مبدل AC به DC — نسخهٔ ارائه

Archived teaching material

Archived academic material · Original source · Resource library

تبدیل AC به DC (جریان متناوب به جریان مستقیم)

اطلاعات نویسنده

نام: محمدحسین عصارنیا
وابستگی: گروه مهندسی کامپیوتر، دانشگاه فردوسی مشهد
تماس:

فصل 1: مقدمه

تعریف و اهمیت مبدل‌های AC به DC

مبدل‌های AC به DC که به یک‌سوکننده‌ها نیز معروف هستند، دستگاه‌های الکترونیکی هستند که جریان متناوب (AC) را به جریان مستقیم (DC) تبدیل می‌کنند. این تبدیل در بسیاری از سیستم‌های الکتریکی و الکترونیکی حیاتی است، زیرا اکثر دستگاه‌های مدرن مانند رایانه‌ها، تلفن‌های هوشمند و تجهیزات صنعتی با برق DC کار می‌کنند. اهمیت مبدل‌های AC به DC فراتر از لوازم الکترونیکی مصرفی کوچک، به کاربردهای در مقیاس بزرگ از جمله سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر، منبع‌های تغذیه، خودروهای الکتریکی و زیرساخت‌های مخابراتی گسترش می‌یابد.

کاربردهای متنوع در صنعت و زندگی روزمره

نیاز به تبدیل AC به DC در حوزه‌های متعددی گسترده است:

  • الکترونیک مصرفی: دستگاه‌هایی مانند لپ‌تاپ‌ها، تلفن‌های هوشمند و تلویزیون‌های LED به برق DC از یک منبع تغذیه AC نیاز دارند.
  • اتوماسیون صنعتی: ماشین‌آلات و رباتیک در کارخانه‌های تولیدی از یک‌سوکننده‌ها برای تأمین نیروی درایوهای موتور و مدارهای کنترل استفاده می‌کنند.
  • سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر: سیستم‌های فتوولتائیک (PV) و توربین‌های بادی اغلب مبدل‌های AC به DC را برای ذخیره و تنظیم مؤثر توان یکپارچه می‌کنند.
  • خودروهای الکتریکی (EV): ایستگاه‌های شارژ و تبدیل توان داخلی در خودروهای الکتریکی به تبدیل AC به DC متکی هستند.
  • مخابرات: منبع‌های تغذیه برای زیرساخت شبکه به ولتاژ DC پایدار وابسته هستند.
مبدل AC به DC — نسخهٔ ارائه — illustration 1

ساختار تحقیق

فصل 2: اصول بنیادی توان AC و DC

  • مبانی ریاضی و فیزیکی توان الکتریکی
  • ویژگی‌های جریان متناوب (AC)
  • مزایا و معایب منبع تغذیه DC
  • مزایا و معایب منبع تغذیه AC
  • توان اکتیو و راکتیو در منابع AC

فصل 3: معماری‌ها و اجزای منبع تغذیه

  • منبع تغذیه خطی در مقابل سوئیچینگ AC/DC
  • اجزای اصلی مورد استفاده در مدارهای یک‌سوکننده
  • منبع تغذیه تک‌فاز در مقابل سه‌فاز
  • پیکربندی‌های سه‌فاز ستاره (Y) و مثلث (Δ)

فصل 4: مدارهای یک‌سوکننده و تحلیل

  • مدارها و تحلیل یک‌سوکننده نیم‌موج
  • توپولوژی‌های یک‌سوکننده تمام‌موج
  • محاسبات و بهینه‌سازی ضریب ریپل
  • مدارهای چندبرابرکننده ولتاژ

فصل 5: تکنیک‌های رگولاسیون و توپولوژی‌های پیشرفته

  • طراحی‌ها و پیاده‌سازی‌های رگولاتور خطی
  • اصول و پیکربندی‌های رگولاتور سوئیچینگ
  • مدارهای محافظ و کاربردهای دیود
  • تکنیک‌های بهینه‌سازی راندمان

فصل 6: طراحی و شبیه‌سازی مبدل‌های AC به DC

فصل 7: کاربردهای صنعتی و پیشرفت‌های فناوری در مبدل‌های AC به DC

  • کاربردهای صنعتی
  • پیشرفت‌های فناوری

فصل 8: بررسی چالش‌ها و مسائل در تبدیل AC به DC

  • چالش‌های فنی
  • چالش‌های طراحی و اقتصادی

نتیجه‌گیری

منابع

فصل 2: مفاهیم بنیادی توان AC و DC

درک مفاهیم بنیادی توان جریان متناوب (AC) و جریان مستقیم (DC) برای تحلیل و طراحی سیستم‌های الکتریکی و الکترونیکی ضروری است. این فصل اصول فیزیکی و ریاضی پشت توان AC و DC را بررسی می‌کند و پایه‌ای علمی برای مطالعه مبدل‌های AC به DC فراهم می‌آورد.

تعریف توان الکتریکی توان الکتریکی نرخ انتقال انرژی در طول زمان است و با واحد وات (W) اندازه‌گیری می‌شود. فرمول کلی برای توان به صورت زیر است:

\[P = V \times I\]

که در آن:

  • $P$: توان الکتریکی (وات)
  • $V$: ولتاژ (ولت)
  • $I$: جریان (آمپر)

جریان مستقیم (DC) در سیستم‌های DC، ولتاژ و جریان در طول زمان ثابت می‌مانند. توان DC معمولاً توسط منابعی مانند باتری‌ها و منبع‌های تغذیه DC تأمین می‌شود. یک ویژگی کلیدی DC این است که انرژی را به صورت پیوسته و در یک جهت جریان می‌دهد.

ویژگی‌های جریان متناوب فرم موج معمول برای یک جریان متناوب، موج سینوسی است. هنگام کار با یک منبع تغذیه AC چندین شاخص باید در نظر گرفته شوند:

  • ولتاژ/جریان پیک: حداکثر مقداری از دامنه که موج می‌تواند به آن برسد.
  • فرکانس: تعداد سیکل‌هایی که موج در هر ثانیه کامل می‌کند. زمانی که برای تکمیل یک سیکل طول می‌کشد را دوره (Period) می‌نامند.
  • ولتاژ/جریان میانگین: مقدار متوسط تمام نقاطی که ولتاژ در طول یک سیکل به خود می‌گیرد. در یک موج AC خالص بدون ولتاژ DC روی‌هم‌نهاده، این مقدار صفر خواهد بود، زیرا نیم‌سیکل مثبت و منفی یکدیگر را خنثی می‌کنند.
  • ولتاژ/جریان مؤثر (RMS): به عنوان جذر میانگین مربعات ولتاژ لحظه‌ای در یک سیکل تعریف می‌شود. در یک موج سینوسی AC خالص، مقدار آن را می‌توان با فرمول زیر محاسبه کرد: \(V_{RMS} = \frac{V_{PEAK}}{\sqrt{2}}\) همچنین می‌توان آن را به عنوان توان DC معادل مورد نیاز برای تولید همان اثر گرمایشی تعریف کرد. علیرغم تعریف پیچیده آن، به دلیل امکان یافتن مقدار مؤثر یک ولتاژ یا جریان AC، به‌طور گسترده در مهندسی برق استفاده می‌شود. به همین دلیل، گاهی به صورت VAC بیان می‌شود.
  • فاز: تفاوت زاویه‌ای بین دو موج. یک سیکل کامل از موج سینوسی به 360 درجه تقسیم می‌شود که از 0 درجه شروع می‌شود، پیک‌ها در 90 درجه (پیک مثبت) و 270 درجه (پیک منفی) قرار دارند و دو بار از نقطه شروع عبور می‌کند، در 180 درجه و 360 درجه. اگر دو موج با هم رسم شوند و یک موج در همان زمانی که موج دیگر به پیک منفی می‌رسد به پیک مثبت برسد، آنگاه موج اول در 90 درجه خواهد بود در حالی که موج دوم در 270 درجه خواهد بود؛ این بدان معنی است که اختلاف فاز 180 درجه است. این امواج در آنتی‌فاز در نظر گرفته می‌شوند، زیرا مقادیر آن‌ها همیشه علامت مخالف خواهند داشت. اگر اختلاف فاز 0 درجه باشد، می‌گوییم دو موج هم‌فاز هستند.

