رکتیفایر چیست؟

[Murtaza]

نگاهی به رکتیفایر

رکتیفایر یا یکسوساز، یک المان الکتریکی غیرفعال (Passive) بوده که جریان‌های متناوب AC را به جریان مستقیم DC تبدیل می‌کند. اگر بخواهیم رکیتفایر را به زبان ساده‌تری توضیح دهیم، باید گفت رکتیفایر قطعه‌ای است که اجازه می‌دهد جریان فقط از یک جهت عبور کند، رکتیفایر دقیقا شبیه یک شیر یک‌طرفه عمل می‌کند، شیر یک‌طرفه فقط اجازه می‌دهد آب در یک جهت عبور کرده و اجازه عبور جریان آب را در سایر جهت‌ها نمی‌دهد. دیود را می‌توان یکی از معروف‌ترین انواع رکتیفایر دانست که در حال حاضر می‌شناسیم

وظیفه رکتیفایر چیست؟

همان‌طور که گفته شد وظیفه رکتیفایر تبدیل AC به DC می‌باشد، این عمل دقیقا عکس عملکرد Inverter در مدار بوده که DC را به AC تبدیل می‌کند.

بسیاری از دستگاه‌ها و وسایل الکترونیکی بخصوص در حوزه الکترونیک قدرت برای کارکرد صحیح به ولتاژ DC نیازمندند. زمانی که بخواهیم ولتاژ AC را به DC تبدیل کنیم از یک مدار رکتیفایر یا یکسوکننده استفاده می‌کنیم. به‌عنوان مثال یک ترانسفورماتور ۱۲ ولت را در نظر بگیرید. خروجی این ترانس با فرکانس ۵۰ هرتز بین ۱۲+ ولت و ۱۲- ولت در تناوب است و جهت جریان با توجه به + و – شدن ولتاژ تغییر می‌کند. اگر یک LED را به خروجی ترانس ۱۲ ولت وصل کنیم، چراغ مذکور ۵۰ بار در ثانیه خاموش و روشن خواهد شد، زیرا LED ولتاژ را در یک جهت عبور می‌دهد و یا اگر یک خازن الکترولیت ۱۲ ولت را به خروجی ترانس ۱۲ ولت وصل کنید، در کمتر از ۲۰ میلی‌ثانیه خازن شما منفجر می‌شود و تنها دلیل این امر نوسانات بالای تغییر دامنه ولتاژ اعمالی به خازن می‌باشد. تمام موارد گفته شده بعلاوه تغذیه طیف وسیعی از دستگاه‌های کنترلی با توان DC، لزوم استفاده از یک رکتیفایر را مشخص می‌سازد.

نحوه عملکرد رکتیفایر

رکتیفایر یا یکسو ساز تنها اجازه می‌دهد جریان از یک سمت عبور کند و همین ویژگی باعث می‌شود تا جریان‌های AC نتوانند به‌صورت کامل از رکتیفایر عبور نمایند. در واقع با قرار دادن یک دیود معمولی در مسیر جریان AC (ساده‌ترین نوع رکتیفایر؛ “نیم موج”) و با توجه به جهت قرار گرفتن آن می‌توانیم نیم سیکل منفی یا مثبت موج متناوب را حذف کرده و در خروجی تنها نیم سیکل‌هایی که هم‌جهت با دیود باشند را داشته باشیم.

 

کاربرد رکتیفایر

رکتیفایر‌ها علاوه بر تبدیل AC به DC در مواردی مانند دمولاسیون امواج رادیویی در انواع گیرنده‌های رادیویی، خطوط انتقال برق HVDC، جوشکاری و مدارات تغذیه سوئیچینگ مورد استفاده قرار می‌گیرند. شاید باورش سخت باشد ولی یکی از کاربردهای دیگر رکتیفایر استفاده در مبدل‌های DC – DC می‌باشد، به این شکل که ابتدا ولتاژ DC به ولتاژ AC توسط یک اینورتر تبدیل شده و سپس سطح ولتاژ طبق نیاز ما توسط یک ترانسفورماتور تنظیم می‌شود، درنهایت خروجی ترانسفورماتور مجددا به ولتاژ DC تبدیل می‌گردد. این فرآیند زمانی که هزینه تهیه یک مبدل توان بالای DC به DC منطقی نباشد انجام می‌پذیرد.

 

منبع تغذیه

بسیاری از کاربردهای کنترلی و ابزار دقیق نیازمند یک منبع تغذیه DC باکیفیت توان بالا می‌باشند، رکتیفایر می‌تواند پاسخگوی این نیاز باشد.

