VẬT LÍ BÁN DẪN Tìm hiểu mạch chỉnh lưu AC/DC VẬT LÍ BÁN DẪN Tìm hiểu mạch chỉnh lưu AC/DC VẬT LÍ BÁN DẪN Tìm hiểu mạch chỉnh lưu AC/DC
CƠSỞLÝTHUYẾT
Khái niệm Diode và nguyên lí hoạt động
Diode bán dẫn, thường được gọi tắt là Diode, là một linh kiện điện tử quan trọng, có khả năng cho phép dòng điện chỉ đi qua một chiều nhất định, trong khi ngăn cản dòng điện chảy ngược lại.
Các loại diode đều có cấu trúc chung gồm một khối bán dẫn loại P kết hợp với một khối bán dẫn loại N Hai đầu của diode được kết nối với hai chân là Anode (khối P) và Kathode (khối N) thông qua tiếp xúc Ohm.
- Diode là linh kiện bán dẫn đầu tiên Khả năng chỉnh lưu của tinh thể được nhà vật lý người Đức Ferdinand Braun phát hiện năm 1874.
Hình 2.1: Cấu tạo của Diode
Hình 2.2: Cấu trúc của Diode chỉnh lưu
- Phân loại Diode: Chúng ta sẽ có một số loại Diode thường thấy trên thị trường như sau:
Cấu tạo là một chuyển tiếp P-N, tiếp xúc mặt Do vậy diode chỉnh lưu có khả năng chịu được dòng tải lớn Ứng dụng trong các mạch chỉnh lưu.
Hình 2.3: Kí hiệu của Diode chỉnh lưu
Chuyển tiếp P-N có cấu tạo cơ bản từ vật liệu chịu nhiệt và tỏa nhiệt tốt, giúp nó chịu được dòng ngược lớn Thiết bị này chủ yếu hoạt động trong vùng phân cực ngược và được ứng dụng rộng rãi trong các mạch ổn áp cũng như tạo điện áp chuẩn.
Hình 2.4: Kí hiệu của Diode Zener
Cấu tạo P-N chuyển tiếp với phân cực ngược cho phép điện dung thay đổi theo điện áp ngược Điều này rất hữu ích trong các mạch tự điều chỉnh tần số cộng hưởng, mạch khuếch đại và biến tần.
Hình 2.5: Kí hiệu của Diode biến dung
• Diode tunnel (Diode xuyên hầm):
Cấu tạo cơ bản của chuyển tiếp P-N với nồng độ tạp chất cao sử dụng hiệu ứng xuyên hầm, tạo ra đặc tính dẫn điện hai chiều cho diode Hiệu ứng này được ứng dụng trong các mạch dao động siêu cao tần.
Hình 2.6: Kí hiệu của Diode tunnel
Cấu tạo cơ bản của tiếp xúc Schottky là sự kết hợp giữa bán dẫn và kim loại, không có sự tích lũy hạt dẫn, dẫn đến tụ điện tương đương nhỏ và khả năng chuyển mạch nhanh Tiếp xúc Schottky được ứng dụng rộng rãi trong các mạch yêu cầu tốc độ chuyển mạch nhanh, như khóa điện tử, mạch lọc sóng và tách sóng.
Hình 2.7: Kí hiệu của Diode Schottky
• Diode phát quang (LED - Light Emitting Diode):
LED phát quang là một Diode có cấu trúc đặc biệt có thể phát ra ánh sáng khi chuyển tiếp P-N được cung cấp một điện trường thích hợp
Hình 2.8: Kí hiệu của Diode phát quang
Diode hoạt động dựa trên nguyên lý dòng điện chảy từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp Để dòng điện có thể đi qua diode từ Anode sang Kathode, cần thiết phải có điện thế ở Anode cao hơn điện thế ở Kathode.
Khi áp dụng điện áp V AK và V ON vào hai đầu của Diode, miền nghèo sẽ thu hẹp và biến mất Lúc này, tại tiếp giáp giữa hai khối, các hạt dẫn có thể đi qua, cho phép Diode dẫn điện từ Anode đến Kathode.
Khi áp dụng điện áp V AK ˙ V ON lên hai đầu của Diode, miền nghèo sẽ mở rộng, dẫn đến việc tiếp giáp giữa hai khối không cho các hạt dẫn đi qua, và do đó Diode sẽ không dẫn điện.
- Có rất nhiều loại Diode nhưng ở đây chúng ta sẽ chỉ đi tìm hiểu về Diode chỉnh lưu và các ứng dụng của chúng trong các mạch điện.
Giới thiệu về mạch chỉnh lưu
- Mạch chỉnh lưu là một mạch điện điện tử chứa các linh kiện điện tử có tác dụng biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều.
