Tính đập mạch của điện áp đầu ra của mạch chỉnh lưu đã đề cập ở phần trước làm cho nó là một nguồn không phù hợp cung cấp cho các mạch điện tử. Một cách đơn giản để hạn chế sự thay đổi điện áp đầu ra là mắc một tụ điện song song với điện trở tải. Đó là tụ điện lọc, nó giảm một cách đáng kể sự thay đổi của điện áp đầu ra của mạch chỉnh lưu.
Hình 3.31 (a) Mạch có bộ lọc tụ điện. (b) dạng sóng đầu vào và đầu ra
Để quan sát mạch chỉnh lưu với một tụ điện lọc hoạt động như thế nào, trước hết xem xét một mạch đơn giản như trong hình 3.31. Cho đầu vào I là điện áp hình sin với giá trị đỉnh là VP, và giả sử điốt là lý tưởng. Khi I là dương, điốt dẫn điện và tụ điện được nạp do đó O = I. Tụ tiếp tục nạp cho đến khi Itới giá trị cực đại của nó Vp. Khi đạt giá trị
cực đại,Igiảm, điốt phân cực ngược và điện áp đầu ra vẫn là giá trị Vp. Thực tế, về mặt lý thuyết mà nói, tụ điện sẽ duy trì nạp điện, điện áp của nó không xác định được, bởi vì tụ điện không phóng điện. Do đó mạch cung cấp một điện áp một chiều bằng điện áp đỉnh của sóng sin đầu vào.
Tiếp theo, ta xét thêm trường hợp điện trở tải R được nối song song với tụ điện C, như trong hình 3.32(a). Giả sử rằng điốt lý tưởng. Như ở phần trước, với một tín hiệu sin đầu vào, tụ điện nạp tới giá trị đỉnh Vp. Sau đó điốt đóng, tụ điện phóng điện qua điện trở tải R. Tụ điện sẽ tiếp tục phóng điện trong gần như toàn bộ chu kỳ, đến khi Ivượt qua điện áp của tụ. Sau đó điốt mở trở lại, nạp điện cho tụ điện tới giá trị đỉnh của I, và lặp lại quá trình như vậy. Chú ý để giữ điện áp đầu ra do sự phóng điện của tụ điện, cần phải chọn giá trị của tụ C để hằng số thời gian CR lớn hơn nhiều khoảng thời gian phóng điện.
Hình 3.32(b) minh họa dạng sóng đầu vào và đầu ra với giả sử rằng CR>>T, ở đây T là chu kỳ của tín hiệu sin đầu vào. Phương trình của dòng tải:
L O/ i R
(3.58)
Và của dòng qua điốt (khi nó mở)
D C L
i i I (3.59)
I L
Cd i
dt
(3.60)
Như minh họa trong hình 3.32 Ta có các nhận xét sau:
1. Điốt dẫn điện trong khoảng ngắn, t , gần với đỉnh của tín hiệu hình sin đầu vào và khiến cho tụ điện nạp điện tích bằng với lượng điện tích khi phóng điện, thời gian phóng điện lớn hơn nhiều thời gian nạp điện. Và tương ứng bằng với khoảng T.
2. Giả sử điốt là lý tưởng, điốt bắt đầu mở tại thời gian t1, tại đó đầu vào S bằng độ giảm theo hàm mũ của đầu ra O. Quá trình mở kết thúc tại thời điểm t2 ngay sau khi lên đến đỉnh t, giá trị chính xác của t2 có thể được xác định bằng cách đặt iD = 0 trong phương trình (3.60).
3. Trong khi điốt đóng, tụ điện C phóng điện qua R, Ogiảm theo hàm mũ với hằng số thời gian CR. Quá trình phóng điện bắt đầu ngay khi vừa qua giá trị đỉnh của I. Tại thời điểm cuối của thời gian phóng điện, gần như trong toàn bộ thời gian T, thì OVPVr, ở đây Vr là điện áp gợn sóng đỉnh – đỉnh. Khi CR>>T, giá trị của Vr là nhỏ.
4. Khi giá trị Vr là nhỏ, O gần như một hằng số và bằng giá trị đỉnh của I. Do đó điện áp đầu ra một chiều xấp xỉ bằng Vp. Tương tự, dòng điện iL cũng gần như hằng số, và thành phần một chiều ILđược tính:
L P
I V
R (3.61)
Khoảng dẫn t
Hình 3.32 Điện áp và dòng điện trong mạch chỉnh lưu đỉnh với CR>>T.
