Tek Fazlı Düzeltme

Doğrultma, salınımlı sinüzoidal AC voltaj kaynağını diyotlar, tristörler, transistörler veya dönüştürücüler aracılığıyla sabit akım DC voltaj kaynağına dönüştürür. Bu doğrultma işlemi, tek fazlı veya üç fazlı bir kaynağı sabit bir DC seviyesine dönüştüren yarım dalga, tam dalga, kontrolsüz ve tam kontrollü doğrultucular ile birçok form alabilir. Bu derste, tek fazlı düzeltmeye ve tüm biçimlerine bakacağız.

Doğrultucular, genellikle yarı iletken diyotlar tarafından gerçekleştirilen yarım dalga veya tam dalga doğrultma ile AC güç dönüşümünün temel yapı taşlarından biridir. Diyotlar, alternatif akımların içlerinden ileri yönde akmasına izin verirken, ters yönde akım akışını bloke ederek sabit bir DC voltaj seviyesi oluşturarak onları düzeltme için ideal hale getirir.

Bununla birlikte, diyotlarla doğrultulan doğru akım, örneğin bir pil kaynağından elde edilen kadar saf değildir, ancak alternatif beslemenin bir sonucu olarak üzerine bindirilmiş dalgalanmalar şeklinde voltaj değişiklikleri vardır.

Ancak tek fazlı doğrultmanın gerçekleşmesi için gösterildiği gibi sabit bir voltaj ve frekansta bir AC sinüzoidal dalga biçimine ihtiyacımız vardır.

AC Sinüsoidal Dalga Formu

AC dalga biçimleri genellikle kendileriyle ilişkili iki sayıya sahiptir. İlk sayı, alternatörün 0-360o arasında döndüğü x ekseni boyunca dalga biçiminin dönme derecesini ifade eder. Bu değer, dalga formunun bir tam döngüsünü tamamlamak için alınan aralık olarak tanımlanan periyot (T) olarak bilinir. Periyotlar derece, zaman veya radyan birimleriyle ölçülür. Sinüs dalgalarının periyotları ile frekans arasındaki ilişki şu şekilde tanımlanır: T = 1/ƒ.

İkinci sayı, y ekseni boyunca akım veya voltaj değerin genliğini gösterir. Bu sayı, tekrar sıfıra dönmeden önce sinüs dalgalarının en büyük genliğini belirten sıfırdan bazı tepe veya maksimum değerlere (AMAX, VMAX veya IMAX) anlık değeri verir. Sinüzoidal bir dalga formu için, biri pozitif ve diğeri negatif yarım döngüler için olmak üzere iki maksimum veya tepe değeri vardır.

Ancak bu iki değerin yanı sıra, düzeltme amacıyla bizi ilgilendiren iki değer daha var. Biri sinüzoidal dalga biçimlerinin Ortalama Değeri, diğeri ise RMS Değeridir. Bir dalga biçiminin ortalama değeri, bir yarım döngü boyunca anlık voltaj (veya akım) değerleri eklenerek elde edilir ve şu şekilde bulunur: 0.6365*VP. Ortalama pozitif yarım dalga, zıt ortalama negatif yarım dalga tarafından iptal edildiğinden, simetrik bir sinüs dalgasının bir tam döngüsü üzerindeki ortalama değerin sıfır olacağına dikkat edin. Bu, +1 + (-1) = 0’dır.

Bir sinüzoidin RMS, kök ortalama karesi veya efektif değeri (sinüzoid, sinüs dalgasının başka bir adıdır), aynı değerdeki bir DC kaynağının yaptığı gibi bir dirence aynı miktarda enerji iletir. Sinüzoidal bir voltajın (veya akımın) ortalama karekök (rms) değeri şu şekilde tanımlanır: 0.7071*VP.

Tek Fazlı Doğrultucu

Tüm tek fazlı doğrultucular, birincil AC’den DC’ye dönüştürme cihazı olarak katı hal cihazlarını kullanır. Tek fazlı kontrolsüz yarım dalga doğrultucular, çıkışları bağlı yükün reaktansından büyük ölçüde etkilendiğinden, küçük güç seviyeleri için en basit ve muhtemelen en yaygın kullanılan doğrultma devresidir.

Kontrolsüz doğrultucu devreler için, yarı iletken diyotlar en yaygın kullanılan cihazdır ve yarım dalga veya tam dalga doğrultucu devresi oluşturacak şekilde düzenlenmiştir. Doğrultma cihazı olarak diyot kullanmanın avantajı, tasarım gereği, dahili bir tek yönlü pn-bağlantısına sahip tek yönlü cihazlar olmalarıdır.

