Aşağıdaki devrenin girişine Vi=40.Sin(wt) V uygulandığına göre Vo-t değişimini çiziniz.
ÖDEV :
Aşağıdaki devrede; a) Vi=15.Sin(wt), VD1=VD2=0.6 V, RD1=RD2=0 Ω ve b) Vi=Tepe-tepe genliği 20 V olan kare dalga, VD1=VD2=0 V, RD1=RD2=20 Ω olduğuna göre Vo-t değişimini çiziniz.
31
6.3 Doğrultucular (Rectifiers)
Bir elektronik devrenin veya elektromekanik bir sistemin işlevini yerine getirebilmesi için doğru gerilim (DC) kaynaklarına ihtiyaç vardır. Küçük güçlü elektronik cihazlar için pil veya batarya bu ihtiyacı karşılayabilir. Öte yandan cihaz için gereken güç arttıkça batarya kullanmak ekonomik olmadığı gibi ancak kısa bir süre için mümkün olabilmektedir (dijital kamera veya dizüstü bilgisayarlarda olduğu gibi). Bu gibi durumlarda gereken DC gerilimin alternatif şebeke geriliminden sağlanması yoluna gidilir. İşte, ortalaması sıfır olan alternatif bir işaretten ortalama değeri olan bir değişim elde etmeye doğrultma, doğrultma işlemini gerçekleştiren devrelere de doğrultucular (redresör) denir. Doğru Akım Güç Kaynaklarının (DC Power Supply) önemli bir kısmını doğrultucular oluşturmaktadır.
Özetle, doğrultucular alternatif akımı, örneğin şehir şebekesini doğru akıma çevirmeye yarar. Kullanım yerleri olarak, elektronik devrelerin DC ihtiyaçlarını karşılamak yada güç kaynaklarının ön devresi olmalarını söyleyebiliriz.
Doğrultucuların üç tipi vardır.
1. Yarım dalga doğrultucu 2. Tam dalga doğrultucu 3. Köprü Doğrultucu
6.3.1 Yarım Dalga (tek yollu) Doğrultucu:
Doğrultucuları açıklamadan önce bir altın kuralı hatırlayalım. Bir diyottan akım geçebilmesi için anodunun katoduna göre pozitif olması gerekmektedir.
Örneğin silisyum bir diyot için;
Anod: 1V, Katot:0V Akım geçer.
Anod: 10V, Katot:9V Akım geçer.
Anod: -5V, Katot:-6V Akım geçer.
Anod: 5V, Katot:6V Akım geçmez.
Şekil 2.24’de bir yarım dalga (tek yollu) doğrultucu görülmektedir. Tek yollu doğrultucu alternatif olarak değişen işaretin sadece bir alternansından yararlanarak doğrultma yapan düzendir.
Devrenin girişinde şehir şebeke gerilimini istenilen değere düşürmek için transformatör kullanılır.
Şekil 2.24. Yarım dalga (tek yollu) doğrultucu
Doğrultucunun a ve b uçları arasına alternatif bir gerilim uygulayalım. Şekil 2.24’de görüldüğü gibi, t1 ve t2 zamanları arasında a ucu b ucuna göre pozitif, t2 ve t3 zamanları arasında a ucu b ucuna göre negatif olur. t1 ve t2 zamanları arasında a ucu pozitif olduğu için diyodun anodu katoduna göre pozitif olur ve diyot üzerinden (dolayısıyla RL üzerinden) akım akar. t2 ve t3
zamanları arasında a ucu b ucuna göre daha negatif olacağı için diyodun da anodu katoduna göre daha negatif olur ve diyot akım geçirmez. Bunun sonucu olarak t2 ve t3 zamanları arasında yük direnci RL üzerinde bir gerilim oluşmaz. Böylece alternatif akımın her pozitif bölgesi geldiğinde yük direnci RL üzerinde Şekil 2.25’de gösterilen biçimde bir gerilim oluşur.
Şekil 2.25. Tek yollu doğrultucu için gerilim dalga biçimleri
Bu işaretin ortalama değeri:
Burada da görüldüğü gibi alternatif işaretten ortalama değeri olan bir gerilim değişimi elde edilmesine karşın bu işaret DC’den çok uzaktır. Yani genliği zamana göre değişiyor yani kısmen AC tanımına uyuyor. Fakat, dikkat edilecek olunursa genliği hep pozitif olarak değişiyor.