در اینجا مثالی از یک موج AC می‌بینیم:

AC Signal

مزایا و معایب منبع تغذیه DC

  • جریان مستقیم، که در آن برق همیشه در جهت ثابتی جریان دارد، مزایا و معایب زیر را دارد:

  • در جریان متناوب، جهت جریان مدام در حال تغییر است. بنابراین، هنگامی که یک خازن یا سلف در مدار گنجانده شود، برای مثال، تأخیر یا پیشروی در جریان جاری به بار نسبت به رفتار ولتاژ وجود دارد. با این حال، در جریان مستقیم، ولتاژ و جهت جریان همیشه ثابت هستند، بنابراین رفتار خازن‌ها و سلف‌ها نیز همیشه ثابت است. بنابراین، در DC، هیچ پیشروی یا تأخیری در مدار وجود ندارد.
  • در جریان متناوب (AC)، جهت جریان معکوس می‌شود، بنابراین تمام برق از بار عبور نمی‌کند و مقداری توان فقط بین بار و منبع تغذیه به جلو و عقب حرکت می‌کند. این را توان راکتیو می‌نامند که در فصول بعدی بحث خواهد شد. در جریان مستقیم، همه برق از بار عبور می‌کند زیرا جریان همیشه در یک جهت ثابت جریان دارد. بنابراین، هیچ توان راکتیوی تولید نمی‌شود و توان می‌تواند به طور مؤثر استفاده شود.
  • مزیت دیگر جریان مستقیم این است که می‌تواند توسط باتری‌ها یا خازن‌ها ذخیره شود.
  • هنگامی که یک جریان مستقیم از یک مدار عبور می‌کند، با اجزای مختلفی مانند مقاومت‌ها، خازن‌ها و سلف‌ها مواجه می‌شود که همگی بر رفتار آن تأثیر می‌گذارند. مقاومت‌ها جریان را محدود می‌کنند. هیچ جریان پیوسته‌ای از خازن عبور نمی‌کند، در حالی که سلف تقریباً هیچ مقاومتی در برابر جریان ثابت ارائه نمی‌دهد و مانند یک اتصال کوتاه عمل می‌کند.
  • از سوی دیگر، جریان مستقیم معایبی نیز دارد. یکی از آن‌ها این است که قطع جریان دشوار است. در مورد جریان متناوب، هنگامی که ولتاژ از مثبت به منفی یا از منفی به مثبت تغییر می‌کند، ولتاژ لحظه‌ای به صفر می‌رسد. اگر زمانی را هدف بگیرید که ولتاژ کم است، می‌توانید جریان را با ایمنی بیشتری نسبت به جریان مستقیم قطع کنید.
  • همچنین، هنگام تبدیل ولتاژ DC، لازم است آن را یک بار به AC تبدیل کرده و سپس دوباره به DC برگردانید. به همین دلیل، تجهیزات تبدیل ولتاژ DC بزرگ‌تر و پرهزینه‌تر از AC هستند.
  • عیب دیگر جریان مستقیم، خوردگی شدید لوله‌های زیرزمینی و عایق‌های مورد نیاز برای انتقال برق است.

نمودار زیر یک دیاگرام از یک منبع ولتاژ DC را نشان می‌دهد:

from PySpice.Spice.Netlist import Circuit
from PySpice.Unit import *
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# ایجاد یک مدار جدید
circuit = Circuit('DC Signal')

# تعریف یک منبع ولتاژ DC
circuit.V(1, 'n1', circuit.gnd, 5@u_V)  # ولتاژ DC برابر 5 ولت

# شبیه‌سازی مدار
simulator = circuit.simulator(temperature=25, nominal_temperature=25)
analysis = simulator.operating_point()

# استخراج مقدار ولتاژ
voltage = float(analysis['n1'])

# آرایه زمانی برای رسم (0 تا 10 ثانیه)
time = np.linspace(0, 10, 1000)
# ایجاد یک آرایه با مقدار ولتاژ DC
dc_voltage = np.full_like(time, voltage)

# رسم سیگنال DC
plt.figure(figsize=(10, 5))
plt.plot(time, dc_voltage, label='ولتاژ DC', color='blue')

# افزودن برچسب و عنوان
plt.title('سیگنال DC')
plt.xlabel('زمان [ثانیه]')
plt.ylabel('ولتاژ [ولت]')
plt.axhline(0, color='black', linewidth=0.5)
plt.axvline(0, color='black', linewidth=0.5)
plt.legend()
plt.grid(True)

# نمایش نمودار
plt.show()

مزایا و معایب منبع تغذیه AC جریان متناوب، با ولتاژ مثبت و منفی چرخه‌ای خود، مزایا و معایب زیر را دارد:

  • در مقایسه با جریان مستقیم، جریان متناوب می‌تواند به راحتی توسط ترانسفورماتورها تبدیل شود و آن را برای تأمین برق به عنوان زیرساخت مناسب‌تر می‌سازد.
  • مزیت دیگر AC این است که به دلیل تناوبی بودن لحظات صفر شدن ولتاژ، قطع برق در حین تأمین توان آسان است.
  • همچنین می‌تواند بدون تمایز بین مثبت و منفی، مانند یک منبع تغذیه خانگی (پریز برق) استفاده شود، که اتصال و کارکرد دستگاه‌ها را ساده می‌کند.
  • از سوی دیگر، AC به ولتاژی بالاتر از ولتاژ هدف برای مقدار حرارت مورد نیاز نیاز دارد زیرا مقدار ولتاژ همیشه در حال تغییر است و زمان‌هایی وجود دارد که ولتاژ به صفر می‌رسد. شکل موج ولتاژ AC سینوسی است و حداکثر ولتاژ √2 برابر مقدار مؤثر (RMS) است. عملکرد عایقی و مشخصات تجهیزات باید بالاتر از مقدار مؤثر باشد.
  • ویژگی دیگر AC این است که به شدت تحت تأثیر سلف‌ها و خازن‌ها قرار می‌گیرد. سلف‌ها و خازن‌ها ولتاژهایی تولید می‌کنند که باعث می‌شود جریان در جهت مخالف جهت جریان جاری شود و باعث پیشروی یا تأخیر جریان در مدار می‌شود.
  • دو نوع AC وجود دارد: AC سه‌فاز و AC تک‌فاز. AC سه‌فاز به طور خاص برای انتقال توان با ولتاژ بالا استفاده می‌شود. هنگامی که به یک پریز خانگی فرستاده می‌شود، همراه با تبدیل ولتاژ، به تک‌فاز تبدیل می‌شود. در یک نیروگاه، سه موج AC همزمان با هم ارسال می‌شوند، با شکل موج AC که 120 درجه جابجا شده است. این نوع برق را جریان متناوب سه‌فاز می‌نامند. در پایان این فصل بیشتر در مورد AC سه‌فاز بحث خواهیم کرد.

نمودار زیر یک AC سه‌فاز را نشان می‌دهد:

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# متغیر زمان (0 تا 2π برای نمایش یک سیکل کامل)
t = np.linspace(0, 2 * np.pi, 1000)

# شکل‌موج سه‌فاز با جابجایی فاز 120 درجه
V1 = np.sin(t)                       # فاز A
V2 = np.sin(t - 2 * np.pi / 3)       # فاز B (جابجایی 120 درجه)
V3 = np.sin(t - 4 * np.pi / 3)       # فاز C (جابجایی 240 درجه)

# رسم شکل‌موج‌ها
plt.figure(figsize=(10, 5))
plt.plot(t, V1, label='فاز A', color='red')
plt.plot(t, V2, label='فاز B', color='blue')
plt.plot(t, V3, label='فاز C', color='orange')

# افزودن برچسب و عنوان
plt.title('جریان متناوب سه‌فاز')
plt.xlabel('زمان [ثانیه]')
plt.ylabel('ولتاژ [ولت]')
plt.axhline(0, color='black', linewidth=0.5)
plt.axvline(0, color='black', linewidth=0.5)
plt.legend()
plt.grid(True)