Bu pn-bağlantısı, kaynağın yarısını ortadan kaldırarak çift yönlü alternatif beslemeyi tek yönlü tek yönlü akıma dönüştürür. Diyotun bağlantısına bağlı olarak, örneğin ileri taraflı olduğunda AC dalga formunun pozitif yarısını geçebilir, diyot ters taraflı olduğunda negatif yarı çevrimi ortadan kaldırabilir.

Pozitif yarıyı veya dalga biçimini ortadan kaldırarak ve negatif yarıyı geçirerek tersi de geçerlidir. Her iki durumda da, tek bir diyot doğrultucunun çıkışı, gösterildiği gibi 360o dalga biçiminin yalnızca bir yarısından oluşur.

Yarım dalga Doğrultma

Yukarıdaki tek fazlı yarım dalga doğrultucu konfigürasyonu, negatif yarısı elimine edilerek AC besleme dalga formunun pozitif yarısını geçer. Diyotun yönünü tersine çevirerek negatif yarıları geçebilir ve AC dalga formunun pozitif yarısını ortadan kaldırabiliriz. Bu nedenle çıktı, bir dizi pozitif veya negatif darbe olacaktır.

Böylece bağlı yüke uygulanan herhangi bir voltaj veya akım yoktur, her çevrimin yarısı için RL. Başka bir deyişle, yük direnci üzerindeki voltaj, RL, giriş döngüsünün yalnızca yarısı boyunca çalıştığından, pozitif veya negatif olmak üzere yalnızca yarım dalga biçimlerinden oluşur, dolayısıyla yarım dalga doğrultucunun adı.

Umarım diyotun, akımın yalnızca yarım döngülerden oluşan bir çıktı üreterek tek yönde akmasına izin verdiğini görebiliriz. Bu titreşimli çıkış dalga biçimi her döngüde yalnızca AÇIK ve KAPALI olarak değişmekle kalmaz, zamanın yalnızca %50’sinde bulunur ve tamamen dirençli bir yük ile bu yüksek voltaj ve akım dalgalanma içeriği maksimumdadır.

Bu titreşen DC, yük direnci boyunca düşen eşdeğer DC değerinin, RL’nin bu nedenle sinüzoidal dalga biçimi değerinin yalnızca yarısı olduğu anlamına gelir. Dalga biçimleri sinüs fonksiyonunun maksimum değeri 1 ( sin(90o) ) olduğundan, bir sinüzoidin yarısından alınan Ortalama veya Ortalama DC değeri şu şekilde tanımlanır: 0.637 x maksimum genlik değeri.

Yani pozitif yarı döngü sırasında, AAVE 0.637*AMAX’a eşittir. Bununla birlikte, ters taraflı diyot tarafından doğrultma nedeniyle negatif yarı döngüler kaldırıldığından, gösterildiği gibi bu negatif yarı döngü sırasında dalga biçiminin ortalama değeri sıfır olacaktır.

Sinüzoidlerin Ortalama Değeri

Yani bir yarım dalga doğrultucu için, zamanın %50’sinde ortalama 0,637*AMAX değeri vardır ve zamanın %50’sinde sıfır vardır. Maksimum genlik 1 ise, yük direnci boyunca görülen ortalama veya DC değeri eşdeğeri, RL şöyle olacaktır:

Bu nedenle, titreşimli DC’li bir yarım dalga doğrultucu için ortalama voltaj veya akım değeri için karşılık gelen ifadeler şu şekilde verilir:

Maksimum değerin, AMAX’ın giriş dalga biçimininki olduğuna dikkat edin, ancak tek fazlı yarım dalga doğrultucunun eşdeğer DC çıkış değerini bulmak için onun RMS’sini veya “kök ortalama kare” değerini de kullanabiliriz. Yarım dalga doğrultucu için ortalama voltajı belirlemek için, RMS değerini 0,9 (form faktörü) ile çarparız ve ürünü 2’ye böleriz, yani 0,45 ile çarparız:

Daha sonra, bir yarım dalga doğrultucu devresinin, diyotların yönüne bağlı olarak, bir AC dalga formunun pozitif veya negatif yarısını, gösterildiği gibi eşdeğer bir DC değeri 0.318AMAX veya 0.45ARMS olan darbeli bir DC çıkışına dönüştürdüğünü görebiliriz.

Yarım dalga Doğrultucu Ortalama Gerilim

Tam dalga Doğrultma

Önceki yarım dalga doğrultucudan farklı olarak, tam dalga doğrultucu, tek yönlü bir çıkış sağlamak için giriş sinüzoidal dalga biçiminin her iki yarısını da kullanır. Bunun nedeni, tam dalga doğrultucunun temel olarak yükü beslemek için birbirine bağlı iki yarım dalga doğrultucudan oluşmasıdır.

