دستگاه نوع مستقیم‌ساز | اصل ساخت و عملکرد

دستگاه نوع مستطیل‌ساز با کمک عناصر مستطیل‌ساز و دستگاه‌های نوع میله مغناطیس دائمی، ولتاژ و جریان متناوب را اندازه‌گیری می‌کند. اما عملکرد اصلی دستگاه‌های نوع مستطیل‌ساز به عنوان ولت‌سنج است. حالا سوالی که در ذهن ما پیش می‌آید این است که چرا در دنیای صنعتی از دستگاه‌های نوع مستطیل‌ساز به طور گسترده‌ای استفاده می‌کنیم در حالی که داریم ولت‌سنج‌های AC مختلفی مانند دستگاه‌های نوع الکترودینامومتری و دستگاه‌های نوع ترموجفتی و غیره؟ پاسخ به این سوال بسیار ساده است و به شرح زیر نوشته شده است.

1. هزینه دستگاه‌های نوع الکترودینامومتری بسیار بالاتر از دستگاه‌های نوع مستطیل‌ساز است. اما دستگاه‌های نوع مستطیل‌ساز به همان اندازه دقیق هستند که دستگاه‌های نوع الکترودینامومتری هستند. بنابراین دستگاه‌های نوع مستطیل‌ساز بر دستگاه‌های نوع الکترودینامومتری ترجیح داده می‌شوند.

2. دستگاه‌های نوع ترموجفتی بیشتر از دستگاه‌های نوع مستطیل‌ساز حساس هستند. اما دستگاه‌های نوع ترموجفتی در فرکانس‌های بسیار بالا بیشتر استفاده می‌شوند.

قبل از بررسی اصول ساخت و عملکرد دستگاه‌های نوع مستطیل‌ساز، لازم است به طور دقیق درباره خصوصیات ولتاژ و جریان عناصر مستطیل‌ساز ایده‌آل و عملی که دیود نامیده می‌شوند صحبت کنیم.
ابتدا خصوصیات ایده‌آل عناصر مستطیل‌ساز را بررسی کنیم. حالا چه چیزی یک عنصر مستطیل‌ساز ایده‌آل است؟ یک عنصر مستطیل‌ساز آن است که اگر جریان مستقیم (DC) به آن وارد شود مقاومت صفر ارائه می‌دهد و اگر جریان معکوس (AC) به آن وارد شود مقاومت نامحدود ارائه می‌دهد.

این ویژگی برای مستطیل‌سازی ولتاژ (مستطیل‌سازی به معنای تبدیل یک کمیت متناوب به کمیت مستقیم یعنی AC به DC) استفاده می‌شود. شکل مدار زیر را در نظر بگیرید.

در شکل مدار داده شده، دیود ایده‌آل به صورت سری با منبع ولتاژ و مقاومت بار متصل شده است. حالا وقتی دیود را جریان مستقیم (DC) می‌دهیم، آن به طور کامل مسیری با مقاومت صفر ارائه می‌دهد. بنابراین مانند مدار کوتاه عمل می‌کند. می‌توانیم دیود را با وصل کردن قطب مثبت باتری به آنود و قطب منفی باتری به کاتد جریان مستقیم (DC) کنیم. خصوصیات جریان مستقیم عناصر مستطیل‌ساز یا دیود در خصوصیات ولتاژ و جریان نمایش داده شده است.

حالا وقتی ولتاژ منفی می‌دهیم یعنی قطب منفی باتری را به آنود دیود و قطب مثبت باتری را به کاتد دیود متصل می‌کنیم. به دلیل جریان معکوس (AC)، آن مقاومت بی‌نهایت الکتریکی ارائه می‌دهد و بنابراین مانند مدار باز عمل می‌کند. خصوصیات کامل ولتاژ و جریان در زیر نمایش داده شده است.

