Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành năng lượng điện một chiều cung cấp cho các phụ tải điện một chiều.
a) Sơ đồ mạch
Hình 3.14. Sơ đồ mạch và giản đồ điện áp của bộ chỉnh lưu nửa chu kỳ b) Hoạt động của mạch
Khi cấp một điện áp xoay chiều U1 vào hai đầu cuộn L1 thì ở hai đầu cuộn L2
xuất hiện một điện áp cảm ứng xoay chiều U2.
+ Xét nửa chu kỳ dương của U2: Giả sử điểm A có điện thế dương, điểm B có điện thế âm; UA > UK , diode thông (phân cực thuận). Vì vậy, dòng điện chạy trong mạch theo chiều A + → D → Rt → B-.
+ Xét nửa chu kỳ âm của U2: Thì điểm A có điện thế âm, điểm B có điện thế dương; UA < UK, diode khóa.
Nhận xét: Điện áp ra chỉ xuất hiện trong nửa chu kỳ dương của U2 vì vậy điện áp ra là điện áp một chiều.
- Đặc điểm: Kết cấu mạch đơn giản; độ gợn sóng lớn, vì vậy để điện áp ra bằng phẳng hơn ra có thể mắc thêm tụ lọc song song với Rt.351.
c) Tính toán giá trị dòng và áp trên tải
Điện áp xoay chiều hiệu dụng trên thứ cấp máy biến áp: 1 1 2
2 U
N U N
44
Trong đó: N1, N2 lần lượt là số vòng dây của dây quấn sơ cấp và thứ cấp máy biến áp.
Nếu dùng mô hình tương đương thực tế của diode thì biên độ điện áp ra trên tải là:
2 0, 7
rp p
U U V
Trong đó: Urp: Là điện áp ra đỉnh; U2p: Là điện áp thứ cấp đỉnh.
Giá trị trung bình của điện áp trên tải là:
/ 2
2( ) 2 2
0 0
1 1
sin 2. sin 0, 45
( / 2)
T
ra p
U U td t U td t U
T
Giá trị trung bình của dòng điện trên tải là:
ra t
t
I U
R
3.3.2. Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ a) Sơ đồ mạch
Hình 3.15. Sơ đồ mạch và giản đồ điện áp của bộ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ b) Hoạt động
Xét nửa chu kỳ dương của U21 (tức nửa chu kỳ âm của U22): Diode D1 thông nên có dòng điện chạy trong mạch theo chiều A → D1 → Rt → 0 V.
Xét nửa chu kỳ âm của U21 (tức nửa chu kỳ dương của U22): Diode D2 thông nên có dòng điện chạy trong mạch theo chiều B → D2 → Rt → 0 V.
45
Nhận xét: Trong cả hai nửa chu kỳ của của điện áp xoay chiều đều có dòng điện qua tải. Sơ đồ mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ sử dụng diode chính là hai sơ đồ chỉnh lưu một nửa chu kỳ mắc song song có tải chung.
Đặc điểm:
- Mạch dùng hai diode;
- Điện áp ngược đặt lên diode lớn;
- Cấu tạo của biến áp dùng cuộn thứ cấp có điểm chung: Công suất bé, điện áp ra bé;
- Độ gợn sóng ít hơn mạc chỉnh lưu nửa chu kỳ. Vì vậy, để điện áp ra bằng phẳng hơn ta có thể mắc thêm tụ lọc song song với Rt.
c) Tính toán giá trị dòng và áp trên tải
Điện áp xoay chiều hiệu dụng trên thứ cấp máy biến áp:
2
2 1
1
U N U
N
Nếu dùng mô hình tương đương thực tế của diode thì biên độ điện áp ra trên tải là:
2 0, 7
rp p
U U V
Giá trị trung bình của điện áp trên tải là:
/2
2( ) 2 2
0 0
2 2
sin 2. sin 0,9
T
ra p
U U td t U td t U
Giá trị trung bình của dòng điện trên tải đối với trường hợp tải thuần trở:
ra t
t
I U
R
Khi đó dòng qua các diode D1 và D2 là: 1 2
2
t
D D
I I I
46 Và dòng cực đại qua diode là: ax
Dm 2 t
I I
Điện áp ngược cực đại đặt vào diode khóa bằng tổng điện áp cực đại trên 2 cuộn thứ cấp của biến áp:
max 2 2 2 3,14
ng ra
U U U
Khi đó cần chọn van D1, D2 có điện áp chược cho phép lớn hơn điện áp ngược cực đại.
