı Kondansatörlü Yarım Dalga Doğrultucu

güç diyotları

Alternatif ( AC ) bir kaynaktan doğru voltaj ( DC ) güç kaynağı sağlamak için doğrultma kullanıldığında, daha büyük değerlikondansatörler kullanılarak dalgalanma voltajı miktarı daha da azaltılabilir, ancak yumuşatma türlerinin hem maliyet hem de boyut sınırlamaları vardır.

Belirli bir kondansatör değeri için, daha büyük bir yük akımı (daha küçük yük direnci),kondansatörü daha hızlı boşaltır (RC Zaman Sabiti) ve dolayısıyla elde edilen dalgalanmayı artırır. Daha sonra, bir güç diyotu kullanan tek fazlı, yarım dalga doğrultucu devresi için, tek başınakondansatör yumuşatarak dalgalanma voltajını denemek ve azaltmak çok pratik değildir. Bu durumda bunun yerine “Tam Dalga Doğrultma” kullanmak daha pratik olacaktır.

Pratikte, yarım dalga doğrultucu, büyük dezavantajları olması nedeniyle düşük güçlü uygulamalarda en sık kullanılan doğrultma devreleridir. Çıkış genliği, giriş genliğinden daha küçüktür, negatif yarı döngü sırasında çıkış yoktur, bu nedenle gücün yarısı boşa harcanır ve çıkış, aşırı dalgalanma ile sonuçlanan darbeli DC olur.

Bu dezavantajların üstesinden gelmek için, bir sonraki öğreticide Tam Dalga Doğrultucuyu inceleyeceğiz.