Doğrultucu devre bu biçimi ile ölçü aletlerinde değişken işaretin değerini ölçmek amacıyla ya da basit akümülatör şarj devrelerinde kullanılabilir. Doğrultma işlemini tam olarak gerçekleştirmek için devrenin çıkışına, (Şekil 2.26) yük direncine paralel olarak bir kondansatör koyalım.
33
Şekil 2.26. Kondansatörlü tek yollu doğrultucu
Diyottan akım geçtiği zamanlarda yani t1 ve t2 zamanları arasında geçen akım hem RL
yükünü beslediği gibi aynı zamanda C kondansatörünü de doldurur. Diyottan akım geçmeyen t2 ve t3 zamanları arasında kondansatör üzerinde biriken yük yavaş yavaş RL yükü üzerinden boşalır.
Başka bir değişle t2 ve t3 zamanları arasında RL yükünü besleme işini kondansator üstlenir. Bu şekilde devremizin çıkışındaki dalga şekli Şekil 2.27’deki gibi olur.
Şekil 2.27. Kondansatörlü tek yollu doğrultucu dalga şekli
Şekil 2.27’de görüldüğü gibi dalga şekli DC’ye çok yaklaşmış olur. Devredeki kondansatörün değerini arttırarak dalgalanmayı azaltabiliriz. Yani RC >> T olduğunda boşalma sırasındaki değişim yaklaşık olarak doğrusal olacaktır. Bu dalgalanmayı örneğin bir yükselteçte vınlama olarak duyabiliriz. Kondansatörü teorik olarak çok arttırmak mümkündür. Fakat yüksek değerli kondansatörler çok yüksek akımlarla dolacağı için çok yüksek akımlara dayanacak diyotlar gerektirir. Bunun yerine doğrultucu devrelerin çıkışlarında regülatör devreleri kullanılır.
6.3.2 Tam Dalga (iki yollu) Doğrultucu:
Alternatif işaretin iki yarı periyondundan da yararlanılarak yapılan doğrultmaya tam dalga doğrultma denir. Bu işi iki türlü gerçekleştirmek mümkündür. İlkinde çift sekonder sargılı bir trafo kullanma zorunluluğu vardır (Şekil 2.28). İkincide ise dört diyottan (diyot köprüsü) oluşan yapıya ihtiyaç vardır.
Şekil 2.28’de bir tam dalga doğrultucu görülmektedir.
Şekil 2.28. Tam dalga (çift yollu) doğrultucu
Şekil 2.28 dikkatli incelenirse iki adet yarım dalga doğrultucudan oluştuğu rahatlıkla görülmektedir. Yarım dalga doğrultucudan hatırlayacağınız gibi diyotlar girişteki sinyalin her pozitif bölümünde iletime geçmektedir. Yani t1 ve t2 zamanları arasında D1 diyodu, t2 ve t3
zamanları arasında D2 diyodu iletime geçmektedir. Yük direnci üzerindeki dalga şekli Şekil 2.29’da gösteriliyor.
Şekil 2.29. Çift yollu doğrultucu için daha gerçekçi gerilim dalga biçimleri
Yarım dalga doğrultucu için çıkarılan formüle benzer olarak, çift yollu doğrultucu için;
) (
2
m DDC ort
V V V
V
35
Şimdi RL’nin uçlarına bir C kondansatörü bağlanması durumunu inceleyelim:
D1 ve D2 diyotları her iletime geçtiklerinde RL yükünü besledikleri gibi, C kondansatörünü de doldururlar. Diyotlar üzerinden akan akımlar giriş gerilim dalga şeklini izleyecekleri için D1
diyodu girişindeki gerilim t1 zamanından itibaren hızla yükselir, bu yükselme sırasında hem yükü besler hem de C kondansatörünü doldurur. Giriş gerilimi hızla azalmaya başladığında kondansatör yavaş yavaş yük üzerinden boşalmaya başlar. Giriş gerilimi kondansatör üzerindeki gerilimden daha aşağı değere indiği zaman yani D1 diyodunun anodu katoduna göre daha negatif olduğu zaman diyodu artık akım iletmez. Yükü besleme işini kondansatör yüklenir. D1 diyodunun anodundaki gerilim negatif kesime geçtiği zamanda D2 diyodunun anodundaki gerilim de pozitif olarak yükselmeye başlamıştır. D2 diyodunun anodundaki gerilim halen yük üzerinden boşalmaya devam eden kondansatör üzerindeki gerilimden daha pozitif voltaj değerine geldiği zaman D2 diyodu iletime geçer. Hem yükü besleme işini yüklenir hem de kondansatörü yeniden doldurur. Bu işlem ard arda devam ederken, çıkışta da Şekil 2.30’da gösterilen dalga şekli oluşur.
