یکسوسازهای پلی چیستند و چگونه کار می‌کنند؟

تعریف و عملکرد اساسی یکسوسازهای پلی

یکسوساز پلی در اصل از چهار دیود تشکیل شده است که به صورتی چیده شده‌اند تا جریان متناوب را از طریق فرآیندی به نام یکسوسازی تمام موج، به جریان مستقیم تبدیل کنند. این نوع با نسخه‌های نیم موج تفاوت دارد، زیرا هر دو نیم‌دوره سیگنال متناوب را بجای تنها یک قسمت از آن استفاده می‌کند، که این امر منجر به کاهش انرژی تلف شده و افزایش بازدهی تقریباً دو برابری می‌شود. نحوه چیدمان فیزیکی این قطعات به شکل یک پل، باعث می‌شود که دیگر نیازی به ترانسفورماتورهای مرکز-دراز خاصی که می‌توانند گران تمام شوند، نباشد. این موضوع باعث صرفه‌جویی در هزینه قطعات برای منابع تغذیه ساده می‌شود، که بسته به جزئیات طراحی ممکن است حدود ۳۰ درصد باشد. مهم‌ترین نکته این است که این پیکربندی باعث می‌شود جریان الکتریکی همواره در یک جهت جاری شود، حتی اگر اتصال ورودی به اشتباه معکوس شده باشد.

نقش یکسوسازهای پلی در الکترونیک قدرت مدرن

رگولاتورهای پلی نقش کلیدی در اتصال برق متناوب از پریزهای دیواری به تمام دستگاه‌های مستقیم جریان که روزانه استفاده می‌کنیم، از جمله تلفن‌های همراه و وسایل هوشمند خانه دارند. این اجزا نقطه شروع اغلب منابع تغذیه سوئیچینگ را تشکیل می‌دهند و به تبدیل کارآمد برق کمک می‌کنند، در حالی که تولید گرما را کاهش می‌دهند. بر اساس برخی تحقیقات اخیر بازار در سال 2023، حدود 8 از هر 10 آداپتور کوچک با توان زیر 100 وات در واقع حاوی رگولاتورهای پلی هستند، زیرا این قطعات تعادل خوبی بین ابعاد فیزیکی، هزینه‌های تولید و نرخ تبدیل که معمولاً بین 85٪ تا کمی بالاتر از 90٪ متغیر است، ایجاد می‌کنند. چرا این قطعات چنان محبوب هستند؟ خب، آنها نیازی به ترانسفورماتور ندارند، بدین معنا که تولیدکنندگان می‌توانند واحدهای شارژ کوچک‌تری بدون قربانی کردن عملکرد زیاد طراحی کنند. به همین دلیل است که فناوری مدرن ما هر ساله کوچک‌تر و کوچک‌تر می‌شود.

فرآیند تصحیح موج کامل: توضیح ساده‌شده تبدیل AC به DC

عملکرد پل دیودی چهار دیودی در دو مرحله انجام می‌شود:

• نیم‌چرخه مثبت: دیودهای D1 و D3 هدایت می‌کنند و مسیر جریان مستقیم ایجاد می‌کنند
• نیم‌دور منفی: دیودهای D2 و D4 فعال می‌شوند و قطبیت خروجی را حفظ می‌کنند

این عملکرد دو مسیره، ورودی متناوب 60 هرتزی را به جریان مستقیم پالسی 120 هرتزی تبدیل می‌کند که خازن‌ها آن را صاف کرده و به ریل‌های ولتاژ پایدار تبدیل می‌کنند. مهندسان این روش را نسبت به روش‌های نیم‌موج ترجیح می‌دهند، زیرا دامنه ریپل را 50٪ کاهش داده و ولتاژ خروجی موثر را برای مشخصات یکسان ترانسفورمر دوبرابر می‌کند.