# نمایش نمودار
plt.show()

توان اکتیو و راکتیو در منابع AC

  • توان اکتیو: توان اکتیو انرژی الکتریکی قابل استفاده یا مصرف شده در یک مدار AC است و واحد آن وات (W) یا کیلووات (kW) است. نام دیگر توان اکتیو، توان واقعی است. توان اکتیو انرژی است که واقعاً در بار استفاده می‌شود. فرمول توان اکتیو به صورت زیر است: \(P = V \times I \times \cos\phi\) که در آن P توان اکتیو، V ولتاژ مؤثر (RMS)، I جریان مؤثر (RMS) و φ زاویه فاز بین ولتاژ و جریان است.
  • توان راکتیو: توان راکتیو جریان متناوبی است که در یک مدار الکتریکی به جلو و عقب جریان می‌یابد. واحد مورد استفاده برای توان راکتیو، ولت-آمپر راکتیو (VAR) یا کیلوولت-آمپر راکتیو (kVAR) است. توان راکتیو که به آن توان موهومی یا توان بی‌وات نیز گفته می‌شود، شکلی از انرژی است که توسط اجزای راکتیو در مدار الکتریکی (معمولاً سلف‌ها و خازن‌ها) ذخیره و آزاد می‌شود. این توان برای مدار مفید نیست، اما برای حفظ سطح ولتاژ و جریان باید وجود داشته باشد. همچنین، توان راکتیو با افزایش توان ظاهری که جریان بیشتری را ترویج می‌دهد، ناکارآمدی و تلفات انرژی ایجاد می‌کند. فرمول توان راکتیو به صورت زیر است: \(Q = V \times I \times \sin\phi\) که در آن Q توان راکتیو است.
  • توان ظاهری: توان ظاهری یک مدار AC سینوسی را می‌توان به سادگی به عنوان حاصلضرب مقادیر مؤثر (RMS) ولتاژ و جریان آن محاسبه کرد. واحد اندازه‌گیری آن ولت-آمپر (VA) یا کیلوولت-آمپر (kVA) است. توان ظاهری که به آن توان مختلط یا توان کل نیز گفته می‌شود، به توان خالص تحویل‌شده از یک منبع توسط یک خط اشاره دارد. توان ظاهری با ضرب مقادیر مؤثر ولتاژ و جریان، بدون در نظر گرفتن هرگونه رابطه فازی، به دست می‌آید. فرمول توان ظاهری به صورت زیر است: \(S = V \times I\) که در آن S توان ظاهری است.

رابطه بین توان اکتیو، راکتیو و ظاهری را می‌توان در تصاویر زیر مشاهده کرد:

Power Triangle

فصل 3: معماری‌ها و اجزای منبع تغذیه

منبع تغذیه خطی در مقابل سوئیچینگ AC/DC

منبع تغذیه خطی AC/DC: یک منبع تغذیه خطی AC/DC طراحی ساده‌ای دارد. اجزای یک منبع تغذیه خطی AC/DC شامل ترانسفورماتور، یک‌سوکننده و فیلتر است. با استفاده از یک ترانسفورماتور، ولتاژ ورودی جریان متناوب (AC) به مقداری مناسب‌تر برای کاربرد مورد نظر کاهش می‌یابد. سپس، ولتاژ AC کاهش‌یافته یک‌سو شده (یک‌سوکننده وسیله‌ای الکتریکی است که جریان متناوب (AC) را که دوره‌ای جهت خود را معکوس می‌کند، به جریان مستقیم (DC) که فقط در یک جهت جریان دارد، تبدیل می‌کند) و به یک ولتاژ جریان مستقیم (DC) تبدیل می‌شود که برای بهبود بیشتر کیفیت شکل موج فیلتر می‌شود. فرآیند داخل یک منبع تغذیه خطی DC به صورت زیر توصیف می‌شود:

  • ترانسفورماتور: ولتاژ AC از پریز دیواری دارای بزرگی بالایی مانند 110/220 ولت AC است. بنابراین، اولین کاری که باید انجام شود تبدیل آن به یک سیگنال با بزرگی کمتر است. این کار با استفاده از قطعه‌ای به نام ترانسفورماتور حاصل می‌شود.
  • یک‌سوکننده: پس از تبدیل ولتاژ AC، از طریق یک‌سوکننده عبور می‌کند. یک‌سوکننده ولتاژ AC را با اجازه دادن به جریان در تنها یک جهت و حذف بخش منفی شکل موج AC، به ولتاژ DC ضربانی تبدیل می‌کند.
  • فیلتر: پس از یک‌سوسازی، از یک فیلتر برای هموار کردن و به حداقل رساندن ولتاژ DC ضربانی استفاده می‌شود. معمولاً، به دلیل توانایی ذخیره انرژی، خازن‌ها در این نوع مدار فیلتر استفاده می‌شوند.
  • رگولاتور: برای داشتن یک ولتاژ خروجی DC پایدار، یک تنظیم‌کننده ولتاژ (رگولاتور) لازم است. این قطعه تضمین می‌کند که خروجی ولتاژ DC ثابت و پایدار باشد و نوسانات در بار یا ولتاژ ورودی را جبران کند.
Linear AC/DC Power Supply Process

یک محدودیت بزرگ در یک منبع تغذیه خطی AC/DC، اندازه ترانسفورماتور است. از آنجا که ولتاژ ورودی در ورودی تبدیل می‌شود، ترانسفورماتور لازم باید بسیار بزرگ و در نتیجه بسیار سنگین باشد.

رسم یک منبع تغذیه خطی AC/DC با استفاده از schemdraw کد زیر یک منبع تغذیه خطی ساده را نشان می‌دهد:

import matplotlib.pyplot as plt
import schemdraw
import schemdraw.elements as elm
from schemdraw import dsp

with schemdraw.Drawing() as d:
    d.push()
    elm.Line()
    tr = elm.Transformer().right().label('ترانسفورماتور', loc='bot').anchor('p1')
    elm.Line().length(d.unit/3).at(tr.s1)
    elm.Line().length(d.unit/2).up()
    elm.Line().right()
    rec = elm.Rectifier().anchor('N').label('یک‌سوکننده')
    d.pop()
    elm.Gap().toy(tr.p2).label(['', 'ورودی AC', ''])
    elm.Line().tox(tr.p1)
    elm.Line().length(d.unit/3).at(tr.s2)
    elm.Line().length(d.unit/2).down()
    elm.Line().right()
    elm.Line().toy(rec.S)
    elm.Line().length(d.unit/8).at(rec.W).left()
    lineRec = elm.Line().length(d.unit*1.3).down()
    lineOne = elm.Line().at(rec.E).right().idot()
    line = elm.Line().idot()
    lineTwo = elm.Line().length(d.unit/3)
    lineThree = dsp.Square().label('رگولاتور')
    lineFour = elm.Line().length(d.unit/3)
    lineFive = elm.Line().length(d.unit/2)
    elm.Gap().toy(lineRec.end).label(['+', 'خروجی DC', '–'])
    lineFiveEnd = elm.Line().length(d.unit/2).left()
    lineThreeEnd = elm.Line().tox(lineThree.S)
    lineTwoEnd = elm.Line().tox(lineTwo.start)
    lineEnd = elm.Line().tox(line.start).dot()
    lineOneEnd = elm.Line().tox(lineOne.start)
    elm.Line().tox(lineRec.end)
    elm.Capacitor().endpoints(lineOne.end,lineOneEnd.start).label('فیلتر')
    elm.Capacitor().endpoints(lineTwo.start,lineEnd.start).label('C1')
    elm.Line().endpoints(lineTwoEnd.start,lineThree.S)
    elm.Capacitor().endpoints(lineFive.start,lineFiveEnd.end).label('C2')
plt.show()

منبع تغذیه سوئیچینگ AC/DC: رویکرد طراحی جدیدی برای حل بسیاری از مشکلات مرتبط با طراحی منبع تغذیه خطی یا سنتی AC/DC، از جمله اندازه ترانسفورماتور و تنظیم ولتاژ، توسعه یافته است. منابع تغذیه سوئیچینگ اکنون به لطف تکثیر فناوری نیمه‌هادی، به ویژه به دلیل ایجاد ترانزیستورهای MOSFET پرتوان که می‌توانند بسیار سریع و کارآمد روشن و خاموش شوند، حتی در حضور ولتاژها و جریان‌های بزرگ، امکان‌پذیر شده‌اند. یک منبع تغذیه سوئیچینگ AC/DC امکان ایجاد مبدل‌های توان کارآمدتر را فراهم می‌کند که دیگر توان اضافی را تلف نمی‌کنند.

