مقومات أحادية الطور
المصدر: علي بزي ، قسم الهندسة الكهربائية ، جامعة كونيتيكت ، ستورز ، كونيتيكت
يعتبر مصدر طاقة التيار المستمر بشكل عام جهازا يزود التيار المستمر أو أحاد…
تحذير: خلال هذه التجربة ، لا تلمس أي جزء من الدائرة أثناء التنشيط. ولا يتم تأريض مصدر التيار المتردد إلا كما هو موضح في الشكل 1 و2 عندما يكون مولد الدالة مصدرا. لا تقم بتأريض VARIAC.
1. إعداد مصدر التيار المتردد
في هذه التجربة ، يتم استخدام مصدرين للتيار المتردد. محول متغير (VARIAC) بتردد منخفض يبلغ 60 هرتز ومولد وظيفة بخرج جيبي ذروة 10 فولت وتردد 1 كيلو هرتز.
- قبل البدء ، قم بتوصيل المسبار التفاضلي بقناة نطاق واحدة ، ومسبار منتظم بالقناة الأخرى.
- اضبط الأزرار الموجودة على المجسات على النحو التالي: مسبار تفاضلي عند 20X (أو 1/20) والمسبار العادي عند 10X. لا تنس تشغيل المسبار التفاضلي.
- في قائمة كل قناة على النطاق ، اضبط المسبار على 10X. بالنسبة للمسبار التفاضلي ، اضرب أي قياسات أو نتائج يدويا في اثنين للوصول إلى 20X المطلوب.
- لإعداد مولد الوظيفة ، تأكد من توصيل 50 Ω OUTPUT بكابل BNC إلى التمساح.
- قم بتوصيل مشابك التمساح بمسبار النطاق العادي لمراقبة إخراج مولد الوظيفة.
- اضبط الإخراج ليكون جيبيا عند ذروة 10 فولت وتردد 1 كيلو هرتز مع إزاحة تيار مستمر صفري.
- راقب إخراج مولد الوظيفة واضبط إعداداته لتحقيق شكل موجة الإخراج المطلوب.
- بمجرد ضبط الإشارة، افصل موصل BNC مع الاحتفاظ بمولد الوظائف قيد التشغيل للحفاظ على إعداداته. افصل مسبار النطاق عن إخراج المولد.
- لإعداد VARIAC ، تأكد من أن إخراج VARIAC (يشبه الوعاء العادي) غير متصل بأي كابل.
- احتفظ ب VARIAC OFF وتأكد من ضبط مقبضه على الصفر.
- اضبط مقبض VARIAC ببطء على إخراج 5٪. يجب أن ينتج عن هذا حوالي 10 فولت ذروة الجهد.
مقوم نصف الموجة
2. الحمل المقاوم مع مدخلات عالية التردد
- استخدم مولد الوظائف كمصدر للتيار المتردد ولكن احتفظ به منفصلا عن الدائرة في الوقت الحالي.
- على اللوحة الأولية ، قم ببناء الدائرة الموضحة في الشكل 1. الصمام الثنائي (D ) هو تصنيف 2A01G-T ل 50 فولت و 2 أمبير بينما مقاوم الحمل (R ) هو 51 Ω.
- تأكد من صحة قطبية الصمام الثنائي. اندفاعة على الصمام الثنائي في الكاثود.
- قبل توصيل المسبار التفاضلي بالدائرة ، اربط أطراف المسبار معا واضبط شكل الموجة المقاس على الشاشة لإظهار جهد الإزاحة الصفر.
- قم بتوصيل مسبار الجهد التفاضلي عبر مقاوم الحمل لمراقبة جهد الخرج V out .
- قم بتوصيل مسبار عادي عبر جانب التيار المتردد لمراقبة جهد الدخل V in .
- قم بتوصيل مولد الوظائف بالدائرة.
- اضبط القاعدة الزمنية على النطاق لإظهار Vin و V out لما يصل إلى أربع دورات أساسية من V في. قم بعمل نسخة من أشكال الموجة.