طراحی مدار داخلی و عملکرد دیود در یکسوکننده‌های پلی

چیدمان چهار دیودی و قرارگیری قطعات در مدارهای یکسوکننده پلی

یکسوکننده‌های پلی از چیدمان چهار دیودی برای انجام یکسوسازی تمام‌موج بدون نیاز به ترانسفورمر با سر وسط استفاده می‌کنند. در این پیکربندی:

• دو دیود در طول نیم‌دور مثبت ورودی متناوب هدایت می‌کنند (معمولاً D1 و D3)
• دو دیود دیگر در طول نیم‌دور منفی فعال می‌شوند (D2 و D4)

این چیدمان اطمینان حاصل می‌کند که جریان از طریق بار به صورت یکطرفه جریان داشته باشد، صرف‌نظر از قطبیت AC. طراحی‌های مدرن فاصله بین اجزا را بهینه می‌کنند تا تداخل الکترومغناطیسی (EMI) و تجمع حرارت را به حداقل برسانند و در نتیجه قابلیت اطمینان در کاربردهای با فرکانس بالا بهبود یابد.

جریان در طول نیم‌دوره‌های مثبت و منفی ورودی AC

هنگامی که به آنچه در نیم‌سیکل مثبت اتفاق می‌افتد نگاه می‌کنیم، ولتاژ ورودی در واقع باعث رسانایی دیودهای D1 و D3 می‌شود. این امر مسیری مشخص برای جریان ایجاد می‌کند که از ترمینال فاز منبع AC شروع شده و از طریق بار ما عبور کرده و به سیم خنثی بازمی‌گردد. حالا وقتی نیم‌سیکل منفی شروع می‌شود، وضعیت کاملاً معکوس می‌شود. معکوس شدن قطبیت، دیودهای D2 و D4 را فعال می‌کند. هرچند جهت تغییر کرده است، اما جریان همچنان از طریق بار به همان شکل قبلی عبور می‌کند. چیزی که این مجموعه را بسیار مؤثر می‌کند این است که به طور اساسی فرکانس خروجی را در مقایسه با آن دسته از یکسوسازهای نیم‌موج ساده دو برابر می‌کند. و به دلیل همین اثر دوبرابر شدن، مقدار نوسان (ریپل) در سیگنال حتی پیش از اعمال هرگونه فیلتر اضافی به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد.

ملاحظات افت ولتاژ: دیودهای سیلیکونی در مقابل دیودهای شاتکی

دیودهای سیلیکونی معمولی معمولاً حدود 0.7 ولت افت ولتاژ دارند، بنابراین هنگام استفاده در پیکربندی پل، مجموعاً می‌توانند تا 1.4 ولت را از بین ببرند. این بدین معناست که ولتاژ خروجی در سیستم‌های ولتاژ پایینی که اغلب با آن‌ها سر و کار داریم، بین 5 تا 10 درصد کاهش می‌یابد. با این حال، دیودهای شاتکی تلفات هدایتی را حدود 60 درصد کاهش می‌دهند، زیرا تنها افتی در حدود 0.3 ولت در هر دیود دارند که در کل پل به میزان 0.6 ولت می‌رسد. به همین دلیل بسیاری از طراحان ترجیح می‌دهند از این نوع دیودها در دستگاه‌های باتری‌دار استفاده کنند که در آن‌ها هر میلی‌آمپر اهمیت دارد. اما نکته‌ای هم وجود دارد که باید به آن توجه کرد. این دیودهای شاتکی تمایل به نشت جریان بیشتری دارند و گاهی حتی در دمای محیط می‌توانند تا 5 میلی‌آمپر جریان نشت داشته باشند. به همین علت، مهندسان معمولاً از استفاده از آن‌ها در کارهای آنالوگ دقیق که کنترل جریان معکوس در آن‌ها حائز اهمیت است، پرهیز می‌کنند.

صاف کردن خروجی: فیلتر کردن موج ریپل در ولتاژ مستقیم

درک جریان مستقیم پالسی و ضرورت کاهش ریپل

یکسوسازهای پلی ولتاژ مستقیم موجداری تولید می‌کنند که دارای ولتاژ ریپل باقیمانده است، معمولاً در طراحی‌های تمام‌موج تکفاز به صورت ۱۰۰ هرتز. این نوسانات می‌تواند با مدارهای دیجیتال و کنترل‌کننده‌های موتور تداخل ایجاد کند. وجود ریپل بیش از ۵٪ ولتاژ نامیع، عمر مؤلفه‌ها را در منابع تغذیه سوئیچینگ به میزان ۲۳٪ کاهش می‌دهد (انجمن الکترونیک قدرت IEEE، ۲۰۲۳)، که این امر فیلتر کردن را برای الکترونیک حساس ضروری می‌سازد.