بیایید دوباره همان مدار را در نظر بگیریم اما تفاوت اینجا این است که از عنصر مستطیل‌ساز عملی به جای ایده‌آل استفاده می‌کنیم. عنصر مستطیل‌ساز عملی دارای ولتاژ بلاک‌کننده محدود در جهت مستقیم و ولتاژ بلاک‌کننده بالا در جهت معکوس است. ما همان روش را برای به دست آوردن خصوصیات ولتاژ و جریان عنصر مستطیل‌ساز عملی اعمال می‌کنیم. حالا وقتی عنصر مستطیل‌ساز عملی را جریان مستقیم (DC) می‌دهیم، آن تا زمانی که ولتاژ وارد شده از ولتاژ شکست جریان مستقیم (یا ولتاژ زانو) بیشتر نباشد، رسانایی نمی‌کند. وقتی ولتاژ وارد شده از ولتاژ زانو بیشتر شود، دیود یا عنصر مستطیل‌ساز در حالت رسانایی قرار می‌گیرد. بنابراین مانند مدار کوتاه عمل می‌کند اما به دلیل وجود مقاومت الکتریکی، ولتاژی در اطراف دیود عملی وجود دارد. می‌توانیم عنصر مستطیل‌ساز را با وصل کردن قطب مثبت باتری به آنود و قطب منفی باتری به کاتد جریان مستقیم (DC) کنیم. خصوصیات جریان مستقیم عنصر مستطیل‌ساز عملی یا دیود در خصوصیات ولتاژ و جریان نمایش داده شده است. حالا وقتی ولتاژ منفی می‌دهیم یعنی قطب منفی باتری را به آنود دیود و قطب مثبت باتری را به کاتد عنصر مستطیل‌ساز متصل می‌کنیم. به دلیل جریان معکوس (AC)، آن مقاومت محدودی ارائه می‌دهد و ولتاژ منفی تا زمانی که ولتاژ وارد شده با ولتاژ شکست جریان معکوس برابر شود، و بنابراین مانند مدار باز عمل می‌کند. خصوصیات کامل در زیر نمایش داده شده است

حالا دستگاه‌های نوع مستطیل‌ساز از دو نوع مدار مستطیل‌ساز استفاده می‌کنند:

مدارهای مستطیل‌ساز نیمه‌موج دستگاه‌های نوع مستطیل‌ساز

بیایید مدار مستطیل‌ساز نیمه‌موج زیر را در نظر بگیریم که در آن عنصر مستطیل‌ساز به صورت سری با منبع ولتاژ سینوسی، دستگاه نوع میله مغناطیس دائمی و مقاومت ضرب‌کننده متصل شده است.

وظیفه این مقاومت ضرب‌کننده الکتریکی محدود کردن جریان مصرفی توسط دستگاه نوع میله مغناطیس دائمی است. محدود کردن جریان مصرفی توسط دستگاه نوع میله مغناطیس دائمی بسیار ضروری است زیرا اگر جریان بیش از حد مجاز PMMC شود، دستگاه تخریب می‌شود. حالا عملیات را به دو بخش تقسیم می‌کنیم. در بخش اول، ولتاژ ثابت DC به مدار بالا اعمال می‌شود. در شکل مدار، عنصر مستطیل‌ساز را ایده‌آل فرض می‌کنیم.

بیایید مقاومت ضرب‌کننده را R و مقاومت دستگاه نوع میله مغناطیس دائمی را R1 بنامیم. ولتاژ DC یک انحراف کامل با مقدار I=V/(R+R1) ایجاد می‌کند که V مقدار میانگین مربعی ولتاژ است. حالا بیایید بخش دوم را در نظر بگیریم، در این بخش ولتاژ سینوسی AC به مدار v =Vm × sin(wt) اعمال می‌شود و خروجی موجی به شکل زیر بدست می‌آید. در نیمه‌دوره مثبت، عنصر مستطیل‌ساز رسانایی می‌کند و در نیمه‌دوره منفی، رسانایی نمی‌کند. بنابراین یک پالس ولتاژ در دستگاه میله مغناطیس دائمی ایجاد می‌شود که جریان متناوب ایجاد می‌کند و بنابراین گشتاور متناوب ایجاد می‌شود.

انحراف ایجاد شده متناسب با مقدار میانگین ولتاژ است. بنابراین بیایید مقدار میانگین جریان را محاسبه کنیم، برای محاسبه مقدار میانگین ولتاژ باید عبارت لحظه‌ای ولتاژ را از 0 تا 2 pi انتگرال بگیریم. بنابراین مقدار میانگین ولتاژ به دست آمده 0.45V است. دوباره V مقدار میانگین مربعی جریان است. بنابراین نتیجه می‌گیریم که حساسیت ورودی AC 0.45 برابر حساسیت ورودی DC در مورد مستطیل‌ساز نیمه‌موج است.

مدارهای مستطیل‌ساز تمام‌موج دستگاه‌های نوع مستطیل‌ساز

بیایید یک مدار مستطیل‌ساز تمام‌موج زیر را در نظر بگیریم.