Ta có thể tính giá trị đúng hơn của điện áp đầu ra bằng cách lấy trị trung bình của các giá trị cực của O
1
O P 2 r
V V V (3.62)
Với các nhận xét này, ta biểu diễn Vr và các giá trị trung bình, giá trị đỉnh của dòng điện qua điốt. Trong khoảng điốt đóng, Ocó thể được biểu diễn
/ t CR O V eP
Tại thời điểm cuối của thời gian phóng điện ta có
RC T P r
P V V e
V . /
Do CR>>T, ta có thể sử dụng gần đúng eT CR/ 1 T CR/ để có RC
V T
Vr P. (3.63)
Ta thấy rằng, để giữ giá trị Vr nhỏ, phải chọn tụ điện C sao cho CR>>T. Điện áp gợn sóng Vr trong phương trình (3.63) có thể biểu diễn với tần số f=1/T như sau:
p r
V V
fCR (3.64a)
Sử dụng phương trình (3.61) ta có thể biểu diễn Vr theo cách khác:
r L
V I
fC (3.64b)
Biểu diễn xấp xỉ ở trên tại thời điện tụ điện phóng điện nghĩa là dòng điện không đổi IL = Vp/R. Phép tính gần đúng này hợp lý miễn là Vr Vp.
Giả sử điốt dẫn điện tại gần đỉnh của vI, ta xác định khoảng dẫn t từ phương trình:
os( )
p p r
V c t V V
Ở đây 2 f 2 / T là tần số góc củavI. Do (t) là góc nhỏ, nên có thể sử dụng công thức gần đúng os( ) 1 1( )2
c t 2 t thu được:
2 r/ p
t V V
(3.65) Khi Vr<<Vp, góc dẫn (t) sẽ nhỏ như đã giả sử.
Để tính toán giá trị trung bình của dòng qua điốt trong khi đang mở, iDav, ta thiết lập phương trình nạp điện mà điốt cung cấp cho tụ điện,
supplied Cav
Q i t
Từ phương trình (3.59) iCav = iDav - IL
Điên tích bị mất do phóng điện
Qlost = CVr
sử dụng phương trình (3.65) và (3.64a) ta có:
(1 2 / )
Dav L p r
i I V V (3.66)
Ở đây, Vr<<Vp, dòng trung bình của điốt khi đang mở là lớn hơn nhiều so với dòng tải một chiều. Do điốt dẫn điện trong khoảng rất ngắn và phải bổ xung điện tích đã mất bởi tụ điện trong khoảng thời gian dài phóng điện.
Giá trị đỉnh của dòng điốt, iDmax, có thể tính toán bằng phương trình (3.60) khi điốt bắt đầu dẫn điện, có nghĩa là tại t t1 t( t = 0 tại đỉnh). Giả sử iL gần bằng hằng số ở phương trình (3.61), ta thu được
ax (1 2 2 / )
Dm L p r
i I V V (3.67)
Từ phương trình (3.66) và (3.67), chúng ta thấy với Vr<< Vp, iDmax = 2iDav dạng sóng của iD gần như là hình tam giác vuông(xem hình 3.32c)
Hình 3.33. Dạng sóng trong bộ chỉnh lưu đỉnh toàn sóng
Mạch điện trong hình (3.31a) được biết đến là mạch chỉnh lưu đỉnh nửa sóng. Mạch chỉnh lưu toàn sóng trong hình 3.29(a) và 3.30(a) có thể được chuyển đổi thành các mạch chỉnh lưu đỉnh bằng cách mắc thêm một tụ điện song song với điện trở tải. Trong trường hợp nửa sóng, điện áp một chiều đầu ra sẽ gần bằng giá trị đỉnh của sóng sin đầu vào (Hình 3.33). Tuy nhiên, tần số gợn sóng sẽ gấp đôi ở đầu vào. Điện áp gợn sóng đỉnh – đỉnh có thể suy ra bằng cách sử dụng phương pháp ở trên như nhưng với khoảng thời gian phóng điện T được thay bằng T/2, kết quả là
2
p r
V V
fCR (3.68)
Trong khoảng dẫn của điốt, t, sẽ vẫn được tính bởi phương trình (3.65), dòng trung bình và dòng cực đại của mỗi điốt sẽ được tính:
(1 /2 )
L p r
Dav I V V
i (3.69)
ax L(1 2 p/2 r)
Dm I V V
i (3.70)
So sánh các phương trình tương ứng với trường hợp nửa sóng, với cùng một giá trị Vp, f ,R và Vr (và do đó giống IL), ta cần một tụ điện có điện dung bằng một nửa so với yêu cầu trong mạch chỉnh lưu nửa sóng. Vì vậy, dòng điện trên mỗi điốt trong chỉnh lưu toàn sóng bằng một nửa dòng qua điốt của mạch nửa sóng.