Tek fazlı tam dalga doğrultucu bunu, daha önce olduğu gibi dalga formunun pozitif yarısını geçen, ancak titreşimli bir DC çıkışı oluşturmak için sinüs dalgasının negatif yarısını tersine çeviren bir köprü düzenlemesinde düzenlenmiş dört diyot kullanarak yapar. Doğrultucudan gelen voltaj ve akım çıkışı titreşimli olsa bile, giriş dalga formunun %100’ünü kullanarak yönü tersine çevirmez ve böylece tam dalga doğrultma sağlar.

Tek Fazlı Tam Dalga Köprü Doğrultucu

Diyotların bu köprü konfigürasyonu, tam dalga doğrultma sağlar, çünkü herhangi bir zamanda dört diyottan ikisi ileri yönlü, diğer ikisi ise ters yönlüdür. Bu nedenle, yarım dalga doğrultucu için iletim yolunda tek diyot yerine iki diyot vardır. Bu nedenle, seri bağlı diyotların iki ileri voltaj düşüşünden dolayı VIN ve VOUT arasında voltaj genliği farkı olacaktır. Burada daha önce olduğu gibi, matematiğin basitliği için ideal diyotları kabul edeceğiz.

Peki tek fazlı tam dalga doğrultucu nasıl çalışır? VIN’in pozitif yarı çevrimi sırasında, D1 ve D4 diyotları ileri polarlanırken, D2 ve D3 diyotları ters polarlanır. Daha sonra giriş dalga formunun pozitif yarım döngüsü için akım şu yol boyunca akar: D1 – A – RL – B – D4 ve tekrar kaynağa.

VIN’in negatif yarı çevrimi sırasında, D3 ve D2 diyotları ileri polarlanırken D4 ve D1 diyotları ters polarlanır. Daha sonra giriş dalga formunun negatif yarım döngüsü için akım şu yol boyunca akar: D3 – A – RL – B – D2 ve tekrar kaynağa.

Her iki durumda da giriş dalga formunun pozitif ve negatif yarım döngüleri, giriş dalga formunun polaritesinden bağımsız olarak pozitif çıkış tepeleri üretir ve bu nedenle yük akımı, i her zaman A ve B noktaları veya düğümleri arasında RL yük boyunca AYNI yönde akar. Böylece kaynağın negatif yarı çevrimi, yükte pozitif bir yarım çevrim olur.

Bu nedenle, hangi diyot seti iletken olursa olsun, A düğümü her zaman B düğümünden daha pozitiftir. Bu nedenle yük akımı ve voltajı tek yönlüdür veya bize aşağıdaki çıkış dalga biçimini veren DC’dir.

Tam dalga Doğrultucu Çıkış Dalga Formu

Bu titreşimli çıkış dalga biçimi, giriş dalga biçiminin %100’ünü kullanmasına rağmen, ortalama DC voltajı (veya akımı) aynı değerde değildir. Yukarıdan hatırlıyoruz ki, bir sinüzoidin yarısından alınan ortalama veya ortalama DC değeri şu şekilde tanımlanır: 0.637 x maksimum genlik değeri. Bununla birlikte, yukarıdaki yarım dalga doğrultucunun aksine, tam dalga doğrultucuların giriş dalga formu başına iki pozitif yarım döngüsü vardır ve bize gösterildiği gibi farklı bir ortalama değer verir.

Tam Dalga Doğrultucu Ortalama Değeri

Burada tam dalga doğrultucu için, her pozitif tepe için ortalama 0,637*AMAX değeri olduğunu ve giriş dalga formu başına iki tepe noktası olduğundan, bu, birlikte toplanan iki lot ortalama değer olduğu anlamına gelir. Bu nedenle, tam dalga doğrultucunun DC çıkış voltajı, önceki yarım dalga doğrultucunun DC çıkış voltajının iki katıdır. Maksimum genlik 1 ise, yük direnci boyunca görülen ortalama veya DC değeri eşdeğeri, RL şöyle olacaktır:

Bu nedenle, tam dalga doğrultucu için ortalama Voltaj veya akım değeri için karşılık gelen ifadeler şu şekilde verilir:

Daha önce olduğu gibi, maksimum değer, AMAX giriş dalga biçimininkidir, ancak tek fazlı tam dalga doğrultucunun eşdeğer DC çıkış değerini bulmak için onun RMS’sini veya kök ortalama kare değerini de kullanabiliriz. Tam dalga doğrultucu için ortalama voltajı belirlemek için, RMS değerini 0.9 ile çarparız:

O zaman tam dalga doğrultucu devresinin AC dalga formunun HEM pozitif veya negatif yarısını gösterildiği gibi 0.637AMAX veya 0.9ARMS değerine sahip darbeli bir DC çıkışına dönüştürdüğünü görebiliriz.