- قم بتكبير منطقة إيقاف تشغيل الصمام الثنائي وقم بعمل نسخة من أشكال الموجة.
- افصل مولد الوظيفة وقم بإزالة المسبار التفاضلي لتعديلات الحمل. احتفظ ببقية الدائرة والتوصيلات كما هي.
الشكل 1: مقوم نصف موجة مع حمل مقاومة
3. الحمل الاستقرائي المقاوم مع مدخلات عالية التردد
- باستخدام نفس الدائرة في الشكل 1، قم بتوصيل محث 4.7 مللي أمبير (L) في series بالحمل المقاوم كما هو موضح في الشكل 2.
- قم بتوصيل مسبار الجهد التفاضلي عبر مقاوم الحمل لمراقبة جهد المقاوم V out الذي له نفس شكل الموجة مثل تيار الحمل RL I out .
- قم بتشغيل إخراج مولد الدالة.
- اضبط القاعدة الزمنية على النطاق لإظهار Vin و Vout لما يصل إلى أربع دورات أساسية من V in. قم بعمل نسخة من أشكال الموجة.
- قم بتكبير منطقة إيقاف تشغيل الصمام الثنائي ولاحظ التأخير في وقت إيقاف التشغيل. قم بعمل نسخة من أشكال الموجة.
- قم بإيقاف تشغيل إخراج مولد الوظائف وافصله عن الدائرة.
- قم بإزالة المحرض L واحتفظ ببقية الدائرة كما هي.
الشكل 2: مقوم نصف موجة مع تحميل RL
4. الحمل المقاوم مع مدخلات التردد المنخفض
- تأكد من أن خرج VARIAC عند 5٪ ومنفصل عن الدائرة. قم بتوصيل المسبار التفاضلي عبر VARIAC ، وقم بتشغيل VARIAC واضبط إخراجه قليلا لتحقيق ذروة 10 فولت.
- التقط شكل الموجة على النطاق لاستخدامه كمراقبة مرجعية لجهد الإدخال.
- قم بإيقاف تشغيل VARIAC ولكن لا تغير إعداد الجهد الخاص به.
- باستخدام نفس الدائرة من الشكل 1 ، أي مع فصل المحرض وكونه المقاوم هو الحمل الوحيد ، قم بتوصيل مخرج VARIAC باستخدام كابل التوصيل والموز.
- قم بتوصيل مسبار الجهد التفاضلي عبر مقاوم الحمل لمراقبة جهد الخرج ، V out .
- قم بتشغيل إخراج VARIAC. ابتعد عن الدائرة وراقب الأشكال الموجية على النطاق. إذا كنت بحاجة إلى تصحيح أخطاء دائرتك ، فقم بتشغيل VARIAC OFF أولا.
- اضبط القاعدة الزمنية على النطاق لإظهار Vout لما يصل إلى أربع دورات أساسية. قم بعمل نسخة من شكل الموجة.
- قم بتكبير منطقة إيقاف تشغيل الصمام الثنائي وقم بعمل نسخة من أشكال الموجة.
- قم بإيقاف تشغيل VARIAC وتفكيك دائرتك. لا تقم بتغيير إعداد جهد VARIAC.
مقوم الموجة الكاملة
5. الحمل المقاوم
- على اللوحة الأولية ، قم ببناء الدائرة الموضحة في الشكل 3.
- تأكد من صحة قطبية الصمام الثنائي. اندفاعة على الصمام الثنائي في الكاثود.
- بمجرد أن تصبح الدائرة جاهزة ، قم بتوصيل مخرج VARIAC كمصدر تيار متردد.
- قم بتوصيل مسبار الجهد التفاضلي عبر مقاوم الحمل لمراقبة جهد الخرج V out .
- قم بتشغيل إخراج VARIAC. ابتعد عن الدائرة وراقب الأشكال الموجية على النطاق. إذا كنت بحاجة إلى تصحيح أخطاء دائرتك ، فقم بتشغيل VARIAC OFF أولا.