فیلتر خازنی: نقش و یکپارچه‌سازی برای صاف کردن ولتاژ

خازن‌های صاف کننده ریپل را از طریق چرخه‌های شارژ و دشارژ کاهش می‌دهند:

• در قله‌های موج AC انرژی را ذخیره می‌کنند
• جریان ذخیره‌شده را در نقاط پایین ولتاژ آزاد می‌کنند
• دامنه ریپل را ۶۰ تا ۸۰ درصد کاهش می‌دهند

پس از مرحله یکسوساز قرار می‌گیرند، خازن‌های الکترولیتی به دلیل چگالی بالای ظرفیت (۱ تا ۱۰,۰۰۰ میکروفاراد) غالب هستند. انواع سرامیکی آن‌ها در معماری‌های ترکیبی برای سرکوب نویز فرکانس بالا به کار می‌روند.

محاسبه ظرفیت بهینه برای سرکوب موثر ریپل

از این فرمول برای تعیین حداقل ظرفیت استفاده کنید:

C = I_load / (f_ripple – V_ripple(max))  

جایی که:

• I_load = جریان بارگذاری ماکزیمم (A)
• f_ripple = فرکانس ریپل (100 هرتز برای موج کامل تک‌فاز)
• V_ripple(max) = ولتاژ ریپل پیک تا پیک قابل قبول (V)

برای یک بار 2A با حداکثر ریپل 500 mV در 100 هرتز:
C = 2 / (100 – 0.5) = 40,000 µF

افزایش اندازه خازن به میزان 20 تا 30 درصد، افت جریان ناشی از پیری شدن خازن و تأثیرات دما را جبران می‌کند.

انواع یکسوسازهای پلی و مزایای کارایی آنها

انواع متداول: سیلیکونی استاندارد، اسکاتی، مبتنی بر SCR و یکسوسازهای سنکرون

یکسوکننده‌های پلی امروزه به چهار نوع اصلی تقسیم می‌شوند که بسته به نوع کاربرد و اینکه چه نوع بازدهی مهم‌تر است، متفاوت هستند. مدل‌های استاندارد ساخته‌شده از دیودهای سیلیکونی هنوز هم محبوب هستند، زیرا به‌صورت مقرون‌به‌صرفه‌ای جریان متناوب را به جریان مستقیم تبدیل می‌کنند. در شرایطی که هر ولت اهمیت دارد، نسخه‌های مبتنی بر دیود شاتکی عملکرد بهتری دارند، زیرا افت ولتاژ کمتری در محل اتصال آنها رخ می‌دهد. این نوع معمولاً در مواردی مانند کنترل‌کننده‌های شارژ صفحه خورشیدی دیده می‌شود که تفاوت‌های کوچک بسیار مهم هستند. سپس مدل‌های مبتنی بر SCR وجود دارند که کنترل دقیقی روی موتورهای صنعتی فراهم می‌کنند، هرچند هیچ‌کس دوست ندارد با مدارهای پیچیده‌ی تریگر مورد نیاز برای راه‌اندازی صحیح آنها سر و کار داشته باشد. و در نهایت، طراحی‌های جدید یکسوکننده‌های سنکرون با استفاده از ترانزیستورهای MOSFET همراه با کنترل‌کننده‌های هوشمند ظاهر شده‌اند. این مدل‌ها می‌توانند تلفات هدایت را در مدارهای منبع تغذیه با فرکانس بالا حدود ۴۰ درصد کاهش دهند و اگرچه هزینه اولیه آنها بیشتر است، اما روزبه‌روز جذابیت بیشتری پیدا می‌کنند.

مقایسه عملکرد: کارایی و موارد استفاده مختلف فناوری‌های دیود

مطالعه انجام شده در سال 2023 در مورد بازده یکسوساز نشان‌دهنده معاوضه‌های مشخص بود:

فناوری	محدوده کارایی	مورد استفاده ایده‌آل
دیود سیلیکونی	80–85%	منابع تغذیه خطی
شوتکی	88–92%	مبدل‌های DC/DC ولتاژ پایین
مبتنی بر SCR	75–82%	درایوهای موتور کنترل شده توسط فاز
سنکرون (مولفه MOSFET)	94–97%	منابع تغذیه سرور، شارژرهای خودروهای برقی

رکتیفایرهای شاتکی به دلیل زمان بازیابی سریع (10 نانوثانیه) در ولتاژهای پایین‌تر از 50 ولت غالب هستند، در حالی که انواع SCR در تنظیم صنعتی در محدوده 100 تا 500 آمپر عملکرد بهتری دارند.