ما در اینجا یک مدار مستطیل‌ساز پلی استفاده کرده‌ایم. دوباره عملیات را به دو بخش تقسیم می‌کنیم. در بخش اول، خروجی را با اعمال ولتاژ DC تحلیل می‌کنیم و در بخش دیگر، ولتاژ AC به مدار اعمال می‌شود. یک مقاومت ضرب‌کننده سری با منبع ولتاژ متصل شده است که همان وظیفه‌ای که در بالا توضیح داده شد دارد. بیایید ابتدا حالتی را در نظر بگیریم که ولتاژ DC به مدار اعمال می‌شود. حالا مقدار جریان انحراف کامل در این حالت دوباره V/(R+R1) است که V مقدار میانگین مربعی ولتاژ اعمال شده، R مقاومت مقاومت ضرب‌کننده و R1 مقاومت الکتریکی دستگاه است. R و R1 در شکل مدار مشخص شده‌اند. حالا بیایید بخش دوم را در نظر بگیریم، در این بخش ولتاژ سینوسی AC به مدار که v = Vmsin(wt) است که Vm مقدار قله ولتاژ اعمال شده است، اعمال می‌شود. اگر مجدداً مقدار جریان انحراف کامل را در این حالت با استفاده از همان روش محاسبه کنیم، یک عبارت جریان کامل به صورت .9V/(R+R1) بدست می‌آید. به یاد داشته باشید که برای به دست آوردن مقدار میانگین ولتاژ باید عبارت لحظه‌ای ولتاژ را از صفر تا pi انتگرال بگیریم. بنابراین با مقایسه با خروجی DC نتیجه می‌گیریم که حساسیت با منبع ولتاژ ورودی AC 0.9 برابر حساسیت در مورد منبع ولتاژ ورودی DC است.

موج خروجی در زیر نمایش داده شده است. حالا می‌خواهیم در مورد عواملی که عملکرد دستگاه‌های نوع مستطیل‌ساز را تحت تأثیر قرار می‌دهند صحبت کنیم:

1. دستگاه‌های نوع مستطیل‌ساز بر اساس مقادیر میانگین مربعی موج‌های سینوسی ولتاژ و جریان کالیبره شده‌اند. مشکل این است که موج ورودی ممکن است یا نمی‌تواند همان عامل شکلی داشته باشد که مقیاس این مترها بر اساس آن کالیبره شده‌اند.

2. می‌تواند خطایی به دلیل مدار مستطیل‌ساز باشد زیرا ما مقاومت مدار پل مستطیل‌ساز را در هر دو حالت شامل نکرده‌ایم. خصوصیات غیرخطی پل ممکن است موج جریان و ولتاژ را تحریف کند.

3. می‌تواند تغییرات دما باشد که مقاومت الکتریکی پل را تغییر می‌دهد. بنابراین برای جبران این نوع خطاهای باید مقاومت ضرب‌کننده با ضریب دمایی بالا استفاده شود.

4. اثر ظرفیت مدار پل مستطیل‌ساز: مدار پل مستطیل‌ساز دارای ظرفیت ناقص است بنابراین به دلیل این مسئله جریان‌های فرکانس بالا را دور می‌زند. بنابراین کاهش در خواندن می‌باشد.

5. حساسیت دستگاه‌های نوع مستطیل‌ساز در حالت ولتاژ ورودی AC پایین است.

مزایای دستگاه‌های نوع مستطیل‌ساز

مزایای زیر برای دستگاه‌های نوع مستطیل‌ساز وجود دارد:

• دقیق بودن دستگاه‌های نوع مستطیل‌ساز در شرایط عملیاتی معمولی حدود 5 درصد است.

• دامنه فرکانس عملیاتی می‌تواند به مقادیر بالا گسترش یابد.

• آنها مقیاس یکنواختی روی متر دارند.

• آنها دارای مقادیر کم جریان و ولتاژ عملیاتی هستند.

اثر بار ولتاژ‌سنج AC مستطیل‌ساز در هر دو حالت (یعنی مستطیل‌ساز نیمه‌موج دیود و مستطیل‌ساز تمام‌موج دیود) نسبت به اثر بار ولتاژ‌سنج‌های DC بیشتر است زیرا حساسیت ولتاژ‌سنج چه در مستطیل‌ساز نیمه‌موج یا مستطیل‌ساز تمام‌موج کمتر از حساسیت ولتاژ‌