در منابع تغذیه سوئیچینگ AC، ولتاژ ورودی دیگر کاهش نمی‌یابد؛ بلکه در ورودی یک‌سو و فیلتر می‌شود. سپس ولتاژ DC از طریق یک چاپر (Chopper) می‌گذرد که ولتاژ را به یک قطار پالس با فرکانس بالا تبدیل می‌کند. در نهایت، موج از طریق یک یک‌سوکننده و فیلتر دیگر عبور می‌کند که آن را دوباره به جریان مستقیم (DC) تبدیل کرده و هر جزء جریان متناوب (AC) باقیمانده قبل از رسیدن به خروجی را حذف می‌کند. فرآیند به صورت زیر نشان داده شده است:

  • یک‌سوکننده پل — AC اصلی به پالس DC: معمولاً این مدار یک‌سوکننده را در سمت ورودی منبع تغذیه سوئیچینگ خواهیم یافت. سپس، پالس DC به یک مدار سوئیچ RF منتقل می‌شود.
  • یک‌سوکننده نیم‌موج برای سیگنال AC RF: در یک منبع تغذیه سوئیچینگ، سیگنال DC ورودی با یک سیگنال RF با فرکانس بالا سوئیچ می‌شود. سپس، ترانسفورماتور کاهنده آن را به AC با ولتاژ پایین تبدیل می‌کند. بعد، از طریق یک یک‌سوکننده نیم‌موج عبور می‌کند تا به یک پالس DC یک‌سو شود. قلب هر منبع تغذیه سوئیچینگ، رگولاتور RF است. همچنین به عنوان “رگولاتور سوئیچینگ” شناخته می‌شود.
  • یک‌سوکننده تمام‌موج با استفاده از ترانسفورماتور تپ مرکزی: این یک ارتقاء نسبت به یک‌سوکننده نیم‌موج است و از تپ مرکزی سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور استفاده می‌کند.
  • یک‌سوکننده پل تمام‌موج پس از یک ترانسفورماتور کاهنده: یا در عوض می‌توانیم از دو دیود دیگر استفاده کنیم.
  • یک‌سوکننده و فیلتر خروجی: خروجی AC از ترانسفورماتور را دوباره به DC تبدیل کرده و آن را هموار می‌کند. مبدل‌های توان سوئیچینگ AC/DC می‌توانند نویز قابل توجهی در سیستم ایجاد کنند که باید برای اطمینان از عدم حضور آن در خروجی، مورد توجه قرار گیرد. این امر نیاز به مدار کنترلی پیچیده‌تر ایجاد می‌کند که به نوبه خود پیچیدگی طراحی را افزایش می‌دهد. با این حال، این فیلترها از اجزایی تشکیل شده‌اند که می‌توانند به راحتی یکپارچه شوند، بنابراین تأثیر زیادی بر اندازه منبع تغذیه نمی‌گذارد.

اگرچه مدارهای سوئیچینگ مختلف زیادی وجود دارد، اما رایج‌ترین آن‌ها PWM (مدولاسیون عرض پالس) است. شکل زیر یک بلوک دیاگرام پایه از رگولاتور سوئیچینگ PWM است. این مدار سطح ولتاژ را به شکل حلقه بسته حفظ می‌کند:

Switching Regulator Diagram

ترانسفورماتورهای کوچکتر و افزایش راندمان رگولاتور ولتاژ در منابع تغذیه سوئیچینگ AC/DC دلیل این است که اکنون می‌توانیم یک ولتاژ AC 220 ولت RMS را به یک ولتاژ DC 5 ولت با یک مبدل توان که در کف دست جا می‌گیرد تبدیل کنیم.

اجزای اصلی مورد استفاده در مدارهای یک‌سوکننده

1. ترانسفورماتور

  • عملکرد: ولتاژ AC را افزایش یا کاهش می‌دهد تا با نیازهای مدار مطابقت داشته باشد.
  • اصل کار: از القای الکترومغناطیسی برای تغییر ولتاژ بدون تغییر فرکانس استفاده می‌کند. اغلب شامل یک تپ مرکزی در یک‌سوکننده‌های تمام‌موج برای امکان تبدیل کارآمدتر است.
  • مزایا: ایزوله الکتریکی از منبع تغذیه، تطبیق ولتاژ برای ایمنی و سازگاری.
Transformer Photo Transformer Symbol

2. مدار یک‌سوکننده

  • عملکرد: ولتاژ AC را به ولتاژ DC ضربانی تبدیل می‌کند.
  • اجزای رایج: دیودها برای یک‌سوسازی کنترل نشده، تریستورها (SCR) یا سایر سوئیچ‌های کنترل‌شده برای خروجی قابل تنظیم.
  • انواع معمول:
    • یک‌سوکننده نیم‌موج: فقط از یک نیم‌سیکل AC استفاده می‌کند؛ ساده اما ناکارآمد.
    • یک‌سوکننده تمام‌موج (تپ مرکزی یا پل): از هر دو نیم‌سیکل برای راندمان بالاتر و ریپل کمتر استفاده می‌کند.
  • ملاحظات: یک پل دیودی از چهار دیود استفاده می‌کند. در یک‌سوکننده‌های کنترل‌شده، زاویه آتش را می‌توان برای تنظیم ولتاژ خروجی تنظیم کرد.
Rectifier Diagram Rectifier Waveforms

3. فیلتر (خازن / سلف)

  • عملکرد: نوسانات (ریپل) در سیگنال DC یک‌سو شده را هموار می‌کند.
  • اجزای فیلترینگ اصلی:
    • خازن: بار را ذخیره و آزاد می‌کند تا شکاف‌های ولتاژ را پر کند. تأثیر: به طور قابل توجهی ریپل ولتاژ را کاهش می‌دهد. قرارگیری: به صورت موازی با بار متصل می‌شود.
    • سلف: در برابر تغییرات سریع جریان مقاومت می‌کند. تأثیر: جریان DC را هموار می‌کند. قرارگیری: معمولاً به صورت سری با بار یا بخشی از فیلترهای LC یا π.
  • ترکیب: استفاده از هر دو خازن و سلف در پیکربندی‌های LC یا π-فیلتر منجر به کیفیت DC بهتری می‌شود.
Capacitor Filter Filter Circuit

4. تنظیم‌کننده ولتاژ (رگولاتور)

  • نقش: ولتاژ خروجی DC را برای محافظت از بار و کاهش نوسانات باقیمانده تثبیت می‌کند.
  • کاربرد: پس از فیلتر کردن، ولتاژ ممکن است هنوز کمی نوسان داشته باشد یا کمی بالاتر از حد لازم باشد. رگولاتورها (مانند 7805 برای 5 ولت، 7812 برای 12 ولت و غیره) مسئول حفظ خروجی DC در مقدار معین و پایدار هستند. در سیستم‌های پیچیده‌تر، از رگولاتورهای سوئیچینگ نیز استفاده می‌شود.

Regulator IC

Regulator Circuit

منبع تغذیه تک‌فاز در مقابل سه‌فاز

یک منبع تغذیه جریان متناوب (AC) می‌تواند تک‌فاز یا سه‌فاز باشد:

  • یک منبع تغذیه سه‌فاز از سه هادی به نام خط تشکیل شده است که هر کدام یک جریان متناوب (AC) با همان فرکانس و دامنه ولتاژ را حمل می‌کنند، اما با اختلاف فاز نسبی 120 درجه یا یک‌سوم یک سیکل. این سیستم‌ها در تحویل مقادیر زیاد توان کارآمدترین هستند و بنابراین برای تحویل برق از تأسیسات تولیدی به خانه‌ها و کسب‌وکارها در سراسر جهان استفاده می‌شوند. مثالی از این امر قبلاً ارائه شد.
  • یک منبع تغذیه تک‌فاز روش ترجیحی برای تأمین جریان به خانه‌ها یا دفاتر فردی است تا بار به طور مساوی بین خطوط توزیع شود. در این حالت، جریان از خط برق از طریق بار و سپس از طریق سیم نول بازمی‌گردد. این نوع تأمین در بیشتر تأسیسات، به جز ساختمان‌های صنعتی یا تجاری بزرگ یافت می‌شود. سیستم‌های تک‌فاز نمی‌توانند توان زیادی به بارها منتقل کنند و بیشتر مستعد قطعی برق هستند، اما برق تک‌فاز همچنین اجازه استفاده از شبکه‌ها و دستگاه‌های بسیار ساده‌تری را می‌دهد.

پیکربندی‌های سه‌فاز ستاره (Y) و مثلث (Δ)

دو پیکربندی برای انتقال توان از طریق یک منبع تغذیه سه‌فاز وجود دارد: پیکربندی مثلث (Δ) و ستاره (Y). تفاوت اصلی بین این دو پیکربندی، امکان افزودن یک سیم نول است. اتصالات مثلث قابلیت اطمینان بیشتری ارائه می‌دهند، اما اتصالات ستاره می‌توانند دو ولتاژ مختلف را تأمین کنند: ولتاژ فاز که ولتاژ تک‌فاز تأمین‌شده به خانه‌ها است و ولتاژ خط برای تأمین توان بارهای بزرگتر. در پیکربندی مثلث، ولتاژ فاز برابر با ولتاژ خط است در حالی که در پیکربندی ستاره، ولتاژ فاز برابر ولتاژ خط تقسیم بر ریشه 3 است. پیکربندی‌های ستاره معمولاً برای سیستم‌هایی استفاده می‌شوند که به نول نیاز است، مانند شبکه‌های توزیع برای ساختمان‌های مسکونی یا تجاری، زیرا اجازه خروجی‌های هم 120 ولت و هم 240 ولت را می‌دهند. پیکربندی‌های مثلث اغلب در محیط‌های صنعتی که توان بالا مورد نیاز است و نیازی به نول نیست، مانند موتورها و ماشین‌آلات سنگین استفاده می‌شوند.