Khi trên tải có tụ lọc C, do hiện tượng nạp và phóng của tụ điện C mạch lúc đó làm việc ở chế độ không liên tục như trường hợp với tải điện trở.
Với trường hợp tải điện dung, ta thấy trên hình 3.15b mỗi van chỉ làm việc trong khoảng thời gian nhỏ hơn nửa chu kỳ và thông mạch nạp cho tụ điện. Trong khoảng thời gian còn lại các van đều khóa (do điện áp trên tụ đã nạp lớn hơn giá trị tức thời của điện áp pha tương ứng U22 và U21). Lúc đó tụ C phóng điện và cung cấp điện áp ra trên tải Rt. Điện áp ra trung bình trong trường hợp này bị thay đổi, khi đó:
1, 41 2
Ura U
3.3.3. Mạch chỉnh lưu cầu a) Sơ đồ mạch
Hình 3.16. Sơ đồ mạch và giản đồ điện áp của bộ chỉnh lưu cầu b) Hoạt động
Xét nửa chu kỳ dương của U2: Diode D1 và D3 thông nên có dòng điện chạy trong mạch theo chiều A → D1 → Rt → D3 → B.
47
Xét nửa chu kỳ âm của U2: Diode D2 và D4 thông nên có dòng điện chạy trong mạch theo chiều B → D2 → Rt → D4 → A.
Nhận xét: Trong cả hai nửa chu kỳ của của điện áp xoay chiều đều có dòng điện qua tải.
Đặc điểm:
- Mạch dùng bốn diode;
- Điện áp ngược đặt lên diode nhỏ hơn so với mạch chỉnh lưu dùng hai diode;
- Cấu tạo của biến áp đơn giản hơn.
c) Tính toán giá trị dòng và áp trên tải
Điện áp xoay chiều hiệu dụng trên thứ cấp máy biến áp:
2
2 1
1
U N U
N
Nếu dùng mô hình tương đương thực tế của diode thì biên độ điện áp ra trên tải là:
2 0,7
rp p
U U V
Giá trị trung bình của điện áp trên tải là:
/ 2
2( ) 2 2
0 0
2 2
sin 2. sin 0, 9
T
ra p
U U td t U td t U
Giá trị trung bình của dòng điện trên tải đối với trường hợp tải thuần trở là:
ra t
t
I U
R
Điện áp ngược cực đại đặt vào diode khóa bằng biên độ U2m:
max 2 2
Ung U
48
Khi trên tải có tụ lọc C: Do hiện tượng nạp và phóng của tụ điện C mạch lúc đó làm việc ở chế độ không liên tục như trường hợp với tải điện trở và điện áp ra trên tải là:Ura 1, 41 U2.
3.3.4. Mạch nhân đôi áp
Hình 3.17. Sơ đồ mạch nhân đôi điện áp
Mạch hình 3.17 cho phép nhận được điện áp ra một chiều có giá trị gấp đôi điện áp vào. Ở nửa chu kỳ dương của điện áp vào, diode D1 mở, D2 khóa, tụ C1
được nạp với giá trị điện áp bằng U2m; ở nửa chu kỳ âm của điện áp vào, diode diode D1 khóa, D2 khóa, tụ C2 được nạp với giá trị điện áp bằng U2m. Các tụ C1 và C2 sẽ phóng điện trong nửa chu kỳ tiếp theo sau khi đã được nạp ở nửa chu kỳ trước đó. Do vậy điện áp ra luôn có giá trị là tổng điện áp trên 2 tụ C1 và C2.
ra C1 C2 2m 2
U U U 2U 2 2 U
3.3.5. Các mạch hạn chế biên độ (mạch ghim)
Các mạch hạn chế biên độ được sử dụng để hạn chế biên độ của điện áp ra lớn hơn, nhỏ hơn hoặc nằm giữa hai giá trị nào đó gọi là các mức ngưỡng. Thông thường giá trị của các mức ngưỡng không vượt quá biên độ lớn nhất của điện áp đưa vào hạn chế. Tùy theo các mắc các phần tử hạn chế so với tải và cách lấy điện áp ra mà ta có các mạch hạn chế nối tiếp, song song, mạch hạn chế trên, dưới và hạn chế hai phía.
3.3.5.1. Mạch hạn chế nối tiếp
Mạch hạn chế mắc nối tiếp là mạch có diode hạn chế mắc nối tiếp với mạch tải. Có hai dạng hạn chế là hạn chế biên độ phía trên và hạn chế biên độ phía dưới.
