یکسوسازی: از برق شهری تا جریان مستقیم
چرا برق خانه را نميتوان مستقیم به گوشی زد؟
خیلی از وسایل الکترونیکی مثل لپتاپ، تلفن همراه، تلویزیون یا چراغهای LED برای کار کردن به جریان مستقیم (DC) نیاز دارند؛ یعنی جریانی که جهت آن ثابت است و یکطرفه از قطب مثبت به منفی حرکت میکند. اما برقی که به خانه ما میآید، جریان متناوب (AC) است؛ یعنی دائماً جهت آن عوض میشود و مثل یک موج سینوسی، بالا و پایین میرود . اینجا بود که دانشمندان به فکر ساخت مداری افتادند که بتواند این جریان متناوب را به جریان مستقیم تبدیل کند. به این فرآیند حیاتی، «یکسوسازی» میگویند.
دیود؛ بلیطیوب راهدوطرفه
قلب تپنده یکسوسازی، قطعهای به نام دیود (Diode) است. دیود را میتوان یک شیر یکطرفه برای برق در نظر گرفت. این قطعه جریان را فقط از یک جهت عبور میدهد و در جهت مخالف، مثل یک سد محکم عمل کرده و مانع عبور جریان میشود . با استفاده از دیودها میتوانیم نیمسیکل منفی موج متناوب را حذف کرده و یک خروجی با جهت ثابت (هرچند نوسانی) داشته باشیم.
<!-- بخش سوم: انواع یکسوساز (جدول مقایسه) -->دو روش اصلی برای یکسوسازی
برای یکسوسازی جریان متناوب، دو روش معروف وجود دارد: یکسوسازی نیمموج و یکسوسازی تمامموج. در یکسوسازی تمامموج نیز خود دو روش داریم؛ اما معروفترین و پرکاربردترین آن، مدار پل دیود (Bridge Rectifier) است .
<!-- جدول ریسپانسیو مقایسه یکسوسازها -->| نوع یکسوساز | تعداد دیود | خروجی | فرکانس ضربان |
|---|---|---|---|
| نیمموج | 1 عدد | فقط نیم سیکل مثبت | مثل ورودی (50 هرتز) |
| تمامموج (پل دیود) | 4 عدد | هر دو نیم سیکل مثبت میشوند | دو برابر ورودی (100 هرتز) |
در مدار پل دیود، در هر لحظه دو دیود روشن هستند و دو دیود دیگر خاموش. این کار باعث میشود که نیمسیکل منفی ورودی، برگردانده شده و به عنوان یک نیمسیکل مثبت در خروجی ظاهر شود . به این ترتیب، انرژی بیشتری به بار (مثل گوشی شما) منتقل میشود.
<!-- بخش چهارم: فرمول ساده و ریپل -->از ضربان تا آرامش؛ نقش خازن صافی
حتی در یکسوساز تمامموج، خروجی یک جریان مستقیم کاملاً صاف نیست. بلکه جریانی است که از صفر تا ماکزیمم نوسان میکند. به این نوسانات باقیمانده، ریپل (Ripple) یا تموج میگویند . برای صاف کردن این موجها و نزدیک شدن به جریان مستقیم ایدهآل باتری، از قطعهای به نام خازن (Capacitor) استفاده میشود. خازن مثل یک مخزن کوچک عمل کرده و در زمانهایی که ولتاژ کم میشود، انرژی ذخیرهشده خود را پس میدهد تا ولتاژ تقریباً ثابت بماند .
اگر \( V_{max} \) بیشترین مقدار ولتاژ متناوب ورودی باشد، ولتاژ میانگین خروجی (DC) تقریباً برابر است با :
\( V_{DC} \approx 0.637 \times V_{max} \)
یا اگر بر حسب ولتاژ مؤثر (RMS) حساب کنیم: \( V_{DC} \approx 0.9 \times V_{RMS} \)
داخل شارژر موبایل چه خبر است؟
حالا بیایید نگاهی به داخل یک شارژر معمولی گوشی بیندازیم. وقتی شارژر را به پریز برق میزنید، چهار مرحله اصلی زیر طی میشود تا برق قابل استفاده برای باتری شود:
- کاهش ولتاژ (توسط ترانسفورمر): ابتدا ولتاژ 220 ولت متناوب به ولتاژ کمتر مثلاً 12 ولت متناوب تبدیل میشود .
- یکسوسازی (توسط دیودها): سپس این ولتاژ پایینآمده وارد مدار پل دیود شده و به جریان مستقیم ضرباندار تبدیل میشود .
- صافسازی (توسط خازن): خازنهای بزرگ داخل شارژر، ضربانها را میگیرند و ولتاژ را تا حد زیادی صاف میکنند .
- تثبیت (توسط رگولاتور): در نهایت، یک مدار تثبیتکننده ولتاژ، خروجی را دقیقاً روی 5 ولت ثابت نگه میدارد تا به باتری آسیب نزند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ خیر. خروجی یکسوساز (حتی با خازن) یک جریان مستقیم ناپایدار است که هنوز مقدار ریپل دارد . باتری یک منبع DC تقریباً کامل و بدون ریپل است. برای کاربردهای حساس، باید از تثبیتکنندههای ولتاژ هم استفاده کرد.
پاسخ در این صورت مدار پل دیود خراب شده و عملاً مانند یک یکسوساز نیمموج عمل میکند. ولتاژ خروجی به شدت افت کرده و ریپل آن زیاد میشود و ممکن است به دستگاه آسیب برساند.
پاورقی
[1] جریان متناوب (Alternating Current - AC): جریانی که جهت آن به طور متناوب تغییر میکند.
[2] جریان مستقیم (Direct Current - DC): جریانی که جهت آن ثابت است.
[3] یکسوساز (Rectifier): مداری که جریان متناوب را به مستقیم تبدیل میکند.
[4] دیود (Diode): قطعهای الکترونیکی که جریان را فقط در یک جهت عبور میدهد.
[5] ریپل (Ripple): نوسانات باقیمانده روی ولتاژ مستقیم پس از یکسوسازی .
[6] پل دیود (Diode Bridge): مداری متشکل از چهار دیود برای یکسوسازی تمامموج .