 

منابع برق اضطراری

UPSها وظیفه تامین برق را در شرایط اضطراری به عهده‌دارند، باتری‌های لیتیومی یکی از مهم‌ترین المان‌های به‌کاررفته در این ادوات می‌باشند، برای شارژ این باتری‌ها نیازمند برق DC (جریان مستقیم) می‌باشیم که به‌راحتی می‌توانیم با استفاده از رکتیفایر، برق AC خانگی را جهت شارژ آنها به DC تبدیل نماییم.

 

گرم‌کن القائى

گاهی اوقات امکان استفاده از مبدل‌های AC به AC فراهم نمی‌باشد، به همین دلیل در ابتدا برق AC را با رکتیفایر به DC تبدیل کرده و سپس با استفاده از اینورتر آن را مجددا به برق AC با فرکانس مدنظر تبدیل می‌کنیم (تمرکز در این تبدیل بروی فرکانس می‌باشد نه سطح ولتاژ آن)، گرم‌کن‌های القایی جز آن دسته از مواردی می‌باشند که نیازمند برق AC با فرکانس کاری بالا بوده و به همین دلیل از سیستمی که ذکر شد در ساختار آن استفاده می‌شود.

 

دستگاه‌های قابل‌حمل

به‌صورت کلی بزرگ‌ترین مشکل جریان متناوب (Alternating Current) عدم امکان ذخیره‌سازی آن می‌باشد، به همین دلیل در جهت تبدیل برق AC به DC، رکتیفایر در اکثر دستگاه‌های قابل‌حمل مانند؛ خودروهای الکتریکی، لپ‌تاپ‌ها، موبایل‌ها، PDAها و سایر موارد مورد استفاده قرار می‌گیرد.

 

انواع رکتیفایر

مدارات رکتیفایر می‌تواند به‌صورت تک‌فاز و یا چند فاز باشند. عمدتا اکثر کاربردهای توان پایین به‌صورت تک‌فاز بوده و در مقابل آن توان بالاها مانند؛ HVDC، به‌صورت سه‌فاز می‌باشد. با فرض بر اینکه کاربردهای ما صرفا در قالب تک‌فاز و سه‌فاز صورت می‌پذیرد این دو دسته را بررسی خواهیم نمود.

رکتیفایر تک‌فاز

عمده کاربرد این رکتیفایرها برای مصارف خانگی و صنایع کوچک می‌باشد که همان‌طور که گفته شد از توان‌های پایین جهت تغذیه بارهای خود استفاده می‌کنند. رکتیفایر نیم موج و تمام موج دو مدل پرکاربرد در این دسته می‌باشند.

رکتیفایر نیم موج تک‌فاز

در این رکتیفایر صرفا قسمت مثبت و یا منفی موج AC و در حالی که بخش مقابل آن مسدود شده است اجازه عبور می‌یابد. ازآنجایی‌که صرفا نصف موج اولیه به خروجی انتقال داده می‌شود بنابراین میانگین ولتاژ خروجی پایین می‌باشد.

رکتیفایر نیم موج تکفاز

به این دلیل که در این یکسوساز تنها از یک دیود استفاده می‌شود بنابراین طبق شکل بالا جریان به شکل پالسی و ریپلی خواهد بود که قطعا سبب تولید هارمونیک و افت کیفیت توان می‌شود.خروجی ولتاژ DC در حالت ایده‌آل برای یک موج کاملا سینوسی که به ورودی رکتیفایر تک‌فاز نیم موج اعمال شده است

رکتیفایر تمام موج تک‌فاز

در این مدل تمام موج ورودی به‌صورت کامل در خروجی با یک پلاریته (مثبت یا منفی) ظاهر می‌شود. با توجه به مورد یاد شده قطعا میانگین خروجی در این حالت بیشتر از حالت نیم موج می‌باشد. برای داشتن این رکتیفایر می‌توانیم از دو عدد دیود و یک ترانسفورماتور سر وسط و یا چهار دیود که به شکلی خاص به هم متصل شده‌اند، استفاده نماییم.

رکتیفایر تمام موج تکفاز 4 دیودی

اگر از ترانسفورماتور سر وسط استفاده نماییم به دو عدد دیود به‌گونه‌ای که پشت به پشت به هم مطابق شکل زیر متصل شده‌اند (کاتد به کاتد و آند به آند) برای ساخت یک رکتیفایر تمام موج تک‌فاز نیاز خواهیم داشت.

 

رکتیفایر تمام موج تکفاز با ترانس سر وسط و دو عدد دیود

دقت داشته باشید که برای رسیدن به ولتاژ مدنظر در خروجی، باید دو برابر حالتی که نیاز است در بخش ثانویه ترانسفورماتور سیم‌بندی صورت پذیرد

 

رکتیفایر سه‌فاز

این دسته عمدتا برای کاربردهای صنعتی و توان بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد و در آن همانند تک‌فاز، رکتیفایر سه‌فاز نیم موج، تمام موج با ترانس سر وسط و تمام موج با پل مداری وجود دارد. ازآنجایی‌که توان نامی در این دسته بالا می‌باشد به همین دلیل عمدتا به‌جای دیودهای معمولی از تریستور توان بالا که پیش‌تر در مورد آن بحث شد استفاده می‌شود.