- اضبط القاعدة الزمنية على النطاق لإظهار Vout لما يصل إلى أربع دورات أساسية من V في. قم بعمل نسخة من أشكال الموجة.
- قم بقياس قيمة الذروة إلى الذروة ل Vout باستخدام المؤشرات.
- حافظ على توصيلات المسبار كما هي وقم بإيقاف تشغيل VARIAC وتفكيك دائرتك.
- لا تقم بتغيير إعداد جهد VARIAC.
الشكل 3 . مقوم كامل الموجة مع حمل مقاوم.
6. الحمل المقاوم مع مكثف الترشيح
- باستخدام نفس الدائرة في الشكل 3، قم بتوصيل مكثف إلكتروليتي (C) بالتوازي مع الحمل المقاوم كما هو موضح في الشكل 4.
- تأكد من صحة قطبية المكثف مع توصيل الطرف (-) بالجانب السالب من الحمل.
- قم بتشغيل إخراج VARIAC. ابتعد عن الدائرة وراقب الأشكال الموجية على النطاق. قبل تصحيح أخطاء الدائرة ، قم بتشغيل VARIAC OFF.
- اضبط القاعدة الزمنية على النطاق لإظهار Vout لما يصل إلى أربع دورات أساسية من VIN. قم بعمل نسخة من أشكال الموجة.
- قم بقياس قيمة الذروة إلى الذروة ل V out باستخدام المؤشرات وخيار اقتران التيار المتردد لتلك القناة (يزيل اقتران التيار المتردد إزاحة التيار المستمر للإشارة).
- أعد هذا إلى اقتران التيار المستمر بمجرد إجراء القياس.
- قم بإيقاف تشغيل VARIAC.
- قم بتفكيك الدائرة وتنظيف المقعد.
الشكل 4. مقوم كامل الموجة مع الحمل المقاوم والترشيح السعوي
تسجيل الدخول أو للوصول إلى المحتوى الكامل. تعرّف على المزيد حول وصول مؤسستك إلى محتوى JoVE هنا
تستخدم المقومات أحادية الطور لتحويل جهد التيار المتردد والتيار إلى تيار مستمر ، كما هو مطلوب لتشغيل المعدات والأجهزة الإلكترونية الرقمية. الطاقة الرئيسية القياسية التي يتم توفيرها للمنازل والتجارة هي التيار المتردد. ومع ذلك ، تم تصميم معظم الإلكترونيات الرقمية لتعمل على طاقة التيار المستمر. المقومات هي أجهزة يمكن استخدامها لتحويل كهرباء التيار المتردد إلى مصدر تيار مستمر متوافق. يمرر المعدل التيار في اتجاه واحد فقط ، وبالتالي يحول مدخلات التيار المتردد ثنائية القطب إلى إخراج مصحح أحادي القطب. تستخدم دوائر المعدل صمامات ثنائية واحدة أو أكثر لتمرير طاقة التيار المتردد الموجبة أو السالبة فقط ، مما ينتج عنه مصدر نابض ، والذي يتم ترشيحه بعد ذلك لتحقيق جهد وتيار تيار مستمر سلس ومتسق. يقدم هذا الفيديو مفاهيم دوائر المعدل والصمام الثنائي الأساسية ، ويوضح العديد من دوائر المعدل الشائعة ، ويختبر خرج الجهد لدوائر المعدل مع الاختلافات في إدخال الجهد وتكوين التحميل.