49
a) Mạch hạn chế trên mức E b) Mạch hạn chế dưới mức E
Hình 3.18. Sơ đồ mạch hạn chế nối tiếp
Mạch hạn chế nối tiếp trên mức E
Giải thích hoạt động: Giả thiết tín hiệu vào là hình sin và diode là lý tưởng.
Gọi RDth và RDng là điện trở thuận và điện trở ngược của diode.
Khi UD > 0 → Diode D mở và điện áp ra bằng: Áp dụng nguyên lý xếp chồng trong mạch điện ta tính được:
1
Dth ng
ra v
Dth ng Dth ng
R R
U R U E
R R R R R R
Khi UD < 0 → Diode D khóa và điện áp ra bằng:
2
Dng ng
ra v
Dng ng Dng ng
R R
U R U E
R R R R R R
Vậy nếu thỏa mãn điều kiện RDth + Rng << R << RDng + Rng. Thì ta có:
- Khi Uv ≥ E → UD < 0 → Diode D khóa → Ura = E;
- Khi Uv < E → UD > 0 → Diode D mở → Ura =Uv. Dạng sóng điện áp vào và điện áp ra như hình 3.19.
Hình 3.19. Giản đồ điện áp của mạch hạn chế nối tiếp trên mức E
50
Mạch hạn chế nối tiếp dưới mức E
Giải thích hoạt động: Giả thiết tín hiệu vào là hình sin và diode là lý tưởng.
Gọi RDth và RDng là điện trở thuận và điện trở ngược của diode. Nếu thỏa mãn điều kiện RDth + Rng << R << RDng + Rng. Thì:
- Khi Uv ≥ E → UD > 0 → Diode D mở → Ura = Uv; - Khi Uv < E → UD < 0 → Diode D khóa → Ura = E.
Dạng sóng điện áp vào và điện áp ra như hình 3.20.
Hình 3.20. Giản đồ điện áp của mạch hạn chế nối tiếp dưới mức E 3.3.5.2. Mạch hạn chế song song
Mạch hạn chế mắc song song là mạch có diode hạn chế mắc song song với mạch tải. Có hai dạng hạn chế là hạn chế biên độ phía trên và hạn chế biên độ phía dưới.
a) Mạch hạn chế trên mức E b) Mạch hạn chế dưới mức E
Hình 3.21. Sơ đồ mạch hạn chế nối tiếp
51
Với mạch hình a - mạch hạn chế song song trên mức E:
- Khi Uv ≥ E → UD > 0 → Diode D mở → Ura = E;
- Khi Uv < E → UD < 0 → Diode D khóa → Ura = Uv.
Với mạch hình b - mạch hạn chế song song dưới mức E
- Khi Uv ≥ E → UD < 0 → Diode D khóa → Ura = Uv; - Khi Uv < E → UD > 0 → Diode D mở → Ura = E.
3.3.6. Ổn định điện áp bằng diode Zener (diode ổn áp)
Diode ổn áp làm việc dựa trên hiệu ứng đánh thủng Zener và đánh thủng thác lũ của tiếp giáp P-N khi phân cực ngược, bị đánh thủng nhưng không hỏng.
Diode ổn áp dùng để ổn định điện áp đặt vào phụ tải.
Kí hiệu, đặc tuyến V-A, sơ đồ ổn áp đơn giản dùng diode Zener như hình 3.22.
Hình 3.22. Kí hiệu, đặc tuyến V-A và sơ đồ ứng dụng diode Zener
- Nhánh thuận đặc tuyến V-A của diode này giống như diode chỉnh lưu thông thường như nhánh ngược có phần khác: Lúc đầu khi điện áp ngược còn nhỏ thì Ingược có trị số nhỏ giống diode thông thường.
+ Khi điện áp ngược đạt tới giá trị điện áp ngược đánh thủng thì dòng điện ngược qua diode tăng lên đột ngột còn điện áp ngược trên diode được giữa hầu như không đổi. Đoạn đặc tuyến gần như song song với trục dòng điện (đoạn A-B). Đoạn (A-B) được giới hạn bới (Iôdmin, Iôdmax) là đoạn làm việc của diode ổn áp.
