Tam Dalga Doğrultucu / Full Wave Rectifier

Tam dalga doğrultucu, güç diyotlarının bir birine belirli bir şema ile bağlanarak AC güç kaynaklarından DC güç kaynaklarına dönüşüm için kullanılınır.

Önceki Güç Diyotları eğitiminde, yük direnci boyunca yumuşatma kapasitörleri bağlayarak doğrudan DC voltajındaki dalgalanma veya voltaj değişimlerini azaltmanın yollarını tartışmıştık.

Bu yöntem, düşük güçlü uygulamalar için uygun olsa da, “sabit ve düzgün” bir DC besleme gerilimine ihtiyaç duyan uygulamalar için uygun değildir. Bunu iyileştirmenin bir yöntemi, diğer her yarım döngü yerine giriş voltajının her yarım döngüsünü kullanmaktır. Bunu yapmamızı sağlayan devreye Tam Dalga Doğrultucu denir.

Yarım dalga devresi gibi, bir tam dalga doğrultucu devresi, tamamen DC olan veya belirli bir DC bileşenine sahip bir çıkış voltajı veya akımı üretir. Tam dalga doğrultucular, yarım dalga doğrultucu muadillerine göre bazı temel avantajlara sahiptir. Ortalama (DC) çıkış voltajı yarım dalgadan daha yüksektir, tam dalga doğrultucunun çıkışı, daha düzgün bir çıkış dalga formu üreten yarım dalga doğrultucununkinden çok daha az dalgalanmaya sahiptir.

Bir Tam Dalga Doğrultucu devresinde döngünün her bir yarısı için bir tane olmak üzere iki diyot kullanılmaktadır. Sekonder sargısı ortak bir merkez dişli bağlantı (C) ile eşit olarak iki yarıya bölünmüş çok sargılı bir transformatör kullanılır. Bu konfigürasyon, her bir diyotun anot terminali, transformatör merkez noktası C’ye göre pozitif olduğunda, her iki yarım döngü sırasında bir çıktı üreterek aşağıda gösterildiği gibi %100 verimli olur.

Tam dalga doğrultucu devresi, tek bir yük direncine ( R _L ) bağlı iki güç diyotundan oluşur ve her bir diyot onu sırayla yüke akım sağlamak için alır. A noktası, C noktasına göre pozitif ise D₁ diyotundan ok yönünde akım akmaya başlar.

B noktası, C noktasına göre pozitif olduğu zaman D2 diyotu ileri yönde akım taşımaya başlar. Direnç R üzerindeki çıkış voltajı, birleştirilen iki dalga formunun fazör toplamı olduğundan, bu tip tam dalga doğrultucu devresi “iki fazlı” devre yani bi-phase olarak da bilinir.

Her diyot tarafından geliştirilen her yarım dalga arasındaki boşluk diğer diyot tarafından doldurulduğundan, yük direnci boyunca ortalama DC çıkış voltajı artık tek yarım dalga doğrultucu devresinin neredeyse iki katıdır, kayıp olmadığını varsayarsak tepe voltajı(peak voltage) maksimum 0.637V dir.

Burada: V _MAX , ikincil sargının bir yarısındaki maksimum tepe değeridir ve V _RMS , rms değeridir.

Çıkış dalga biçiminin tepe gerilimi, transformatör sargılarının her bir yarısının aynı rms gerilim değerine sahip olması koşuluyla, yarım dalga doğrultucu için öncekiyle aynıdır. Farklı bir DC voltaj çıkışı elde etmek için farklı trafo oranları kullanılabilir.

Bu tip tam dalga doğrultucu devresinin ana dezavantajı, belirli bir güç çıkışı için daha büyük bir transformatörün, iki ayrı fakat aynı sekonder sargıya ihtiyaç duyması ve bu tip tam dalga doğrultucu devresini “Tam Dalga Köprü Doğrultucu” devre eşdeğerine kıyasla maliyetli hale getirmesidir.

Tam Dalga Köprü Doğrultucu

Yukarıdaki tam dalga doğrultucu devresi ile aynı çıkış dalga biçimini üreten başka bir devre türü, Tam Dalga Köprü Doğrultucu devresidir. Bu tip tek fazlı doğrultucu, istenen çıkışı üretmek için kapalı döngü “köprü” konfigürasyonunda bağlanan dört ayrı doğrultucu diyot kullanır.