Tam dalga Doğrultucu Ortalama Gerilim

Tam dalga Yarım kontrollü Köprü Doğrultucu

Tam dalga doğrultma, çıkış voltajının daha tutarlı olması, daha yüksek bir ortalama çıkış voltajına sahip olması, giriş frekansının doğrultma işlemi ile iki katına çıkarılması ve daha küçük bir kapasitans değeri yumuşatma kapasitörü gerektirmesi gibi daha basit yarım dalga doğrultucuya göre birçok avantaja sahiptir. eğer biri gerekliyse. Ancak tasarımında diyot yerine tristör kullanarak köprü doğrultucunun tasarımını iyileştirebiliriz.

Tek fazlı köprü doğrultucu içindeki diyotları tristörlerle değiştirerek, sabit AC besleme voltajını kontrollü bir DC çıkış voltajına dönüştürmek için faz kontrollü AC-DC doğrultucu oluşturabiliriz. Yarı kontrollü veya tam kontrollü faz kontrollü doğrultucular, değişken voltajlı güç kaynakları ve motor kontrolünde birçok uygulamaya sahiptir.

Tek fazlı köprü doğrultucu, uygulanan giriş voltajının sabit bir ortalama DC eşdeğer değeri sağlayan çıkış terminallerine doğrudan iletildiği “kontrolsüz doğrultucu” olarak adlandırılan şeydir. Kontrolsüz bir köprü doğrultucuyu tek fazlı yarı kontrollü doğrultucu devresine dönüştürmek için sadece iki diyotu gösterildiği gibi tristörlerle (SCR’ler) değiştirmemiz gerekir.

Yarım Kontrollü Köprü Doğrultucu

Yarı kontrollü doğrultucu konfigürasyonunda, ortalama DC yük voltajı iki tristör ve iki diyot kullanılarak kontrol edilir. Tristörler hakkındaki öğreticimizde öğrendiğimiz gibi, bir tristör yalnızca Anot (A), Katodundan (K) daha pozitif olduğunda ve Kapısına (G) bir ateşleme darbesi uygulandığında iletecektir (“ON” durumu). terminal. Aksi halde pasif kalır.

Ayrıca, bir kez “AÇIK” olduğunda, bir tristörün yalnızca kapı sinyali kaldırıldığında ve anot akımının, AC besleme voltajı onu ters kutupladığı için IH’yi tutan tristörlerin altına düştüğünde tekrar “KAPALI” hale getirildiğini öğrendik. Bu nedenle, AC besleme voltajı anottan katoda voltajın sıfır voltaj geçişini geçtikten sonra, kontrollü bir süre veya açı (α) için tristör kapı terminaline uygulanan ateşleme darbesini geciktirerek, ne zaman kontrol edebiliriz? tristör akımı iletmeye başlar ve dolayısıyla ortalama çıkış voltajını kontrol eder.

Yarım Kontrollü Köprü Doğrultucu

Giriş dalga formunun pozitif yarım döngüsü sırasında akım şu yol boyunca akar: SCR1 ve D2 ve kaynağa geri döner. VIN’in negatif yarı çevrimi sırasında, iletim SCR2 ve D1’den geçer ve kaynağa geri döner.

O halde, herhangi bir yük akımının akması için üst gruptan bir tristör (SCR1 veya SCR2) ve alt gruptan (D2 veya D1) buna karşılık gelen diyotun birlikte hareket etmesi gerektiği açıktır.

Tam kontrollü Köprü Doğrultucu

Tek fazlı tam kontrollü köprü doğrultucular, daha yaygın olarak AC-DC dönüştürücüler olarak bilinir. Tam kontrollü köprü dönüştürücüler, DC makinelerinin hız kontrolünde yaygın olarak kullanılır ve bir köprü doğrultucunun dört diyotunun tamamının gösterildiği gibi tristörlerle değiştirilmesiyle kolayca elde edilir.

Tam kontrollü Köprü Doğrultucu

Tam kontrollü doğrultucu konfigürasyonunda, ortalama DC yük voltajı, yarım döngü başına iki tristör kullanılarak kontrol edilir. SCR1 ve SCR4 tristörleri pozitif yarı döngü sırasında bir çift olarak birlikte ateşlenirken, SCR3 ve SCR4 tristörleri de negatif yarı döngü sırasında bir çift olarak birlikte ateşlenir. Bu, SCR1 ve SCR4’ten sonra 180o’dir.

Daha sonra sürekli iletim modu sırasında, ortalama veya eşdeğer DC çıkış voltajını korumak için dört tristör sürekli olarak alternatif çiftler olarak anahtarlanır. Yarı kontrollü doğrultucuda olduğu gibi, çıkış voltajı, tristör ateşleme gecikme açısı (α) değiştirilerek tamamen kontrol edilebilir.