المقومات هي أجهزة تستخدم في الدوائر الإلكترونية لتمرير التيار في اتجاه واحد ومنعه في الاتجاه الآخر. تسمح المقومات بمرور التيار فقط عند تجاوز جهد العتبة الأمامي. تحتوي مقومات الصمام الثنائي على طرفين ، الأنود والكاثود ، مع تدفق التيار من الأنود إلى الكاثود ويسد من الكاثود إلى الأنود. تقوم مقومات نصف الموجة أحادية الطور بتمرير الجهد عبر صمام ثنائي واحد. في هذه الدائرة ، ينتقل النصف الموجب فقط من جهد إدخال التيار المتردد إلى الإخراج عبر مقاوم الحمل. إذا تم عكس الصمام الثنائي ، فسيظهر النصف السالب فقط من جهد دخل التيار المتردد عبر المقاوم. يتم حظر الجهد للنصف السالب من دورة التيار المتردد. مع قطبية واحدة فقط ، RMS ، أو الجذر متوسط التربيع ، يتم تقليل جهد الخرج مقارنة بجهد الدخل ثنائي القطب. تمر المقومات ذات الموجة الكاملة بدورتين نصفي جهد دخل التيار المتردد عبر دائرة جسر رباعية الصمام الثنائي ، كما هو موضح. تقليب قطبية النصف السالب وينتج عنه متوسط جهد خرج أعلى عبر مقاوم الحمل. ينتج عن المقومات تيار أحادي الاتجاه ، ولكنه نابض مع تأثير أكثر وضوحا في مقومات نصف الموجة. ومع ذلك ، يتم ترشيح إخراج المعدل عادة عن طريق إضافة محث في سلسلة مع مقاومة الحمل. في مقوم الموجة الكاملة ، يخدم المكثف الذي تم تجميعه بالتوازي مع مقاوم الحمل نفس الغرض. يوضح هذا الفيديو تشغيل مقوم أحادي الطور نصف وكامل الموجة مع أحمال إخراج مختلفة ، وخصائص إيقاف تشغيل الصمام الثنائي ، وتصفية جهد خرج التيار المستمر باستخدام دوائر مختلفة.
لهذا العرض التوضيحي لتشغيل المعدل ، يتم استخدام مصدرين مختلفين للتيار المتردد ، يتم إنتاج مدخلات كيلو هرتز واحدة ، باستخدام مولد وظيفة بإخراج جيبي ذروة 10 فولت. يتم توفير مدخلات 60 هرتز منخفضة التردد بواسطة variac. لا تلمس أي جزء من الدائرة أثناء التنشيط. عند استخدام مصدر مولد الدالة، يتم تأريض الدوائر كما هو موضح. لا تقم بتأريض إمدادات المواري. لإعداد مولد الوظيفة لإخراج التردد العالي ، قم بتوصيل المسبار التفاضلي بقناة راسم الذبذبات الأولى ومسبار 10x للقناة الثانية. اضبط عوامل القياس على 20x على المسبار التفاضلي و 10x على المسبار 10x. في قوائم قناة النطاق، قم بتعيين كلا المجسات إلى 10x. بالنسبة للمسبار التفاضلي ، اضرب القياسات يدويا في اثنين للوصول إلى الإخراج المطلوب 20x. بعد ذلك ، قم بتوصيل BNC بكابل التمساح بإخراج 50 أوم لمولد الوظائف وقم بتوصيل مشابك التمساح بمسبار النطاق 10x. اضبط الإخراج على ذروة 10 فولت وشكل موجة جيبية 1,000 هرتز مع إزاحة تيار مستمر صفر. بمجرد ضبط الإشارة وفقا لذلك ، افصل موصل bnc ومسبار النطاق ، ولكن احتفظ بمولد الوظائف قيد التشغيل للحفاظ على إعداداته. لإعداد variac لإخراج التردد المنخفض ، تأكد من فصل وعاء الإخراج ، وأنه مغلق مع ضبط المقبض على الصفر. بعد ذلك ، اضبط مقبض variac ببطء إلى خمسة بالمائة من الإخراج لتحقيق ذروة 10 فولت.