کاربردهای با راندمان بالا با استفاده از طراحی‌های موسفت و رکتیفایر سنکرون

جدیدترین فناوری یکسوساز پلی شروع به استفاده از ترانزیستورهای MOSFET نیترید گالیم کرده است که بازده سیستم‌های تغذیه مخابراتی را به حدود ۹۹٪ افزایش داده است. این رقم چشمگیر عمدتاً ناشی از کاهش قابل توجه تلفات سوئیچینگ در فرکانس‌های بالای ۱ مگاهرتز است. در کاربردهای خودرویی، شارژرهای داخلی که از طراحی توپولوژی سنکرون استفاده می‌کنند، تنش حرارتی را در مقایسه با روش‌های قدیمی مبتنی بر دیودها حدود ۳۰٪ کاهش می‌دهند. این موضوع را اخیراً از طریق آزمایش‌های گسترده در سیستم‌های وسیله نقلیه الکتریکی (EV) تأیید کرده‌ایم. در توربین‌های بادی، مهندسان در حال آزمایش راه‌حل‌های ترکیبی هستند که دیودهای کاربید سیلیسیم را با کلیدهای IGBT ترکیب می‌کنند. این ترکیب‌ها در عملکرد یکسوسازی به بازدهی اوج حدود ۲٪ بهتر منجر می‌شوند، در حالی که شرایط سخت‌گیرانه ولتاژ ۳ کیلوولتی و جریان ۱۰۰ آمپری را مدیریت می‌کنند. چنین بهبودهایی در حوزه انرژی‌های تجدیدپذیر اهمیت زیادی دارند، جایی که هر درصد بهره‌وری در عملکرد کلی سیستم تأثیرگذار است.

کاربردها و عملکرد واقعی یکسوسازهای پلی

کاربردهای کلیدی در منابع تغذیه، درایوهای موتور و سیستم‌های صنعتی

یکسوسازهای پلی نقش کلیدی در سیستم‌های الکتریکی امروزی ایفا می‌کنند. این دستگاه‌ها جریان متناوب را گرفته و با بازدهی قابل توجهی به جریان مستقیم تبدیل می‌کنند، به همین دلیل برای منابع تغذیه کامپیوتر بسیار مهم هستند. بدون آن‌ها، این برد‌های مدار نازک با نوسانات ولتاژ ناپایدار مواجه شده و می‌توانند آسیبی از دیسک‌های سخت تا مادربردها را در بر داشته باشند. در محیط‌های صنعتی، تولیدکنندگان از یکسوسازهای پلی برای کنترل سرعت چرخش موتورها و میزان نیروی تولیدی آن‌ها استفاده می‌کنند. ما این اجزا را در کارخانه‌ها نیز در تمام نقاط می‌بینیم که به راه‌اندازی دستگاه‌های جوشکاری و خطوط مونتاژ خودکار می‌پردازند. در مکان‌هایی که قطعی برق اصلاً مجاز نیست، مانند بیمارستان‌ها و مراکز داده، منابع تغذیه بدون وقفه (UPS) به این اجزا وابسته‌اند تا بدون وقفه بین برق اصلی و ژنراتورهای پشتیبان سوئیچ کنند. این انتقال روان باعث می‌شود دستگاه‌های نجات‌بخش به کار خود ادامه دهند و از از دست رفتن داده‌ها در زمان اختلال در شبکه جلوگیری شود.