Mạch chỉnh lưu là thành phần quan trọng trong các bộ nguồn một chiều và mạch tách sóng tín hiệu vô tuyến của thiết bị vô tuyến Thường thì, mạch chỉnh lưu sử dụng diode bán dẫn để kiểm soát dòng điện, cùng với các đèn chỉnh lưu thủy ngân hoặc các linh kiện khác.
Các loại mạch chỉnh lưu và nguyên lí hoạt động
* Mạch chỉnh lưu bán kỳ.
Mạch chỉnh lưu bán kỳ chỉ cho phép một nửa chu kỳ dương hoặc âm đi qua diode, trong khi nửa còn lại sẽ bị chặn, tùy thuộc vào cách lắp đặt diode Do chỉ có một nửa chu kỳ được chỉnh lưu, hiệu suất truyền công suất của mạch này rất thấp Mạch chỉnh lưu bán kỳ thường được lắp đặt bằng một diode bán dẫn trong các mạch nguồn một pha.
Hình 2.9: Sơ đồ cấu tạo mạch chỉnh lưu bán kỳ
-Cấu tạo:Máy biến áp, Diode chỉnh lưu
Máy biến áp là thiết bị quan trọng trong hệ thống điện, có chức năng tăng hoặc hạ áp theo nhu cầu điện áp đầu ra Ngoài ra, máy biến áp với tỉ số vòng dây 1:1 còn được sử dụng để bảo vệ nguồn điện khi xảy ra sự cố bên tải.
• Diode:Có chức năng biến đổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều.
Nguyên lý hoạt động của mạch điện trong chu kỳ sóng sin ở cuộn thứ cấp cho thấy rằng trong phase dương, điện áp V AK và V ON khiến diode hoạt động ở chế độ ON, cho phép dòng điện chạy qua tải R theo hướng từ trên xuống dưới Biên độ điện áp đầu ra trên tải R được tính bằng V p¡AC – V ON, dựa vào mô hình sụt áp hằng cho diode Tuy nhiên, trong khoảng thời gian ¢t, ở đầu và cuối phase dương, điện áp V AK vẫn duy trì giá trị dương.
V ON nên Diode ở chế độ OFF và hở mạch cho nên ta có dạng sóng trên tải trong khoảng thời gian¢t này là một đoạn thẳng.
Hình 2.10: Sơ đồ mạch khi Diode ở chế độ ON
Trong pha âm của sóng sin, điện áp V AK bằng 0 và diode ở trạng thái OFF, dẫn đến tình trạng hở mạch Khi đó, không có dòng điện chạy qua, làm cho điện áp trên tải bằng 0 Kết quả là dạng sóng hiển thị trên dao động ký sẽ là một đoạn thẳng.
Hình 2.11: Dạng sóng trước và sau khi chỉnh lưu bán kỳ.
• Ưu điểm:Mạch có cấu tạo đơn giản, chỉ dùng một Diode.
Mạch chỉnh lưu bán kỳ có nhược điểm chính là hiệu suất sử dụng biến áp nguồn thấp, do chỉ chỉnh được bán kỳ dương của nguồn AC Dạng sóng DC đầu ra có độ gợn lớn, dẫn đến việc lọc khó khăn và hiệu quả kém Chính vì những hạn chế này, mạch chỉnh lưu bán kỳ ít được ứng dụng trong thực tế.
*Mạch chỉnh lưu toàn kỳ. a) Mạch chỉnh lưu toàn kỳ dùng 2 Diode.
Hình 2.12: Sơ đồ cấu tạo mạch chỉnh lưu toàn kỳ dùng 2 Diode.
-Cấu tạo:Máy biến áp, 2 Diode chỉnh lưu, R t ai
Máy biến áp được sử dụng để điều chỉnh điện áp đầu ra, có khả năng tăng hoặc hạ áp theo nhu cầu Bên cạnh đó, máy biến áp với tỉ số vòng dây 1:1 cũng có thể được áp dụng để bảo vệ nguồn điện khi xảy ra sự cố ở tải Thiết bị này thường có 3 đầu ra, trong đó có N12 và N23.
Diode:Có chức năng biến đổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều.
Nguyên lý hoạt động của mạch điện trong chu kỳ sóng sin được phân tích qua hai bán kỳ Trong bán kỳ dương, điện áp DC trên tải R đạt biên độ V 12 – V ON 1 khi D1ON và D2OFF, dòng điện chạy theo đường màu tím Ngược lại, trong bán kỳ âm, điện áp DC trên tải R có biên độ V 32 – V ON 2 với D1OFF và D2ON, dòng điện chạy theo đường màu xanh lục.
Trong các khoảng thời gian t và 2t, cả hai Diode đều ở chế độ OFF, dẫn đến không có dòng điện qua tải R và điện áp trên tải bằng 0 Do đó, chúng ta quan sát được một đoạn thẳng trong các khoảng thời gian này.