Bu köprü devresinin ana avantajı, özel bir merkez dişli transformatör gerektirmemesi, böylece boyutunu ve maliyetini düşürmesidir. Tek sekonder sargı, diyot köprü ağının bir tarafına ve aşağıda gösterildiği gibi yük diğer tarafa bağlanır. Sıklıkla bir çok cihaz, adaptör, devrede kullanılır.

D₁ den D₄ ‘e kadar etiketlenmiş dört diyot, her yarım döngü sırasında sadece iki diyotun akım ileteceği “seri çiftler” halinde düzenlenmiştir. Beslemenin pozitif yarı döngüsü sırasında, D1 ve D2 diyotları seri olarak hareket ederken, D₃ ve D₄ diyotları ters kutuplanır ve akım aşağıda gösterildiği gibi yük üzerinden akar.

Beslemenin negatif yarı döngüsü sırasında, D₃ ve D₄ diyotları seri olarak çalışır, ancak D₁ ve D₂ diyotları artık ters yönlü oldukları için “KAPALI” duruma geçerler. Yükten geçen akım öncekiyle aynı yöndedir.

Yük boyunca akan akım tek yönlü olduğundan, yük boyunca geliştirilen voltaj da önceki iki diyot tam dalga doğrultucu ile aynı olarak tek yönlüdür, bu nedenle yük boyunca ortalama DC voltajı maksimum 0,637V’dir.

Ancak gerçekte, her yarım döngü sırasında akım yalnızca bir diyot yerine iki diyottan akar, bu nedenle çıkış voltajının genliği , giriş V _MAX genliğinden iki voltaj düşüşü (2*0.7 = 1.4V) daha azdır. Dalgalanma frekansı artık besleme frekansının iki katıdır (örneğin, 50 Hz besleme için 100 Hz veya 60 Hz besleme için 120 Hz.)

Tam dalga köprü doğrultucu yapmak için dört ayrı güç diyotu kullanabilmemize rağmen, önceden yapılmış köprü doğrultucu bileşenleri, doğrudan bir PCB devre kartına lehimlenebilen bir dizi farklı voltaj ve akım boyutunda “kullanıma hazır” olarak mevcuttur. veya kürek konektörleri ile bağlanabilir.

Üstteki resim, bir köşesi kesilmiş tipik bir tek fazlı köprü doğrultucuyu göstermektedir. Bu kesme köşesi, köşeye en yakın terminalin pozitif veya +ve çıkış terminali veya ucu olduğunu ve karşı (diyagonal) ucun negatif veya -ve çıkış ucu olduğunu gösterir. Diğer iki bağlantı kablosu, bir transformatör sekonder sargısından gelen alternatif voltaj girişi içindir.

Yumuşatıcı Kondansatör

Bir önceki bölümde, tek fazlı yarım dalga doğrultucunun her yarım döngüde bir çıkış dalgası ürettiğini ve sabit bir DC kaynağı üretmek için bu tip devreyi kullanmanın pratik olmadığını gördük. Bununla birlikte, tam dalga köprü doğrultucu, çıkış dalga biçimi giriş besleme frekansının frekansının iki katı iken, daha az bindirilmiş dalgalanma ile bize daha büyük bir ortalama DC değeri (0,637 Vmax) verir.

Doğrultucunun ortalama DC çıkışını iyileştirirken aynı zamanda çıkış dalga biçimini filtrelemek için yumuşatma kondansatörleri kullanarak doğrultulmuş çıkışın AC varyasyonunu azaltabiliriz. Tam dalga köprü doğrultucu devresinin çıkışı boyunca yüke paralel olarak bağlanan yumuşatma veya rezervuarkondansatörleri, aşağıda gösterildiği gibi bir depolama aygıtı gibi davrandığından ortalama DC çıkış seviyesini daha da yükseltir.

Yumuşatma kondansatörü, doğrultucunun tam dalga dalgalı çıkışını daha düzgün bir DC çıkış voltajına dönüştürür.

5uF Yumuşatma Kondansatörü

Dalga formundaki mavi çizim, doğrultucu çıkışı boyunca 5.0 uF yumuşatma kondansatörü kullanmanın sonucunu gösterir. Daha önce yük voltajı, sıfır volta kadar düzeltilmiş çıkış dalga biçimini takip ediyordu. Burada 5uFkondansatör çıkış DC darbesinin tepe voltajına yüklenir, ancak tepe voltajından sıfır volta düştüğünde, devrenin RC zaman sabiti nedeniylekondansatör o kadar hızlı deşarj olamaz.