Şekil 2.30. Kondansatörlü tam dalga (çift yollu) doğrultucu dalga şekli
6.3.3 Köprü Doğrultucular
Köprü Doğrultucu aslında Tam Dalga Doğrultucu özelliğinde olup sadece giriş gerilim kaynağı Tam Dalga Doğrultucu gibi ortası sıfırlı olmayıp, tek bir AC kaynak ile beslenmektedir.
Şekil 2.31’de Köprü Doğrultucu görülmektedir.
Şekil 2.31. Köprü doğrultucu
Köprü Diyotlar dört ayrı diyot ile yapılabileceği gibi dört diyotun birleştirilmiş şekli ile de piyasada satılmaktadır.
Şekil 2.31’deki devrenin girişine (e-f uçları arasına) bir alternatif gerilim uygulayalım. t1
zamanından itibaren pozitif yönde yükselmeye başlayan giriş gerilimi, a ucunu pozitif b ucunu da negatif yapacaktır. Bu anda a ucuna bağlı diyotladan D1 diyodunun anodu, D3 diyodunun da katodu pozitif olacaktır. Aynı şekilde b ucuna bağlı diyotlardan D2 diyodunun katodu negatif, D4
diyodunun da anodu negatif olacaktır. Dikkat edilirse D1-D4 diyotlarının katotlarının birleştiği c noktası ile D3-D2 diyotlarının anodlarının birleştiği d noktaları arasına bir yük direnci bağlanmıştır.
(Yük direnci bizim kullandığımız elektronik bir devre olabileceği gibi şekildeki hali ile bir direnç de olabilir.) Anodu pozitif olan D1 diyodu ile katodu negatif olan D2 diyodu üzerinden bir akım akmaya başlar. Akan akım yük direncinin üst ucundan girip alt ucundan çıktığı için yük direncinin
üst ucunu pozitif, alt ucunu da negatif yapacaktır. D1 ve D2 diyotları üzerinden akan akım t1-t2
zamanı boyunca yani a noktasının pozitif, b noktasının negatif olduğu sürece devam edecektir. Bu durum Şekil 2.32’de gösterilmektedir.
Şekil 2.32. Pozitif alternansta devrede akım akışı
t2 zamanında sıfır volt değerine düşen giriş gerilimi hemen negatif yönde yükselmeye başlayacaktır. t2 zamanından itibaren negatif yönde yükselmeye başlayan giriş gerilimi, a ucunu negatif b ucunu da pozitif yapacaktır. Bu anda a ucuna bağlı diyotladan D1 diyodunun anodu, D3 diyodunun da katodu negatif olacaktır. Aynı şekilde b ucuna bağlı diyotlardan D2 diyodunun katodu pozitif, D4 diyodunun da anodu pozitif olacaktır. Anodu pozitif olan D4 diyodu ile katodu negatif olan D3 diyodu üzerinden bir akım akmaya başlar. Akan akım yük direncinin üst ucundan girip alt ucunda çıktığı için yük direncinin üst ucunu pozitif, alt ucunu da negatif yapacaktır. D4 ve D3
diyotları üzerinden akan akım t2-t3 zamanı boyunca yani a noktasının negatif, b noktasının pozitif olduğu sürece devam edecektir. Bu durum Şekil 2.33’de gösterilmektedir.
Şekil 2.33. Negatif alternansta devrede akım akışı
Köprü doğrultucu ile elde edilen dalga şekli Şekil 2.34’de gösteriliyor.