تصویر زیر نشان می‌دهد که سیم‌ها در پیکربندی‌های ستاره و مثلث چگونه متصل می‌شوند:

Delta and Star Configurations

همانطور که قبلاً ذکر شد، توان سه‌فاز نه تنها برای انتقال استفاده می‌شود، بلکه برای تأمین توان بارهای بزرگ، مانند موتورهای الکتریکی یا شارژ باتری‌های بزرگ نیز استفاده می‌شود. این به این دلیل است که اعمال موازی توان در سیستم‌های سه‌فاز می‌تواند انرژی بسیار بیشتری را به یک بار منتقل کند و به دلیل همپوشانی سه فاز، می‌تواند این کار را به طور یکنواخت‌تری انجام دهد. به عنوان مثال، هنگام شارژ یک وسیله نقلیه الکتریکی (EV)، مقدار توانی که می‌توان به باتری منتقل کرد، سرعت شارژ آن را تعیین می‌کند. شارژرهای تک‌فاز به برق متناوب (AC) اصلی متصل شده و توسط مبدل AC/DC داخلی خودرو (که همچنین به عنوان شارژر داخلی شناخته می‌شود) به جریان مستقیم (DC) تبدیل می‌شوند. این شارژرها توسط شبکه و پریز AC از نظر توان محدود می‌شوند.

تصویر زیر انتقال توان در سیستم‌های تک‌فاز و سه‌فاز را نشان می‌دهد:

Single Phase vs Three Phase Power Transmission

مثال پیکربندی‌های ستاره و مثلث با استفاده از PySpice:

این مثال محاسبه ولتاژ برای پیکربندی‌های ستاره و مثلث را نشان می‌دهد. بیایید از یک شبکه الکتریکی 220 ولت / 50 هرتز استفاده کنیم. ولتاژهای فاز در پیکربندی ستاره به اندازه $\frac{2\pi}{3}$ از هم فاصله دارند:

\(V_{L1-N} = V_{pp} \cos(\omega t)\) \(V_{L2-N} = V_{pp} \cos(\omega t - \frac{2\pi}{3})\) \(V_{L3-N} = V_{pp} \cos(\omega t - \frac{4\pi}{3})\)

آن‌ها را به صورت مختلط بازنویسی می‌کنیم: \(V_{L1-N} = V_{pp} e^{j\omega t}\) \(V_{L2-N} = V_{pp} e^{j(\omega t - \frac{2\pi}{3})}\) \(V_{L3-N} = V_{pp} e^{j(\omega t - \frac{4\pi}{3})}\)

از این عبارات، ولتاژ در پیکربندی مثلث را با استفاده از روابط مثلثاتی محاسبه می‌کنیم:

\(V_{L1-L2} = V_{L1} \sqrt{3}\ e^{j\frac{\pi}{6}}\) \(V_{L2-L3} = V_{L2} \sqrt{3}\ e^{j\frac{\pi}{6}}\) \(V_{L3-L1} = V_{L3} \sqrt{3}\ e^{j\frac{\pi}{6}}\)

در مقایسه با پیکربندی ستاره، ولتاژها در پیکربندی مثلث توسط ضریب $\sqrt{3}$ بزرگ شده و به اندازه $\frac{\pi}{6}$ جابجایی فاز دارند.

در نهایت آن‌ها را به صورت زمانی بازنویسی می‌کنیم:

\(V_{L1-L2} = V_{pp} \sqrt{3} \cos(\omega t + \frac{\pi}{6})\) \(V_{L2-L3} = V_{pp} \sqrt{3} \cos(\omega t - \frac{\pi}{2})\) \(V_{L3-L1} = V_{pp} \sqrt{3} \cos(\omega t - \frac{7\pi}{6})\)

حال شکل‌موج‌ها را رسم می‌کنیم:

import math
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from PySpice.Unit import *

frequency = 50@u_Hz
w = frequency.pulsation
period = frequency.period
rms_mono = 220
amplitude_mono = rms_mono * math.sqrt(2)

t = np.linspace(0, 3*float(period), 1000)

## پیکربندی ستاره
L1 = amplitude_mono * np.cos(t*w) ## فاز یک
L2 = amplitude_mono * np.cos(t*w - 2*math.pi/3) ## فاز دو
L3 = amplitude_mono * np.cos(t*w - 4*math.pi/3) ## فاز سه

rms_tri = math.sqrt(3) * rms_mono
amplitude_tri = rms_tri * math.sqrt(2)

## پیکربندی مثلث
L12 = amplitude_tri * np.cos(t*w + math.pi/6)
L23 = amplitude_tri * np.cos(t*w - math.pi/2)
L31 = amplitude_tri * np.cos(t*w - 7*math.pi/6)

figure, ax = plt.subplots(figsize=(20, 10))
ax.plot(
    t, L1, t, L2, t, L3,
    t, L12, t, L23, t, L31,
    # t, L1-L2, t, L2-L3, t, L3-L1,
)
ax.grid()
ax.set_title('توان الکتریکی سه‌فاز: پیکربندی‌های ستاره و مثلث (220V تک‌فاز / 400V سه‌فاز 50Hz ایران)')
ax.legend(
    ('L1-N', 'L2-N', 'L3-N',
     'L1-L2', 'L2-L3', 'L3-L1'),
    loc=(.7,.5),
)
ax.set_xlabel('زمان [ثانیه]')
ax.set_ylabel('[ولت]')
ax.axhline(y=rms_mono, color='blue')
ax.axhline(y=-rms_mono, color='blue')
ax.axhline(y=rms_tri, color='blue')
ax.axhline(y=-rms_tri, color='blue')

plt.show()

فصل 4: مدارهای یک‌سوکننده و تحلیل

یک‌سوکننده نیم‌موج

یک یک‌سوکننده نیم‌موج با مسدود کردن یک نیمه از شکل موج، با استفاده از یک دیود، AC را به DC تبدیل می‌کند و در مقایسه با یک‌سوکننده تمام‌موج کارایی کمتری دارد. یک یک‌سوکننده تمام‌موج، مانند پل یک‌سوکننده تمام‌موج با چهار دیود، کل شکل موج را به DC تبدیل می‌کند و خروجی هموارتری ارائه می‌دهد.

یک‌سوکننده دیود توان

دیودهای توان را می‌توان به صورت جداگانه مانند زیر استفاده کرد یا به هم متصل کرد تا انواع مختلفی از مدارهای یک‌سوکننده تولید شوند.

Half-Wave Rectifier Waveform

در بسیاری از کاربردها، ولتاژ پیک را با استفاده از یک ترانسفورماتور قبل از اعمال آن به یک یک‌سوکننده نیم‌موج کاهش می‌دهیم.

Half-Wave Rectifier with Transformer

در طول نیم‌سیکل مثبت موج سینوسی AC، دیود بایاس مستقیم اجازه می‌دهد جریان جاری شود و ولتاژ خروجی را برابر ولتاژ منبع منهای ولتاژ مستقیم دیود می‌کند. در نیم‌سیکل منفی، دیود بایاس معکوس جریان را مسدود می‌کند و در نتیجه ولتاژ خروجی صفر می‌شود.

سمت DC مدار یک‌سو است و مقاومت بار یک شکل موج ولتاژ نامنظم متشکل از ولتاژهای مثبت و صفر دریافت می‌کند. این ولتاژ معادل $ 0.318 _ V_\text{max} $ یا $ 0.45 _ V_\text{rms} $ شکل موج سینوسی ورودی است.

محاسبه مقدار DC خروجی

\[V_{\text{avg}} = \frac{1}{T} \int_{0}^{T} v(t) \, dt\]

برای یک شکل موج سینوسی یک‌سو شده نیم‌موج، باید میانگین را در یک دوره در نظر بگیریم، اما چون شکل موج یک‌سو شده است، برای نیمی از دوره صفر است. بنابراین، میانگین را روی نیم‌سیکل غیرصفر محاسبه کرده و سپس از فرمول برای دوره کامل استفاده می‌کنیم.