• Ưu điểm:Mạch điện đơn giản, chỉ dùng 2 Diode và dạng sóng ngõ ra có độ gợn nhỏ.
Biến áp nguồn có nhược điểm là cấu tạo phức tạp do yêu cầu hai cuộn dây phải có số vòng dây bằng nhau Ngoài ra, diode phải chịu điện áp ngược cao, và điện áp ra chỉ đạt biên độ nhỏ vì chỉ lấy nửa biên độ từ nguồn AC ở đầu thứ cấp để thực hiện chỉnh lưu.
Hình 2.13: Dạng sóng trước và sau khi chỉnh lưu toàn kỳ dùng 2 Diode b) Mạch chỉnh lưu toàn kỳ dùng 4 Diode (cầu Diode).
Hình 2.14: Sơ đồ cấu tạo mạch chỉnh lưu toàn kỳ dùng 4 Diode.
-Cấu tạo:Máy biến áp, 4 Diode chỉnh lưu, R t ai
Máy biến áp là thiết bị quan trọng trong hệ thống điện, có chức năng tăng hoặc hạ áp theo nhu cầu của điện áp đầu ra Ngoài ra, máy biến áp với tỉ số vòng dây 1:1 còn được sử dụng để bảo vệ nguồn điện khi xảy ra sự cố ở bên tải.
• Diode:Có chức năng biến đổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều.
- Nguyên lí hoạt động:xét trong một chu kỳ của sóng sin ở cuộn thứ cấp Trong bán kỳ
D1,D2 ON 1,2 D3,D4 ON 3,4 độ OFF, có dòng điện chạy từ D1! R ! D2 và biên độ điện áp trên tải R được tính bằng V p¡AC
–2V ON 1/2 (dùng mô hình sụt áp hằng và giả sử V ON 1 ˘ V ON 2 ) Trong bán kỳ âm thì ˙V ON1,2
V D3,D4 và V D1,D2 làm cho D1, D2 ở chế độ OFF còn D3, D4 ở chế độ ON, lúc này trong mạch có dòng chạy từ D3 ! R ! D4 và biên độ điện áp trên tải R được tính bằng
V p¡AC –2V ON 3/4 (dùng mô hình sụt áp hằng và giả sử V ON 3 ˘ V ON 4 ).
Hình 2.15: Dạng sóng trước và sau khi chỉnh lưu toàn kỳ dùng 4 Diode.
Trong khoảng thời gian từ t1 đến t2, cả 4 Diode đều ở chế độ OFF, dẫn đến việc không có dòng điện chạy qua R tải, khiến cho điện áp trên tải R bằng 0 Do đó, dạng sóng được hiển thị trong khoảng thời gian này là một đoạn thẳng, như thể hiện trong Hình 2.15.
Bộ chuyển đổi sử dụng toàn bộ chu kỳ và biên độ điện áp của nguồn AC, mang lại hiệu suất cao Dạng sóng đầu ra có độ gợn sóng nhỏ, đồng thời biên độ điện áp đầu ra lớn hơn so với việc sử dụng chỉ 2 diode.
• Nhược điểm:Mạch phức tạp hơn so với chỉnh lưu toàn kỳ 2 Diode và chỉnh lưu bán kỳ, dùng nhiều Diode
!Thường được sử dụng nhiều trong thực tế
Tụ lọc và ổn áp điện áp ngõ ra
- Sau khi đi qua các Diode chỉnh lưu thì ta đã thu được nguồn điện DC nhưng nguồn
Để giảm độ gợn của điện áp DC không phẳng, có thể gắn thêm các tụ điện song song với R tải, như minh họa trong Hình 2.16.
Hình 2.16: Tải khi có tụ lọc và Diode zener.
- Hình 2.17 với đường màu đỏ là dạng sóng trên tải R khi không có tụ điện, còn đường màu cam là khi đã lắp thêm tụ lọc song song với R.
Hình 2.17: Sóng ngõ ra trước và sau khi lắp tụ trong mạch chỉnh lưu dùng cầu Diode
Trong khoảng thời gian t, Diode ON cho phép tụ C nạp điện liên tục vì áp trên tụ nhỏ hơn áp trên R Khi thời gian t kết thúc, điện áp ngõ vào giảm, dẫn đến áp trên R cũng giảm, khiến tụ bắt đầu xả điện qua tải R Trong quá trình tụ xả, điện áp ngõ vào tăng trở lại, và khi đó điện áp trên tụ nhỏ hơn điện áp ngõ vào, cho phép tụ tiếp tục nạp điện.
!Sau khi lắp thêm tụ lọc thì điện áp ngõ ra đã ổn định hơn và chỉ bị sụt một khoảng rất nhỏ so với khi chưa lắp tụ.