مزایا نسبت به یکسوسازهای نیم‌موج و تمام‌موج با سیم مرکزی

یکسوسازهای پلی در مقایسه با یکسوسازهای نیم‌موج که به طور اساسی نیمی از سیگنال متناوب را حذف می‌کنند، یا مدل‌های دارای ترانسفورماتور سر وسط که نیاز به ترانسفورماتورهای خاصی دارند، برجسته می‌شوند. با استفاده از یکسوسازهای پلی، ما تبدیل موج کامل را با استفاده از قطعات معمولی که در هر فروشگاه الکترونیکی یافت می‌شوند به دست می‌آوریم. دیگر نیازی به آن سر وسط‌های پیچیده نیست، بنابراین سیستم‌ها ساده‌تر ساخته می‌شوند و برای بیشتر کاربردهای انرژی در شهر حدود ۳۰ درصد ارزان‌تر می‌شوند. مزیت بزرگ دیگر این است که آنها تنش ولتاژ معکوس قله‌ای را در مقایسه با مجموعه‌هایی که فقط دو دیود دارند، تقریباً به نصف کاهش می‌دهند. این بدین معناست که قطعات در نقاط سختی مانند ایستگاه‌های شارژ وسایل نقلیه الکتریکی (EV) که قابلیت اطمینان بسیار مهم است، طول عمر بیشتری دارند.

اندازه‌گیری بازده و قابلیت اطمینان در سناریوهای عملی تبدیل توان

هنگام ارزیابی عملکرد، مهندسان به این موضوع توجه می‌کنند که سیستم چقدر خوب قادر به مهار نوسانات است، که معمولاً در سیستم‌های خوب این مقدار کمتر از ۵٪ است، همچنین پایداری حرارتی را زمانی که سیستم تحت بار قرار می‌گیرد بررسی می‌کنند. برای طراحی‌های مبتنی بر ماسفت که باید بازدهی بالایی داشته باشند، آزمون‌های بانک بار کمک می‌کند تا مشخص شود آیا واقعاً به بازدهی بالای ۹۵٪ دست یافته‌اند یا خیر. تصویربرداری حرارتی نیز نقش مهمی دارد، به‌ویژه هنگام کار با اجزایی که در فرکانس‌های بالا سوئیچ می‌شوند، زیرا این اجزا تمایل به ایجاد نقاط داغ دارند که نیاز به توجه دارند. تجهیزات صنعتی معمولاً قبل از نیاز به تعویض عمر بسیار طولانی دارند و متوسط زمان بین خرابی‌ها اغلب از ۱۰۰ هزار ساعت فراتر می‌رود. این سطح از قابلیت اطمینان توضیح می‌دهد که چرا این واحدها در محیط‌هایی که توقف کار غیرممکن است، مانند زیرساخت‌های مخابراتی یا مزارع خورشیدی که عملکرد مداوم اهمیت بیشتری دارد، به خوبی کار می‌کنند.

سوالات متداول

یکسوساز پلی برای چیست؟

یک یکسوساز پلی برای تبدیل جریان متناوب (AC) به جریان مستقیم (DC) استفاده می‌شود و معمولاً در منابع تغذیه، درایوهای موتور و دستگاه‌های الکترونیکی به کار می‌رود تا تبدیل توانی پایدار و کارآمد فراهم شود.

چرا یکسوساز پلی از یکسوساز نیم‌موج کارآمدتر است؟

یکسوساز پلی از یکسوساز نیم‌موج کارآمدتر است زیرا از هر دو نیمهرخ AC استفاده می‌کند، باعث کاهش ضایعات انرژی و دوبرابر شدن راندمان می‌شود و نیاز به ترانسفورماتورهای دارای سر وسط را حذف می‌کند.

مزایای استفاده از دیودهای شاتکی در یکسوسازهای پلی چیست؟

دیودهای شاتکی در یکسوسازهای پلی افت ولتاژ کمتری دارند که باعث کاهش تلفات توان و بهبود راندمان می‌شوند، به‌ویژه در کاربردهای کم‌ولتاژ که هر وات اهمیت دارد.

فیلتر کردن خازنی در مدارهای یکسوساز پلی چگونه کار می‌کند؟

فیلتر کردن خازنی در مدارهای یکسوساز پلی با ذخیره انرژی در طی قله‌های موج AC و آزاد کردن آن در نقاط پایین ولتاژ، دامنه ریپل را کاهش داده و خروجی DC صافی را تضمین می‌کند.

ترانزیستورهای MOSFET در طراحی‌های جدید یکسوساز پلی چه نقشی دارند؟

ترانزیستورهای MOSFET در طراحی‌های جدید یکسوساز پلی با کاهش تلفات هدایتی و بهبود عملکرد در کاربردهای با فرکانس بالا، باعث افزایش بهره‌وری می‌شوند و در سیستم‌های الکترونیکی کوچک و پربازده مفید هستند.