 

رکتیفایر نیم موج سه‌فاز

اگر در ساخت این رکتیفایر از دیود استفاده کنیم، ازآنجایی‌که زاویه آتش دیود قابل تنظیم نیست به آن رکتیفایر کنترل نشده گفته می‌شود. در مقابل آن رکتیفایر کنترل شده حضور دارد که در آن به‌جای دیود عادی از تریستور که امکان تعیین زمان کلیدزنی را به ما می‌دهد.در مدل نیم موج کنترل نشده سه‌فاز به سه عدد دیود که هرکدام برای یک فاز در نظر گرفته‌شده‌اند نیازمندیم. قطعا این مدل ساده‌ترین رکتیفایر سه‌فاز بوده که تاثیرات مخرب هارمونیکی آن با توجه به توان بالای آن بر کسی پوشیده نیست.

 

رکتیفایر سه فاز کنترل شده نیم موج

رکتیفایر تمام موج، ترانس سر وسط، سه‌فاز

یکی از روش‌های اصلاح هارمونیک در رکتیفایرها استفاده از ترانسفورماتور سر وسط می‌باشد. همان گونه که می‌دانید تعداد سیم‌پیچ‌های سمت ثانویه در این ترانس دو برابر حالت عادی می‌باشد به همین دلیل به 6 عدد دیود که هرکدام به انتهای یک سیم‌پیچ (ثانویه) از ترانسفورماتور متصل می‌شوند نیاز داریم.

رکتیفایر تمام موج، ترانس سر وسط

رکتیفایر سه فاز تمام موج کنترل شده همراه با ترانسفورماتور سر وسط

البته این مدل از رکتیفایر آن‌چنان هم جدید نیست! پیش از اینکه عناصر حالت جامد (Solid State) مورد استفاده قرار بگیرند استفاده از ترانسفورماتور سر وسط در سایر روش‌های یکسوسازی امری بسیار عادی بود بااین‌حال به‌مرورزمان و پس از ظهور دیودها و تریستورها، استفاده از این ترانس‌ها کمتر شده و به‌صورت کلی جای خود را به مدارات پلی (Bridge Circuit) دادند.

 

رکتیفایر 12 پالس

باتوجه به موارد گفته شده رکتیفایر 6 پالس از دید THD (Total Harmonic Distortion) نسبت به رکتیفایر تک‌فاز و سه‌فاز تمام موج بهتر عمل می‌کند با این حال این رکتیفایر نیز همچنان مشکل هارمونیک داشته به همین دلیل برای توان‌های بالا که تاثیر هارمونیک‌های مزاحم بیشتر است از رکتیفایر 12 پالس استفاده می‌کنیم.

رکتیفایر 12 پالسه سه فاز

رکتیفایر 12 پالس درواقع از اتصال سری دو رکتیفایر 6 پالس به وجود می‌آید که در آن هر لگ (Leg) دو رکتیفایر (6 پالس) داشته که از یک فاز استفاده می‌کنند و بین این دو رکتیفایر 30 درجه اختلاف فاز وجود دارد. همین اختلاف فاز 30 درجه سبب حذف هارمونیک‌ها در رکتیفایر 6 پالس (نصب شده بروی هر لِگ رکتیفایر 12 پالس) می‌شود که در نهایت تاثیر مثبتی در عملکرد رکتیفایر 12 پالس ما خواهد داشت.

رکتیفایر تقویت کننده تمام پل (دو برابر کننده ولتاژ)

دسته دیگری از رکتیفایرها هستند که در آنها ولتاژ خروجی چند برابر ولتاژ ورودی می‌باشد، این دسته بخصوص را “Voltage-multiplying rectifiers” می‌نامند. رکتیفایر تمام پل یکی از این موارد است که در آن ولتاژ خروجی تقریبا دو برابر مقدار پیک ولتاژ ورودی (AC) می‌باشد. در شکل مقابل این رکتیفایر را که در اصل از نوع نیم موج می‌باشد را مشاهده می‌نمایید، خازن‌های استفاده شده در این رکتیفایر به‌منظور صاف‌تر کردن خروجی DC می‌باشند.