شکل موج $ v(t) = V_{\text{max}} \sin(\omega t) $ برای $0 \leq t < T/2$ و صفر برای $ T/2 \leq t < T $.

مقدار متوسط در طول دوره برابر است با:

\[V_{\text{avg}} = \frac{1}{T} \int_{0}^{T} v(t) \, dt\]

از آنجا که $ v(t) = V_{\text{max}} \sin(\omega t) $ از $0$ تا $T/2$ و $0$ از $T/2$ تا $T$:

\[V_{\text{avg}} = \frac{1}{T} \left( \int_{0}^{T/2} V_{\text{max}} \sin(\omega t) \, dt \right)\]

انتگرال را محاسبه می‌کنیم:

\[\int_{0}^{T/2} V_{\text{max}} \sin(\omega t) \, dt = \frac{V_{\text{max}}}{\omega} \left[ -\cos(\omega t) \right]_{0}^{T/2}\]

با جایگذاری حدود:

\[\frac{V_{\text{max}}}{\omega} \left[ -\cos\left(\frac{\omega T}{2}\right) + \cos(0) \right]\]

از آنجا که $\cos\left(\frac{\omega T}{2}\right) = \cos(\pi) = -1$ و $\cos(0) = 1$:

\[\frac{V_{\text{max}}}{\omega} \left[ -(-1) + 1 \right] = \frac{V_{\text{max}}}{\omega} \cdot 2\]

بنابراین:

\[\frac{1}{T} \cdot \frac{V_{\text{max}} \cdot 2}{\omega}\]

از آنجا که $\omega = \frac{2\pi}{T}$:

\[\frac{1}{T} \cdot \frac{2 V_{\text{max}} T}{2 \pi} = \frac{2 V_{\text{max}}}{2 \pi} = \frac{V_{\text{max}}}{\pi}\]

بنابراین، مقدار متوسط صحیح $ V_{\text{avg}} $ برابر است با:

\[V_{\text{DC}} = V_{\text{avg}} = \frac{V_{\text{max}}}{\pi} = 0.318V_{\text{max}}\]

همچنین می‌نویسیم $ V{\text{rms}} $ بر حسب $ V{\text{max}} $:

\[V_{\text{rms}} = \frac{V_{\text{max}}}{\sqrt{2}}\]

$ V{\text{max}} $ را بر حسب $ V{\text{DC}} $ بیان می‌کنیم:

با توجه به $ V{\text{DC}} = \frac{V{\text{max}}}{\pi} $،

\[V_{\text{max}} = \pi \times V_{\text{DC}}\]

$ V{\text{max}} $ را در فرمول $ V{\text{rms}} $ جایگزین می‌کنیم:

\[V_{\text{rms}} = \frac{\pi \times V_{\text{DC}}}{\sqrt{2}}\]

عبارت را ساده می‌کنیم:

\[V_{\text{rms}} = \pi \times \frac{V_{\text{DC}}}{\sqrt{2}}\]

بنابراین،

\[V_{\text{DC}} \approx 0.45 \times V_{\text{rms}}\]

تذکر: برای یافتن $ V{\text{rms}} $ سیگنال سینوسی ورودی در یک دوره و سپس ارتباط آن با $ V{\text{DC}} $، باید مقدار RMS را برای کل دوره سیگنال ورودی محاسبه کنیم.

مقدار RMS سیگنال سینوسی ورودی:

سیگنال سینوسی ورودی $ v(t) = V_{\text{max}} \sin(\omega t) $ در طول یک دوره $ T $ مقدار RMS زیر را دارد:

\[V_{\text{rms}} = \sqrt{\frac{1}{T} \int_0^T \left(V_{\text{max}} \sin(\omega t)\right)^2 \, dt}\] \[V_{\text{rms}} = V_{\text{max}} \sqrt{\frac{1}{T} \int_0^T \sin^2(\omega t) \, dt}\]

با استفاده از اتحاد $ \sin^2(x) = \frac{1 - \cos(2x)}{2} $:

\[\sin^2(\omega t) = \frac{1 - \cos(2\omega t)}{2}\]

بنابراین،

\[V_{\text{rms}} = V_{\text{max}} \sqrt{\frac{1}{T} \int_0^T \frac{1 - \cos(2\omega t)}{2} \, dt}\] \[V_{\text{rms}} = V_{\text{max}} \sqrt{\frac{1}{T} \cdot \frac{1}{2} \int_0^T (1 - \cos(2\omega t)) \, dt}\]

انتگرال $ 1 $ روی $ 0 $ تا $ T $ برابر $ T $ است و انتگرال $ \cos(2\omega t) $ روی یک دوره $ T $ برابر صفر است:

\[\int_0^T 1 \, dt = T\] \[\int_0^T \cos(2\omega t) \, dt = 0\]

بنابراین،

\[V_{\text{rms}} = \frac{V_{\text{max}}}{\sqrt{2}}\]

یک‌سوکننده تمام‌موج

یک‌سوکننده تمام‌موج دیودهای توان را می‌توان به هم متصل کرد تا یک یک‌سوکننده تمام‌موج تشکیل دهند که ولتاژ AC را به ولتاژ DC برای منابع تغذیه تبدیل می‌کند. این یک‌سوکننده از چهار دیود برای تبدیل هر دو نیمه از هر سیکل شکل موج AC به یک سیگنال DC استفاده می‌کند. در حالی که خازن‌های هموارکننده می‌توانند ریپل را برای کاربردهای کم‌توان کاهش دهند، یک یک‌سوکننده تمام‌موج برای نیازهای توان بالاتر کارآمدتر است و از هر نیم‌سیکل ولتاژ ورودی استفاده می‌کند.

Full-Wave Bridge Rectifier

نحوه کار

نیم‌سیکل مثبت

Positive Half Cycle Bridge Rectifier

نیم‌سیکل منفی

Negative Half Cycle Bridge Rectifier

مزایا و عملکرد مدار یک یک‌سوکننده تمام‌موج ولتاژ DC خروجی متوسط بالاتری با ریپل کمتر در مقایسه با یک یک‌سوکننده نیم‌موج تولید می‌کند که منجر به شکل موج خروجی هموارتری می‌شود. مانند یک‌سوکننده نیم‌موج، می‌تواند به موارد زیر برسد:

یک‌سوکننده تمام‌موج

یک یک‌سوکننده تمام‌موج کل شکل موج AC را به DC تبدیل می‌کند و خروجی هموارتر و کارآمدتری نسبت به یک یک‌سوکننده نیم‌موج ارائه می‌دهد. این یک‌سوکننده از چهار دیود برای یک‌سو کردن هر دو نیمه سیکل AC استفاده می‌کند که منجر به خروجی DC متوسط بالاتر با ریپل کاهش‌یافته می‌شود.

یک‌سوکننده دیود توان

دیودهای توان را می‌توان در پیکربندی‌های مختلف مدارهای یک‌سوکننده قرار داد. یک طراحی رایج، یک‌سوکننده تمام‌موج با استفاده از یک ترانسفورماتور تپ مرکزی و دو دیود برای مدیریت هر دو نیم‌سیکل شکل موج ورودی است. این پیکربندی فرکانس سیگنال خروجی را دو برابر می‌کند که منجر به خروجی DC هموارتر می‌شود.

محاسبه مقدار DC خروجی برای یک یک‌سوکننده تمام‌موج، ولتاژ DC متوسط خروجی $V_{\text{DC}}$ به صورت زیر داده می‌شود:

\[V_{\text{DC}} = \frac{2 V_{\text{max}}}{\pi}\]

که در آن $ V_{\text{max}} $ مقدار پیک سیگنال AC است. این نتیجه نشان می‌دهد که ولتاژ DC خروجی در مقایسه با یک یک‌سوکننده نیم‌موج بالاتر و هموارتر است.

مدار از دو دیود و یک ترانسفورماتور تپ مرکزی استفاده می‌کند که به هر دیود اجازه می‌دهد در طول نیم‌سیکل‌های مخالف هدایت کند. این پیکربندی فرکانس خروجی را دو برابر می‌کند و یک‌سوکننده تمام‌موج را 100٪ کارآمد می‌سازد. جهت جریان ثابت از طریق مقاومت بار در طول هر دو نیم‌سیکل، یک خروجی DC پیوسته را تضمین می‌کند.

Full-Wave Rectifier with Center-Tapped Transformer

یک‌سوکننده تمام‌موج با خازن هموارکننده

خازن‌ها خروجی یک‌سوکننده تمام‌موج را هموار می‌کنند و ریپل پیک تو پیک را برای یک ولتاژ پایدارتر کاهش می‌دهند.