أولا ، اختبر المعدل نصف الموجة بجهد إدخال عالي التردد وحمل مقاوم. قم ببناء الدائرة كما هو موضح ، باستخدام مقاوم حمل 51 أوم وصمام ثنائي مصنف ل 50 فولت واثنين من الأمبير. يتم تصنيف قطبية الصمام الثنائي برمز شرطة في نهاية الكاثود. قبل توصيل المسبار التفاضلي بالدائرة ، قم بتوصيل أطراف المسبار معا واضبط شكل الموجة على جهد الإزاحة الصفر. بعد ذلك ، قم بتوصيل مسبار الجهد التفاضلي عبر مقاوم الحمل لمراقبة جهد الخرج ومسبار 10x عبر جانب التيار المتردد لمراقبة جهد الإدخال. بعد ذلك ، اضبط القاعدة الزمنية على النطاق لإظهار جهد الإدخال والإخراج لأربع دورات من جهد الإدخال. افصل مولد الوظائف وقم بإزالة المسبار التفاضلي من الدائرة قبل إجراء أي تعديلات. بعد ذلك ، اختبر المعدل نصف الموجة بمدخلات عالية التردد وحمل حثي مقاوم. أعد استخدام الدائرة ، مع إضافة محث في سلسلة مع المقاوم ، كما هو موضح. كما هو موضح سابقا ، قم بتوصيل المجسات بالدائرة وعرض أشكال موجة جهد الإدخال والإخراج. قم بإيقاف تشغيل مولد الوظائف ، وافصل المسبار التفاضلي ، وقم بإزالة المحرض من الدائرة. أخيرا ، اختبر المعدل نصف الموجة بمدخلات التردد المنخفض والحمل المقاوم. قم بتوصيل المسبار التفاضلي عبر الحيز وقم بتشغيله. اضبط variac للحصول على خرج ذروة 10 فولت ، ثم قم بإيقاف تشغيل variac دون تغيير إعداد الجهد الخاص به. قم بتوصيل خرج variac بالدائرة المقاومة ، كما هو موضح. بعد ذلك ، قم بتوصيل مسبار الجهد التفاضلي عبر مقاوم الحمل لمراقبة جهد الإخراج. قم بتشغيل المزالي. لا تلمس الدائرة مع توصيل طاقة variac وتشغيلها. كما هو موضح سابقا ، عرض أشكال موجة جهد الإدخال والإخراج.
أولا ، اختبر مقوم الموجة الكاملة بحمل مقاوم. قم ببناء الدائرة كما هو موضح ، وقم بتوصيل المجسات ومخرج variac بالدائرة. كما هو موضح سابقا ، اعرض أشكال الموجة لجهد الإدخال والإخراج وقم بقياس الفولتية من الذروة إلى الذروة. الاحتفاظ بتوصيلات المسبار ، وإيقاف تشغيل variac وتوصيل مكثف كهربائي بالتوازي مع الحمل المقاوم. ثم راقب جهد الإدخال والإخراج.
يوضح الشكل الأول أربع دورات من جهد إمداد التيار المتردد والإخراج من حمل مقاوم مقترن بمعدل نصف موجة. فقط نصف دورة موجبة لجهد التيار المتردد المدخل تمر عبر مقوم الصمام الثنائي. إذا كان جهد الدخل لدائرة المعدل نصف الموجة جيبيا ، فإن متوسط خرج الجهد لصمام ثنائي واحد بحمل مقاوم هو جهد ذروة الإدخال مقسوما على pi. عند إضافة محث في سلسلة مع مقاوم الحمل ، تتأخر منطقة إيقاف تشغيل الصمام الثنائي. هذا المزيج من المحرض والمقاوم هو مرشح تمرير منخفض. عندما تكون قيمة المحرض كبيرة بما فيه الكفاية ، يتم حظر المكون التذبذبي للإخراج ، تاركا فقط مكون التيار المستمر الثابت. بالنسبة لمقوم الجسر الكامل ، تمر نصف دورات الإدخال الموجبة عبر الدائرة ويتم تصحيح الدورات النصفية السالبة إلى موجبة. تؤدي إضافة مكثف كبير بما فيه الكفاية إلى تصفية معظم تموج الجهد ، وتوفر للحمل جهد تيار مستمر ثابت.