52
+ Để đảm bảo cho hiện tượng đánh thủng về điện không kép theo đánh thủng về nhiệt là cho diode bị hỏng, khi chế tạo người ta đã tính toán để tiếp giáp P-N chịu được dòng điện ngược. Mặt khác, trong mạch điện còn đặt điện trở hạn chế để hạn chế không cho dòng điện ngược qua diode vượt quá dòng điện ngược cho phép.
+ Khi dòng điện đi qua diode nhỏ hơn giá trị Iôdmin thì diode làm việc ở đoạn OA nên không có tác dụng ổn định điện áp.
+ Khi dòng điện qua diode lớn hơn giá trị Iôdmax thì công suất tỏa ra trên diode vượt quá công suất cho phép có thể làm cho diode bị phá hỏng vì nhiệt.
- Trong mạch ổn áp diode ổn áp mắc song song với phụ tải.
- Nếu uv thay đổi, Rt không đổi, trên đặc tuyến V-A khi uv thay đổi một lượng Δuv khá lớn nhưng ura thay đổi một lượng Δura rất nhỏ, mọi sự thay đổi của uv đều hạ trên Rhc, đảm bảo điện áp ra tải không thay đổi.
- Nếu uv không đổi, Rt không đổi. Lúc đó nội trở của diode thay đổi dẫn tới sự hân bố lại dòng điện qua diode và qua tải đảm bảo cho điện áp ra tải là không đổi.
53
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 3
1. Khái niệm về chất bán dẫn. Trình bày về chất bán dẫn tạp loại n và chất bán dẫn tạp loại p.
2. Trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc tuyến V-A của diode bán dẫn.
3. Tại sao nói diode bán dẫn có tính chất chỉnh lưu? Cho ví dụ minh họa.
4. Nêu chức năng, nhiệm vụ của các phần tử trong sơ đồ sau và qua đó hãy chứng minh diode bán dẫn có tính chất chỉnh lưu.
5. Trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc tuyến V-A của diode ổn áp.
6. Nêu những điểm giống và khác nhau cơ bản giữa diode bán dẫn và diode ổn áp (diode Zener).
BÀI 3.1. Cho mạch điện như hình BT3.1.
1. Nêu chức năng của mạch.
2. Cho điện áp vào là tín hiệu xung vuông có Uvàom = 10 V; điện áp rơi trên diode UD = 0,7 V. Vẽ dạng điện áp vào và điện áp ra trên đồ thị thẳng hàng.
Uvào D Ura
R
. Hình BT3.1
BÀI 3.2. Cho mạch điện như hình BT3.2.
1. Nêu chức năng của mạch.
2. Vẽ cực tính trên hai bản của tụ C1; C2.
54 3. Tính điện áp Ura khi Uvàom = 12 VAC.
D2
Uvào Ura
C1
D1 C2
Hình BT3.2 BÀI 3.3. Cho mạch điện như hình BT3.3.
Biết hệ số biến áp Ku = 10:1; uv oà 220 2Sin 100 t V
1. Nêu chức năng của mạch.
2. Vẽ dạng điện áp vào, và điện áp ra trên đồ thị thẳng hàng.
3. Tính điện áp Ura khi không có tụ và khi có tụ.
Uvào
10:1 D1
D2
C Rt
I
Ura
Hình BT3.3
BÀI 3.4. Cho mạch điện như hình vẽ. Biết uv oà 220 2Sin 100 t V ; hệ số biến áp Ku = 11:1.
11:1
Ura
Uvào
C Rt
D2
D3
D4
D1
Hình BT3.4 1. Nêu chức năng của mạch.
2. Vẽ dạng điện áp vào, và điện áp ra trên đồ thị thẳng hàng.
3. Tính điện áp Ura khi không có tụ và khi có tụ.
55 BÀI 3.5.
Cho mạch điện như hình BT3.5. Tín hiệu vào là điện áp hình sin, biên độ 9V;
E = -1,5 V.
1. Nêu chức năng của mạch.
2. Vẽ dạng điện áp vào, ra trên đồ thị thẳng hàng.
Uvào Ur
R E
Rt
D
Hình BT3.5 BÀI 3.6. Cho mạch điện như hình BT3.6.
Biết tín hiệu vào là điện áp hình sin, biên độ 10 V; E = -3,5 V.
1. Nêu chức năng của mạch.
2. Vẽ giản đồ điện áp.
Ura
Uvào
R D E
Rt
Hình BT3.6 BÀI 3.7. Cho mạch điện như hình BT3.7.
10:1
Ura
U1
C DZ
U2
R
Hình BT3.7