Các phân tích ở trên đều giả sử điốt lý tưởng. Độ chính xác của các kết quả có thể tăng lên bằng cách tính thêm sụt áp trên điốt vào các tính toán. Việc này có thể thực hiện dễ dàng bằng cách thay thế điện áp cực đại Vp bằng tụ điện nạp điện với (Vp – VD) đối với mạch nửa sóng và mạch toàn sóng sử dụng biến áp phân cực ở giữa và (Vp – 2VD) đối với trường hợp chỉnh lưu cầu.
3.6.5 Mạch chỉnh lưu nửa sóng chính xác– Siêu điốt( The Super Diode)
Các mạch chỉnh lưu đã nghiên cứu thường có sụt áp trên một hoặc hai điốt. Do đó các mạch này chỉ làm việc tốt khi tín hiệu được chỉnh lưu lớn hơn nhiều điệp áp rơi trên điốt Trong trường hợp như vậy đặc tính thuận của điốt hoặc giá trị điện áp chính xác của điốt không đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hoạt động của mạch. Điều này thực sự cần trong ứng dụng của các mạch chỉnh lưu để thiết kế bộ nguồn cấp. Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng mà tín hiệu chỉnh lưu là nhỏ (ví dụ 100mV..) không đủ để mở điốt. Tương tự, trong các mạch IA (instrumentation applications) khuếch đại vi sai, cần phải tăng độ chính xác và dự đoán được đặc tính truyền đạt. Với những ứng dụng này, một lớp các mạch được phát triển sử dụng khuếch đại thuật toán (chương 2) kết hợp với đốt để tạo ra bộ
chỉnh lưu chính xác. Trong các phần thảo luận dưới đây, ta nghiên cứu một loại mạch như vậy
Hình 3.34(a) minh họa một mạch chỉnh lưu nửa sóng chính xác bao gồm một điốt đặt ở phần phản hồi âm của một khuếch đại thuật toán, với R là điện trở tải của bộ chỉnh lưu.
Mạch này hoạt động như sau: Nếu Ilà dương, điện áp đầu ra Acủa khuếch đại thuật toán sẽ dương và điốt sẽ dẫn, do đó tạo ra một vòng phản hồi kín giữa đầu ra của khuếch đại thuật toán và đầu vào đảo.
“Siêu điôt”
vA
v0
Hình 3.34: Chỉnh lưu nửa sóng chính xác “siêu điốt” và đặc tính truyền đạt gần tuyến tính
Đường phản hồi âm sẽ gây ra ngắn mạch ảo giữa hai cực đầu vào. Do đó điện áp tại đầu vào đảo, cũng có điện áp đầu ra là O, sẽ bằng điện áp đầu vào không đảo vI
O I I 0
Để mạch khuếch đại thuật toán hoạt động, Ichỉ cần vượt qua một điện áp nhỏ không đáng kể bằng với sụt áp trên điốt chia cho hệ số khuếch đại vòng hở của khuếch đại thuật toán. Nói cách khác, đặc tính truyền đường thẳng O-Igần như đi qua gốc. Điều này làm cho mạch phù hợp với những ứng dụng tín hiệu rất nhỏ.
Xét trường hợp khi Ilà âm. Điện áp đầu ra của mạch khuếch đại thuật toán sẽ âm.
Điốt sẽ phân cực ngược, và không có dòng điện qua điện trở R, Osẽ bằng 0. Do đó, với
I<0, O= 0. Vì trong trường hợp này điốt khóa, khuếch đại thuật toán sẽ hoạt động như trường hợp vòng hở, và đầu ra của nó sẽ ở mức bão hòa âm .
Đặc tuyến truyền đạt của mạch này được minh họa trong hình 3.34(b), gần đồng nhất với đặc tuyến lý tưởng của mạch chỉnh lưu nửa sóng. Đặc điểm không lý tưởng của điốt gần như được che giấu hoàn toàn bằng cách đặt một điốt trong đường phản hồi âm của khuếch đại thuật toán. Sự kết hợp của điốt và khuếch đại thuật toán được khoanh trong ô hình 3.34(a) được coi là “siêu điốt”.