ضریب ریپل یک یک‌سوکننده نیم‌موج

ریپل جزء AC باقیمانده در خروجی یک یک‌سوکننده نیم‌موج است که باعث می‌شود شکل موج DC ضربانی شود. ضریب ریپل $ \gamma $ این جزء AC ناخواسته را کمّی می‌کند و به صورت زیر به دست می‌آید:

\[\gamma = \frac{\text{مقدار RMS جزء AC}}{\text{مقدار جزء DC}} = \frac{V_{r(\text{rms})}}{V_{dc}}.\] \[\gamma = \sqrt{\frac{V_{rms}^2}{V_{dc}^2} - 1}.\]

اثبات: در اینجا، $ V{r(\text{rms})} $ نشان‌دهنده مقدار RMS جزء AC و $ V{dc} $ جزء DC خروجی است.

برای تعیین $ V_{r(\text{rms})} $، با بیان ولتاژ خروجی یک‌سوکننده نیم‌موج شروع می‌کنیم:

\[V_o(t) = V_{ac} + V_{dc},\]

که در آن $ V_{ac} $ جزء AC باقیمانده پس از یک‌سوسازی است. مقدار RMS جزء AC را می‌توان با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد:

\[V_{r(\text{rms})} = \left( \frac{1}{T} \int_0^T V_{ac}^2 \, dt \right)^{1/2}.\]

همچنین می‌توانیم $ V_{r(\text{rms})} $ را به صورت زیر بنویسیم:

\[V_{r(\text{rms})}^2 = \frac{1}{T} \int_0^T (V_o - V_{dc})^2 \, dt.\]

با بسط مربع و انتگرال‌گیری، به دست می‌آوریم:

\[V_{r(\text{rms})}^2 = \frac{1}{T} \int_0^T (V_o^2 - 2V_o V_{dc} + V_{dc}^2) \, dt.\]

این عبارت به صورت زیر ساده می‌شود:

\[V_{r(\text{rms})}^2 = \frac{1}{T} \int_0^T V_o^2 \, dt - \frac{2V_{dc}}{T} \int_0^T V_o \, dt + V_{dc}^2.\]

از آنجا که $ \frac{1}{T} \int0^T V_o \, dt = V{dc} $، داریم:

\[V_{r(\text{rms})}^2 = V_{rms}^2 - V_{dc}^2,\]

که در آن $ V_{rms} $ مقدار RMS کل سیگنال ولتاژ است.

بنابراین، ضریب ریپل $ \gamma $ را می‌توان به صورت زیر نوشت:

\[\gamma = \sqrt{\frac{V_{rms}^2}{V_{dc}^2} - 1}.\]

برای یک‌سوکننده نیم‌موج

با جایگذاری مقادیر $ V{dc} $ و $ V{rms} $، می‌یابیم:

\[\gamma = \sqrt{\frac{V_m^2 / 2 \cdot \pi}{V_m / \pi}^2 - 1} = \sqrt{\left(\frac{\pi}{2}\right)^2 - 1} \approx 1.21.\]

ضریب ریپل یک یک‌سوکننده تمام‌موج ضریب ریپل ($ \gamma $) برای یک یک‌سوکننده تمام‌موج به صورت زیر تعریف می‌شود:

\[\gamma = \frac{V_{r(\text{rms})}}{V_{dc}} = \sqrt{\frac{V_{rms}^2}{V_{dc}^2} - 1},\]

که در آن $ V{r(\text{rms})} $ مقدار RMS جزء AC و $ V{dc} $ جزء DC است. برای یک یک‌سوکننده تمام‌موج، ضریب ریپل به صورت زیر ساده می‌شود:

\[\gamma = \sqrt{\left(\frac{\pi}{2\sqrt{2}}\right)^2 - 1} \approx 0.48.\]

چندبرابرکننده ولتاژ

یک چندبرابرکننده ولتاژ یک مدار الکتریکی است که توان الکتریکی AC را از یک ولتاژ پایین‌تر به یک ولتاژ DC بالاتر تبدیل می‌کند، معمولاً با استفاده از شبکه‌ای از خازن‌ها و دیودها. چندبرابرکننده‌های ولتاژ می‌توانند برای تولید چند ولت برای لوازم الکترونیکی تا میلیون‌ها ولت استفاده شوند.

مثال $ V_o $ برابر با چهار برابر پیک ولتاژ ورودی AC $ V_i $

Voltage Multiplier Circuit

فصل 5: تکنیک‌های رگولاسیون و توپولوژی‌های پیشرفته

رگولاتورها

پس از یک‌سوسازی، خروجی DC را می‌توان با استفاده از رگولاتورهاتثبیت کرد که عمدتاً دو نوع هستند:

  • رگولاتورهای خطی: این‌ها یک ولتاژ خروجی پایدار را با استفاده از یک المان عبور خطی برای افت ولتاژ اضافی ارائه می‌دهند. ساده هستند و نویز کمی ارائه می‌دهند اما به ویژه با افت ولتاژ بزرگ، کارایی کمتری دارند.
  • رگولاتورهای سوئیچینگ: این‌ها از المان‌های سوئیچینگ با فرکانس بالا برای تبدیل ولتاژ ورودی به ولتاژ خروجی مورد نظر با کارایی بالاتر استفاده می‌کنند. پیچیده‌تر هستند اما کارایی بهتری ارائه می‌دهند و می‌توانند ولتاژ را افزایش، کاهش یا معکوس کنند.

رگولاتور خطی

یک رگولاتور ترانزیستوری ساده، ولتاژ خروجی نسبتاً ثابتی (Uout) را علی‌رغم تغییرات ولتاژ ورودی (Uin) و مقاومت بار (RL) حفظ می‌کند، مشروط بر اینکه Uin به اندازه کافی از Uout بیشتر باشد و ظرفیت توان ترانزیستور فراتر نرود. ولتاژ خروجی تثبیت‌کننده برابر است با ولتاژ دیود زنر منهای ولتاژ بیس-امیتر ترانزیستور (UZ − UBE)، که UBE به طور معمول حدود 0.7 ولت برای ترانزیستورهای سیلیکونی است. اگر Uout به دلیل عوامل خارجی کاهش یابد، UBE افزایش می‌یابد و ترانزیستور را بیشتر فعال می‌کند تا ولتاژ بار را افزایش دهد. Rv جریان بایاس را به هر دو دیود زنر و ترانزیستور تأمین می‌کند و مقدار آن بر نیازهای ولتاژ ورودی و کارایی رگولاتور تأثیر می‌گذارد. مقادیر کمتر Rv تلفات توان دیود را افزایش می‌دهد و عملکرد رگولاتور را بدتر می‌کند.

Linear Regulator Schematic

رگولاتور با یک تقویت کننده تفاضلی پایداری ولتاژ خروجی را می‌توان با استفاده از یک تقویت کننده تفاضلی، مانند یک تقویت کننده عملیاتی، افزایش داد. این مدار جریان ترانزیستور را بر اساس اختلاف ولتاژ ورودی تنظیم می‌کند و اجازه می‌دهد ولتاژ خروجی قابل تنظیمی از طریق یک تقسیم‌کننده ولتاژ داشته باشیم.

Linear Regulator with Differential Amplifier

مدارهای مجتمع سری LM

نمونه‌ای از رگولاتور خطی LM317 است: رگولاتور ولتاژ مثبت قابل تنظیم 1.5 آمپر (1.25 ولت تا 37 ولت)

