נספח מעגלי יישור וסינון

1 הקדמה

התקנים חשמליים רבים זקוקים למתח קבוע לשם הפעלתם, למשל רדיו טרנזיסטור או תהליך אלקטרוליזה. מקור מתח קבוע נקרא גם מקור מתח ישר והוא מספק מתח קבוע בין הדקיו. סוללות ומצברים הינם מקורות מקובלים למתח ישר, אולם משך חייהם הקצר ומחירם הגבוה מגבילים את השימוש בהם. ניתן לקבל מקור מתח ישר על ידי המרת מתח חילופין המסופק, למשל, על ידי הרשת; המכשיר שעושה זאת נקרא ספק למתח ישר.

1. התהליך הראשון המתבצע בספק הינו הפיכת מתח חילופין, המחליף את קוטביותו באופן מחזורי למתח בעל קוטביות קבועה ובעל גודל שאינו קבוע. תהליך זה נקרא יישור.
2. הפעולה הבאה המתבצעת בספק הינה סינון המתח המיושר, אחריו מתקבל מתח כמעט קבוע.
3. בספקים משוכללים מתבצעת גם פעולה שלישית שנקראת ייצוב ומטרתה ייצוב גודל המתח.

ההתקן החשמלי המבצע את פעולת היישור הינו דיודת צומת. עקב השימוש בדיודת צומת במעגלי יישור היא נקראת גם מיישר (rectifier). בניסוי זה ייבדקו אופיין זרם מתח של הדיודת צומת, שני מעגלי יישור ומעגל סינון אחד.

2 דיודת צומת

קובץ:DiodeCharacteristics.svg

איור 1: סכמה של דיודה ואופייני דיודה אידיאלית ואמיתית

הדיודת צומת היא התקן בעל שני הדקים העשוי מחומר מוליך למחצה (גרמניום או סיליקון). הדיודה היא התקן לא ליניארי שתכונתה העיקרית מתבטאת בהולכת זרם טובה בכוון אחד והתנגדות גבוהה לזרימה בכוון ההפוך. אופיין זרם מתח של דיודה נראה באיור 1.

• כאשר מתח הדיודה חיובי אומרים שהדיודה נמצאת בממתח קדמי ואז זרם הדיודה תלוי באופן אקספוננציאלי בממתחה.
• כאשר מתח הדיודה שלילי, היא בממתח אחורי, זרם הדיודה קטן מאד וכמעט שאינו תלוי במתח הדיודה.

דיודה אידיאלית:

• מהווה קצר לזרם בכוון החיובי.
• ונתק כאשר המתח שלילי.

דיודה אמיתית מאופיינת על ידי שני פרמטרים עיקרים:

1. הזרם המירבי שמותר להזרים דרכה בממתח חיובי.
2. המתח המירבי שהיא יכולה לשאת בממתח אחורי.

3 פרמטרים המאפיינים מעגלי יישור

כדי לאפיין ספקי מתח ישר ולאפשר השוואה בין הביצועים של ספקים שונים נוהגים להתייחס לפרמטרים הבאים:

פרמטרים המאפיינים מעגלי יישור

פרמטר	תיאור
VDC=VAVG=VAV	הערך הממוצע של המתח על פני העומס, ערך זה נמדד ישירות ברמ"ס.
VDC,RMS	הערך היעיל (האפקטיבי) של המתח על פני העומס, כולל המרכיב של המתח הממוצע, ערך זה הוא שילוב של שני ערכים שונים הנמדדים ברמ"ס, אך המשקף תנודות יכול למדוד אותו ישירות.
Vr	ההפרש בין המתח הריגעי למתח הממוצע על פני העומס: Vr=VL(t)-VDC
VAC=VAC,RMS=Vr,RMS	הערך היעיל (האפקטיבי) של המתח על פני העומס, ללא מרכיב המתח הממוצע (באמצעות חיבור קבל צימוד בטור למעגל אשר מסנן את המתח הממוצע), ערך זה נמדד ישירות ברמ"ס.
FF	מקדם צורת הגל: היחס בין המתח האפקטיבי בעומס לבין המתח הממוצע עליו.
RF	מקדם הגליות: היחס בין הערך האפקטיבי של Vr לבין המתח הממוצע.

3.1 מקדם צורת הגל

מקדם צורת הגל של פונקציה מחזורית V(t), נקרא בלועזית Form Factor, מסומן באותיות FF, ומוגדר כלהלן:

משוואה 1: [math]FF=\frac{V_{DC,RMS}}{V_{DC}}=\frac{I_{DC,RMS}}{I_{DC}}[/math]

כאשר I_RMS ו-I_DC מציינים את הזרם-היעיל והזרם הממוצע בעומס בהתאמה, וכן:

[math]I_{DC,RMS}=\sqrt{I_{DC}^2+I_{AC}^2}[/math]

[math]V_{DC,RMS}=\sqrt{V_{DC}^2+V_{AC}^2}[/math]

מתח ישר יהיה בעל FF=1, ובכל מקרה אחר FF>1.

3.2 מקדם הגליות

מקדם הגליות של פונקציה מחזורית V(t), נקרא בלועזית Ripple Factor, מסומן באותיות RF, ומוגדר כלהלן:

משוואה 2: [math]RF=\frac{V_{AC}}{V_{DC}}=\frac{\sqrt{V_{AC}^2}}{V_{DC}}=\frac{\sqrt{V_{DC,RMS}^2-V_{DC}^2}}{V_{DC}}=\sqrt{\frac{V_{DC,RMS}^2-V_{DC}^2}{V_{DC}^2}}=\sqrt{\frac{V_{DC,RMS}^2}{V_{DC}^2}-\frac{V_{DC}^2}{V_{DC}^2}}=\sqrt{\left(\frac{V_{DC,RMS}}{V_{DC}}\right)^2-1}=\sqrt{FF^2-1}[/math]

מקדם הגליות מהווה מדד לטיב היישור. ככל שהיישור והסינון טובים יותר הגליות קטנה יותר.

במתח ישר מקדם הגליות הינו RF=0, כיוון שהמתח-היעיל והמתח הממוצע שווים: V_DC=V_AC, ככל שהיישור והסינון טובים יותר - הגליות קטנה יותר.

מקדם הגליות של אות סינוסי שלא עבר כל יישור הינו RF=∞

3.3 פרמטרים נוספים

פרמטרים נוספים המאפיינים ספק למתח ישר:

• הזרם המירבי שניתן לקבל מהספק.
• אופיין העמסת הספק: התלות בין מתח המוצא של הספק לבין הזרם שהעומס צורך מהספק.
• נצילות: היחס שבין ההספק הנימסר לעומס, לבין ההספק שמספק המקור הסינוסי המזין את הספק.