37
Şekil 2.34. Köprü doğrultucu için daha gerçekçi gerilim dalga biçimleri.
Çıkış geriliminin doğru akım (DC) şeklinde olabilmesi için yük direncine paralel bir kondansatör koyarsak çıkış dalga şekli ve devre Şekil 2.35’deki gibi olur.
Şekil 2.35. Kondansatörlü köprü doğrultucu
) 2 (
2
m DDC ort
V V V
V
6.3 Kenetleme (Clamp) devreleri
Kenetleyici bir AC sinyali farklı bir DC seviyesine çıkarıp kenetleyen yani hep orada kalmasını sağlayan devredir.
Şimdi birkaç kenetleme devresi inceleyelim.
Örnek 1:
Şekil 2.36. Kenetleme devresine bir örnek
Şekil 2.36’daki devrenin girişine bir kare dalga sinyali uygulayalım. t1 zamanında C kondansatörü boş olduğu için kısa devre gibi davranacak, bundan dolayı diyodun anodu pozitif, katodu ise negatif olacaktır. Yani t1-t2 zamanları arasında diyot iletime geçip kısa devre olacak, çıkış voltajı da 0 V olacaktır. Bu arada C kondansatörü sanki girişe uygulanan sinyale paralel bağlanacağı için giriş sinyalinin tepe değerine kadar dolacaktır. t2-t3 zamanları arasında devre girişinin a ucu negatif, b ucu pozitif olacaktır. Bu durumda diyot açık devre olacaktır. Şimdi buraya dikkat edelim. Devrenin çıkışa bağlı b ucu pozitif, a ucu negatif, C kondansatörünün a ucuna bağlı yeri bir önceki şarjdan dolayı pozitif, çıkışa bağlı ucu negatif olacak. Yani giriş sinyali ile C kondansatörü üzerindeki şarj seri bağlı bataryalar olarak davranacaktır. Giriş sinyali ile kondansatör üzerindeki voltajlar toplanacak t2-t3 zamanları arasında çıkış voltajı, Vo=(-Vi) + (-VC) olacaktır. C üzerindeki şarj giriş voltajına eşit olacağı için çıkış voltajı da t2-t3 zamanları arasında Vo=2 x (-Vi) olacaktır.
t3-t4 zamanları arasında a ucu tekrar pozitif, b ucu da negatif olacaktır. C kondansatörü üzerindeki gerilim boşalmayacağı (aslında çok az da olsa boşalır, fakat bu çok önemli değildir) için kondansatör ile giriş geriliminin toplamı çıkışta, çıkış voltajı olarak görülecektir. Bu değer, Vo=(Vi) + (-Vc) , Vi=Vc olacağı için çıkış voltajı da 0 volt olacaktır. Görüldüğü gibi, çıkış voltajının değeri girişin iki katı olarak elde edilmektedir.
Örnek 2:
Şekil 2.36’da gösterilen devredeki diyodun yönünü ters çevirerek çıkış gerilimini pozitif yöne kaydırabiliriz. Böyle bir devrenin şekli Şekil 2.37’de gösterilmektedir.
Şekil 2.37. Kenetleme devresine bir örnek
39
Örnek 3:
Kenetleme devreleri ilk bakışta pek bir işe yaramaz gibi görülse de özellikle fazla güç istemeyen fakat yüksek gerilim gerektiren yerlerde, ya da trafo kullanmadan bir AC gerilimin negatif yada pozitif olarak arttırılması istenen yerlerde öncelikli olarak kullanılır. Bir örnek verecek olursak, renkli TV’lerde ekran için 25 kV gibi bir gerilime ihtiyaç vardır. Bu gerilimi eski siyah beyaz TV’lerde olduğu gibi direkt trafo ile elde etmek yerine kenetleme devreleri art arda bağlanır, en sonuna da bir yarım dalga doğrultucu bağlanarak istenilen yüksek gerilim elde edilir. Kenetleme devreleri kullanılarak yapılan bir gerilim çoğaltıcı, Şekil 2.38’de verilmiştir.
Şekil 2.38. Gerilim çoğaltıcı kenetleme devresi