توجد مقومات الصمام الثنائي في معظم مصادر الطاقة وأجهزة الشحن ومحركات التردد المتغير وفي العديد من دوائر الحماية. أولا ، تستخدم محولات طاقة التيار المتردد لتحويل الطاقة للآلات المزودة بالتيار المستمر أو لإعادة شحن بطاريات التيار المستمر الموجودة داخل الأجهزة. يمكن أن يكون المحول بسيطا مثل دائرة تتكون من محول لخفض الجهد من مصدر الجدار 120 فولت ، ومقوم موجة كاملة بجسر رباعي الصمام الثنائي ، ومكثف لتنعيم جهد خرج التيار المستمر. الثايرستور عبارة عن مقومات يتم التحكم فيها بالسيليكون تستخدم بشكل شائع في مخفتات الضوء وأجهزة التحكم في سرعة المحرك ومنظمات الجهد. حسب التصميم ، فإن الثايرستور مخصص للطبقات المتناوبة من أشباه الموصلات من النوع P و N المستخدمة لإنشاء أنود في نهاية النوع P ، وكاثود في نهاية النوع N ، وقفزة بوابة متصلة بطبقة النوع P بجوار الكاثود. فوق عتبة الإغلاق ، تقوم نبضة التيار في البوابة بتحويل الثايرستور من إيقاف التشغيل إلى التشغيل ، مما يسمح بتدفق التيار الأمامي من الأنود إلى الكاثود. هذا يصحح تدفق التيار في اتجاه واحد وينظم طاقة الخرج بآلية تحويل متكاملة.
لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE للمقومات أحادية الطور. يجب أن تفهم الآن كيفية عمل المقومات أحادية الطور ، ودوائر المعدل الشائعة ومخرجاتها ، وبعض تطبيقات المعدل الشائعة. شكرا للمشاهدة.
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: Why do single-phase rectifiers convert AC to DC?
Single-phase rectifiers transform AC supply voltage and current to DC because most digital electronics are designed to run on DC power, while standard mains power supplied to homes and commerce is AC. Rectifiers pass current in only one direction, converting bipolar AC input to unipolar rectified output that can be filtered into smooth, consistent DC voltage and current.
Q2: How does a half-wave rectifier differ from a full-wave rectifier?
A half-wave rectifier uses a single diode to pass only the positive half-cycle of AC input voltage to the output, resulting in reduced RMS output voltage. A full-wave rectifier uses a four-diode bridge circuit to pass both half-cycles of AC input, flipping the polarity of the negative half and yielding a higher average output voltage across the load resistor.
Q3: What role do diodes play in rectifier circuits?
Diodes are the core components of rectifier circuits, with two terminals—anode and cathode—that allow current to flow from anode to cathode while blocking reverse current. Rectifier circuits use one or more diodes to pass only positive or negative AC power, transforming bipolar AC into unipolar output that can be filtered to achieve smooth DC voltage and current.
Q4: How does filtering improve rectifier output?
Rectifiers produce pulsating DC output with voltage ripple. Filtering removes this ripple using inductors or capacitors. In half-wave rectifiers, an inductor in series with the load acts as a low-pass filter. In full-wave rectifiers, a capacitor in parallel with the load smooths the output. A sufficiently large capacitor filters out most voltage ripple, providing consistent DC voltage to the load.
Q5: What happens when you add an inductive load to a half-wave rectifier?
Adding an inductor in series with the load resistor delays the diode turn-off region and creates a low-pass filter effect. When the inductor value is sufficiently large, the oscillatory component of the output is blocked, leaving only the constant DC component. This combination smooths the pulsating output more effectively than a resistive load alone.
Q6: What are common applications of diode rectifiers?
Diode rectifiers are found in most power supplies, chargers, variable frequency drives, and protection circuits. AC power adapters use a transformer to step down voltage, a four-diode bridge full-wave rectifier, and a capacitor to smooth DC output. Thyristors, silicon-controlled rectifiers, are used in light dimmers, motor speed controllers, and voltage regulators for regulated power control.
Q7: How do thyristors differ from standard diode rectifiers?
Thyristors are silicon-controlled rectifiers with alternating P and N type semiconductor layers, including a gate terminal connected to control switching. Above a latching threshold, a current pulse into the gate switches the thyristor from off to on, allowing forward current flow. This design enables rectification in one direction while providing integrated switching and power regulation capabilities.