LM317 Linear Regulator

فصل 6: طراحی و شبیه‌سازی مبدل‌های AC به DC

import matplotlib.pyplot as plt
import schemdraw
import schemdraw.elements as elm
from schemdraw import dsp

with schemdraw.Drawing() as d:
    d.push()
    elm.Line()
    tr = elm.Transformer().right().label('ترانسفورماتور', loc='bot').anchor('p1')
    elm.Line().length(d.unit/3).at(tr.s1)
    elm.Line().length(d.unit/2).up()
    elm.Line().right()
    rec = elm.Rectifier().anchor('N').label('یک‌سوکننده')
    d.pop()
    elm.Gap().toy(tr.p2).label(['', 'ورودی AC', ''])
    elm.Line().tox(tr.p1)
    elm.Line().length(d.unit/3).at(tr.s2)
    elm.Line().length(d.unit/2).down()
    elm.Line().right()
    elm.Line().toy(rec.S)
    elm.Line().length(d.unit/8).at(rec.W).left()
    lineRec = elm.Line().length(d.unit*1.3).down()
    lineOne = elm.Line().at(rec.E).right().idot()
    line = elm.Line().idot()
    lineTwo = elm.Line().length(d.unit/3)
    lineThree = dsp.Square().label('رگولاتور')
    lineFour = elm.Line().length(d.unit/3)
    lineFive = elm.Line().length(d.unit/2)
    elm.Gap().toy(lineRec.end).label(['+', 'خروجی DC', '–'])
    lineFiveEnd = elm.Line().length(d.unit/2).left()
    lineThreeEnd = elm.Line().tox(lineThree.S)
    lineTwoEnd = elm.Line().tox(lineTwo.start)
    lineEnd = elm.Line().tox(line.start).dot()
    lineOneEnd = elm.Line().tox(lineOne.start)
    elm.Line().tox(lineRec.end)
    elm.Capacitor().endpoints(lineOne.end,lineOneEnd.start).label('فیلتر')

    elm.Line().endpoints(lineTwoEnd.start,lineThree.S)

plt.show()
Linear Power Supply Design

فصل 7: کاربردهای صنعتی و پیشرفت‌های فناوری در مبدل‌های AC به DC

مبدل‌های AC به DC نه تنها در مدارهای الکترونیکی کوچک بنیادی هستند، بلکه در بسیاری از سیستم‌های صنعتی نیز نقش حیاتی ایفا می‌کنند. توانایی آن‌ها در تبدیل جریان متناوب (AC) به جریان مستقیم (DC)، آن‌ها را در سیستم‌های قدرت، فرآیندهای تولید و فناوری‌های مدرن ضروری می‌سازد.

کاربردهای صنعتی

الکترونیک مصرفی و مخابرات: تقریباً همه دستگاه‌های الکترونیکی مدرن – از رایانه‌ها گرفته تا تلفن‌های هوشمند – به ولتاژ DC نیاز دارند که از طریق مبدل‌های برق AC/DC تأمین می‌شود.

صنعت خودرو: وسایل نقلیه الکتریکی و هیبریدی از مبدل‌های AC به DC برای شارژ باتری‌ها و تأمین انرژی سیستم‌های الکترونیکی داخلی استفاده می‌کنند.

سیستم‌های کنترل و اتوماسیون: در اتوماسیون صنعتی، دستگاه‌هایی مانند PLCها، سنسورها و درایوهای موتور با برق DC کار می‌کنند. مبدل‌ها ولتاژ پایدار را برای این سیستم‌های کنترل فراهم می‌کنند.

منابع تغذیه صنعتی: منبع تغذیه سوئیچ-مود (SMPS) در کاربردهای صنعتی به تبدیل کارآمد AC به DC برای عملیات با کارایی بالا و صرفه‌جویی در انرژی متکی هستند.

پیشرفت‌های فناوری

توسعه‌های فناوری اخیر به طور قابل توجهی عملکرد مبدل‌های AC به DC را بهبود بخشیده است:

مواد نیمه‌هادی پیشرفته (SiC, GaN): از این مواد برای ساخت دستگاه‌های توان سریع‌تر و کارآمدتر با تلفات کمتر استفاده می‌شود.

طراحی‌های با کارایی بالا و فشرده: مبدل‌های مدرن به گونه‌ای طراحی شده‌اند که کوچکتر، سبک‌تر و کارآمدتر باشند و از توپولوژی‌ها و روش‌های کنترل پیشرفته استفاده می‌کنند.

کنترل دیجیتال و ویژگی‌های هوشمند: یکپارچه‌سازی میکروکنترلرها و پردازش سیگنال دیجیتال، تنظیم هوشمندتر و دقیق‌تر ولتاژ و جریان خروجی را ممکن می‌سازد.

فصل 8: بررسی چالش‌ها و مسائل در تبدیل AC به DC

در حالی که مبدل‌های AC به DC در کاربردهای مختلف ضروری هستند، طراحی و عملکرد آن‌ها با چندین چالش مواجه است. این مسائل از مشکلات فنی و مرتبط با طراحی گرفته تا نگرانی‌های کارایی و خطرات ایمنی گسترده است.

چالش‌های فنی

ریپل ولتاژ: حتی پس از یک‌سوسازی، ولتاژ DC خروجی کاملاً هموار نیست. ریپل می‌تواند باعث ناپایداری یا خرابی در مدارهای الکترونیکی حساس شود.

افت ولتاژ در دیودها: هر دیود یک افت ولتاژ مستقیم دارد (معمولاً ~0.7V برای دیودهای سیلیکونی) که به ویژه در کاربردهای کم‌ولتاژ، کارایی کلی را کاهش می‌دهد.

تلفات حرارتی: اجزای توان مانند رگولاتورها و دیودها گرما تولید می‌کنند و بدون مدیریت حرارتی مناسب، عملکرد ممکن است کاهش یابد یا اجزا خراب شوند.

چالش‌های طراحی و اقتصادی

اندازه و وزن در سطوح توان بالا: مبدل‌های پرتوان به اجزای بزرگی مانند ترانسفورماتورها یا خازن‌ها نیاز دارند که اندازه و وزن سیستم را افزایش می‌دهد.

هزینه اجزای پیشرفته: در حالی که استفاده از نیمه‌هادی‌های مدرن مانند GaN یا SiC عملکرد را بهبود می‌بخشد، هزینه طراحی و تولید را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد.

نیازمندی‌های کنترل پیچیده: مبدل‌های AC/DC هوشمند یا دیجیتال اغلب به الگوریتم‌های کنترل دقیق و میکروکنترلرها نیاز دارند که سیستم را برای طراحی و نگهداری پیچیده‌تر می‌کند.

نتیجه‌گیری

تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم نمایانگر یکی از ارکان اساسی مهندسی برق مدرن است که عملکرد دستگاه‌های الکترونیکی و سیستم‌های صنعتی بی‌شماری را ممکن می‌سازد. این تحقیق به طور سیستماتیک اصول بنیادی، مکانیسم‌های عملیاتی و کاربردهای عملی تبدیل توان AC به DC را بررسی کرده است.

تحلیل جامع، مزایا و معایب متمایز هر دو منبع تغذیه AC و DC را آشکار ساخت و نقش مکمل آن‌ها را در سیستم‌های الکتریکی برجسته کرد. بررسی روش‌های تبدیل خطی در مقابل سوئیچینگ، عملی‌بودن برتر تکنیک‌های سوئیچینگ را به ویژه از نظر بهینه‌سازی اندازه ترانسفورماتور و کارایی کلی نشان داد.

علاوه بر این، کاوش سیستم‌های قدرت سه‌فاز، از جمله پیکربندی‌های ستاره و مثلث، بر مزیت قابل توجه آن‌ها در ظرفیت انتقال توان در مقایسه با سیستم‌های تک‌فاز تأکید کرد. بررسی دقیق مدارهای یک‌سوکننده، تکنیک‌های تنظیم ولتاژ و معیارهای انتخاب قطعات، بینش ارزشمندی برای پیاده‌سازی عملی فراهم می‌کند.

با نگاه به آینده، زمینه تبدیل AC به DC با فناوری‌های در حال ظهور و رویکردهای نوآورانه به تکامل خود ادامه می‌دهد. جهت‌های تحقیقاتی آینده باید بر توسعه مواد نیمه‌هادی پیشرفته، الگوریتم‌های کنترل هوشمند و راه‌حل‌های مدیریت توان یکپارچه برای پرداختن به چالش‌های جاری در کارایی، مدیریت حرارتی و کوچک‌سازی سیستم متمرکز شود.

در اصل، این تحقیق به درک عمیق‌تری از فناوری‌های تبدیل توان و نقش حیاتی آن‌ها در پر کردن شکاف بین شبکه‌های توزیع توان AC و کاربردهای مبتنی بر DC کمک می‌کند و در نهایت از پیشرفت سیستم‌های الکتریکی کارآمدتر و پایدارتر حمایت می‌کند.

منابع:

https://www.sciencefacts.net/direct-current.html
https://www.monolithicpower.com/en/learning/resources/ac-dc-power-supply-basics
https://www.matsusada.com/column/dc_and_ac.html
https://eshop.se.com/in/blog/post/difference-between-active-power-reactive-power-and-apparent-power.html
https://en.wikipedia.org/wiki/Rectifier
https://pyspice.fabrice-salvaire.fr/releases/v1.4/examples/electricity/three-phase.html
https://www.build-electronic-circuits.com/linear-power-supply/
https://www.eleccircuit.com/what-switching-power-supply-how-does-it-work/
https://youtu.be/jsBn2r94BDA
https://youtu.be/JXJaRPXPwjQ
https://www.rohm.com/electronics-basics/ac-dc-converters/acdc_what1