رکتیفایر تقویت کننده Cockcroft Walton

Cockcroft Walton نیز یکی از مواردی است که در آن ولتاژ خروجی DC می‌تواند 10 برابر ولتاژ ورودی باشد!. در نگاه اول تصور می‌شود این مدل از رکتیفایرها کاربرد آن‌چنانی نداشته باشند، بااین‌حال به دلیل ویژگی خاص آنها، از این تقویت کننده‌ها در مدارات بسیار زیادی نظیر؛ تلویزیون، انتقال‌دهنده‌های فرکانس رادیویی، دستگاه‌های تابش فتون، مایکرو ویوها و … استفاده شده است.

بازده رکتیفایر

نسبت تبدیل و یا بازده رکتیفایر را با η نشان می‌دهند و به‌صورت کلی بیانگر نسبت ولتاژ DC خروجی به ولتاژ ورودی AC می‌باشد. حتی اگر تصور کنیم رکتیفایر ما کاملا ایده‌آل می‌باشد این عدد 100% نخواهد بود چرا که در هر شرایطی مقداری از خروجی با اینکه به‌صورت کلی DC نامیده می‌شود ولی ماهیتی AC (ریپل‌ها) به همراه دارد. عموما برای رفع این مشکل از مداری ثانویه جهت صاف‌تر کردن DC خروجی و حذف بخش‌های AC آن استفاده می‌کنند.اگر در رکتیفایر از ترانسفورماتور استفاده نماییم، به دلیل تلفات بیشتر، نسبت تبدیل بازهم کاهش خواهد یافت خوشبختانه در برخی از کاربردهایی که نیاز به رکتیفایر سه‌فاز و چندفاز داریم خروجی ببه‌قدری ایده‌آل هست که سبب عدم استفاده از مدارات ثانویه جهت بهبود کیفیت توان می‌شود.  عمدتا در کاربردهایی که ماهیت مقاومتی آنها بالا می‌باشد نیازی به بهبود ریپل ولتاژ DC در خروجی حس نمی‌شود

 

افت ولتاژ رکتیفایر

در عمل امکان ندارد که یک رکتیفایر به‌صورت کامل مصون از افت ولتاژ باشد (افت ولتاژ در عناصر نیمه‌هادی معمولا کمی بالاتر یا پایین‌تر از 0.7 ولت می‌باشد.در رکتیفایرهای نیم و تمام موج که در آنها از ترانسفورماتور سر وسط استفاده شده است این افت ولتاژ معمولا به‌ازای هر دیود یک پیک تا پیک ولتاژ می‌باشد. در رکتیفایر‌های پلی (Bridge) این مقدار دو برابر می‌باشد که می‌تواند سبب محدودیت در استفاده برای کاربردهای توان پایین گردد چرا که در این کاربردهای عمدتا ولتاژ متناوب ورودی عددی بسیار پایین است و چه‌بسا قرار است مقداری هم از آن از دست برود! افت ولتاژ در کاربردهای ولتاژ پایین (12 ولت به پایین) بسیار حائز اهمیت است اما این گزاره به معنی کم‌اهمیت بودن تلفات در توان‌های بالا (HVDC) نیست چرا که در آنها تلفات عمدتا عددی قابل‌توجه است.

هارمونیک رکتیفایر

ازآنجایی‌که عناصر مورد استفاده ما همگی در دسته الکترونیک قدرت جای می‌گیرند پس جای تعجبی هم نیست که شاهد هارمونیک جریان در سمت منبع AC و هارمونیک ولتاژ در سمت منبع DC باشیم.

نوآوری در رکتیفایر

رکتیفایرها همچنان درحال‌توسعه می‌باشند و ازآنجایی‌که کاربردهای آنها در طیف وسیعی در صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرد به همین دلیل سهم خوبی از مقالات علمی را از آن خود نموده‌اند.یکی از حوزه‌های بسیار خوب برای کار علمی، ساخت و طراحی رکتیفایرهای فرکانس بالا (terahertz) می‌باشد. این دستگاه‌ها در انتقالات و ارتباطات نوری، ساعت اتمی، آنتن‌های بسیار کوچک و کارآمد و … کاربرد دارند .

یکسو کننده های تک مولکولی (Hitech)

یکی دیگر از این حوزه‌ها که در راستای همان رکتیفایرهای فرکانس بالا قرار می‌گیرد، طراحی یکسوکننده‌های بسیار کوچک می‌باشد، در این دستگاه‌ها نیز فرکانس کاری بالا است، یکی از پروژه‌های تحقیقاتی مطرح در این زمینه Unimolecular rectifier نام دارد.

Unimolecular rectifier برای اولین‌بار در سال‌های 1981 تا 1991 در دانشگاه می‌سی‌سی‌پی واقع در شهر آکسفورد آمریکا مورد تست و بررسی قرار گرفت، البته آزمایش‌های اولیه در آن سال‌ها ناموفق بود. این سری از تحقیقات از سال 2001 در دانشگاه آلاباما آمریکا در حال ادامه می‌باشد.