Bu,kondansatörün yaklaşık 3,6 volta düşmesiyle sonuçlanır, bu örnekte, kapasitör DC darbesinin bir sonraki pozitif eğiminde yeniden şarj olana kadar yük direnci boyunca voltajı korur. Başka bir deyişle, kondansatörün yalnızca bir sonraki DC darbesi onu tepe değerine kadar yeniden şarj etmesinden önce kısa bir süre boşalmak için zamanı vardır. Bu nedenle, yük direncine uygulanan DC voltajı sadece küçük bir miktar düşer. Ancak, gösterildiği gibi yumuşatmakondansatörünün değerini artırarak bu durumu daha da iyileştirebiliriz.

50uF Yumuşatma Kondansatörü

Burada yumuşatma kondansatörünün değerini 5uF’den 50uF’ye on kat artırdık, bu da dalgalanmayı azalttı ve minimum deşarj voltajını önceki 3,6 volttan 7,9 volta çıkardı. Bununla birlikte grafikteki bu değerleri elde etmek için 1kΩ’luk bir yük seçtik, ancak yük empedansı azaldıkça yük akımı artar ve kapasitörün şarj darbeleri arasında daha hızlı boşalmasına neden olur.

Tek bir yumuşatma veya rezervuar kapasitörü ile ağır bir yük sağlamanın etkisi, daha fazla enerji depolayan ve şarj darbeleri arasında daha az deşarj yapan daha büyük bir kapasitörün kullanılmasıyla azaltılabilir. Genellikle DC güç kaynağı devreleri için yumuşatma kondansatörü, kondansatörü tepe voltaja şarj eden redresörden tekrarlanan DC voltaj darbeleri ile 100 uF veya daha fazla kapasitans değerine sahip bir Alüminyum Elektrolitik tiptir.

Bununla birlikte, uygun bir yumuşatma kondansatörü seçerken dikkate alınması gereken iki önemli parametre vardır ve bunlar, doğrultucunun yüksüz çıkış değerinden daha yüksek olması gereken Çalışma Gerilimi ve ortaya çıkacak dalgalanma miktarını belirleyen Kapasitans Değeridir.

Çok düşük bir kapasitans değeri ve kapasitörün çıkış dalga biçimi üzerinde çok az etkisi vardır. Ancak yumuşatma kapasitörü yeterince büyükse (paralel kapasitörler kullanılabilir) ve yük akımı çok büyük değilse, çıkış voltajı neredeyse saf DC kadar düzgün olacaktır. Genel bir kural olarak, tepeden tepeye 100mV’den daha düşük bir dalgalanma voltajına sahip olmak istiyoruz.

Bir Tam Dalga Doğrultucu devresi için mevcut maksimum dalgalanma voltajı , yalnızca yumuşatma kondansatörünün değeri ile değil, aynı zamanda frekans ve yük akımı ile belirlenir ve şu şekilde hesaplanır:

Burada: I , amper cinsinden DC yük akımıdır, ƒ dalgalanmanın frekansıdır ve Hertz cinsinden giriş frekansının iki katıdır ve C , Farad cinsinden kapasitanstır.

Bir tam dalga köprü doğrultucunun ana avantajları, belirli bir yük için daha küçük bir AC dalgalanma değerine ve eşdeğer bir yarım dalga doğrultucudan daha küçük bir rezervuar veya yumuşatma kapasitörüne sahip olmasıdır. Bu nedenle, dalgalanma voltajının temel frekansı, yarım dalga doğrultucu için tam olarak besleme frekansına (50Hz) eşitken, AC besleme frekansının (100Hz) iki katıdır.

Diyotlar tarafından DC besleme voltajının üstüne bindirilen dalgalanma voltajı miktarı, köprü doğrultucunun çıkış terminallerine çok daha gelişmiş bir π filtresi (pi filtresi) eklenerek neredeyse ortadan kaldırılabilir. Bu tip alçak geçiren filtre, alternatif dalgalanma bileşenine yüksek empedanslı bir yol sağlamak için genellikle aynı değere sahip iki yumuşatma kapasitöründen ve bunlar arasında bir endüktanstan oluşur.

Diyotlarla ilgili bir sonraki öğreticide, kendi içinde sabit bir çıkış voltajı üretmek için ters arıza voltajı özelliğinden yararlanan Zener Diyot’a bakacağız.