Khi điện áp ngõ ra đã ổn định, Diode Zener có thể được sử dụng để duy trì điện áp ở mức cố định, phục vụ cho các tải mắc song song Cần tính toán giá trị R tải để đảm bảo điện áp trên hai đầu Zener nằm trong khoảng ổn định mà Zener có thể hoạt động hiệu quả.
Ứng dụng của mạch chỉnh lưu AC/DC
Hầu hết các thiết bị điện tử hiện nay sử dụng nguồn điện một chiều (DC), do đó, mạch chỉnh lưu trở thành thành phần thiết yếu trong tất cả các linh kiện điện tử Ứng dụng của mạch chỉnh lưu trong các thiết bị điện tử là rất phổ biến và quan trọng.
- Các mạch chỉnh lưu cũng được ứng dụng trong mạch tách sóng các tín hiệu vô tuyến.
- Dùng làm nguồn một chiều trong các bộ biến tần.
- Dùng làm nguồn điện một chiều cấp điện cho các thiết bị mạ, thiết bị hàn một chiều, cấp nguồn cho động cơ điện một chiều
Hình 2.18: Mạch chỉnh lưu AC/DC.
Sơ đồ khối
Hình 3.1: Sơ đồ khối mạch chỉnh lưu AC/DC.
- Điện áp đầu vào V i nput¡AC :220V r ms –50H z
- Điện áp đầu ra V out put¡DC :12V
-Khối biến áp:Chuyển điện thế cao về điện thế thấp.
-Mạch chỉnh lưu:Đưa điện áp xoay chiều về điện áp một chiều.
-Bộ lọc (tụ):Để làm thẳng điện áp một chiều.
-Bộ ổn áp:Để đưa ra điện áp một chiều cố định
Sơ đồ nguyên lí
Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lí mạch chỉnh lưu 220V AC! 12V DC.
Trữớng ⁄i Hồc BĂch Khoa Tp.Hỗ Ch‰ Minh
- Máy biến áp có chức năng hạ áp từ220V r ms xuống còn12V r ms
- Cầu Diode dùng để chỉnh lưu dòng AC sang DC như đã nêu ở phần trước Ví dụ này ta dùng cầu Diode GBU808 có V max ˘ 800V và I max ˘ 8A
Tụ C1 và C2 có vai trò quan trọng trong việc tích điện và làm phẳng tín hiệu điện áp đầu ra Tụ C1 có thể lựa chọn các giá trị lớn hơn 100µF, trong ví dụ này, chúng ta sử dụng tụ C1 có giá trị 2200µF và điện áp tối đa 25V Tương tự, tụ C2 cũng có thể chọn các giá trị lớn hơn 100nF, trong ví dụ này, tụ C2 được sử dụng với giá trị 330nF và điện áp tối đa 50V.
Điện trở R1 đóng vai trò quan trọng trong việc hạn chế dòng điện cho các mạch phía sau và giảm điện áp xuống mức hoạt động của Diode Zener Thông thường, giá trị của điện trở này nằm trong khoảng từ 5 đến 50 ohm Trong ví dụ này, chúng ta sẽ chọn giá trị cho R1.
- LED có chức năng báo nguồn và điện trở R2 có chức năng hạn dòng qua LED để bảo vệ LED, chọn R2 =330! cho ví dụ này.
- Điện trở R3 có chức năng phụ tải cho tải chính được lắp ngoài V OU T , và chia dòng giúp giảm dòng qua D5 tránh hư hỏng Diode zener D5.
- Diode zener D5 có chức năng ổn áp điện áp ngõ ra VOUT ở mức cố định Ta dùngDiode zener 1N4742A để ổn áp điện áp ngõ ra là 12V.
Mô phỏng bằng phần mềm proteus
- Chọn nguồn VSINE và chỉnh biên độ, tần số nhưHình 3.3 Đo kiểm tra điện áp của nguồn.Tần số 50Hz là tần số lưới điện Việt Nam.
Hình 3.3: Thiết lập nguồn AC trong Proteus
Để điều chỉnh máy biến áp, hãy lấy máy biến áp và thiết lập giá trị theo Hình 3.4 Trong đó, Primara Inductance (PI) đại diện cho cảm kháng của cuộn dây sơ cấp, còn Secondary Inductance (SI) là cảm kháng của cuộn dây thứ cấp.
- Ta có tỉ số: SI ˘ V =336 out V out
BĂo cĂo mổn V“t L‰ BĂn DÔn Hồc ký 202, nôm hồc 2020-2021 Trang 15/20
Trữớng ⁄i Hồc BĂch Khoa Tp.Hỗ Ch‰ Minh
Hình 3.4: Thiết lập máy biến áp và kiểm tra giá trị đầu ra.
- Tiến hành lấy cầu Diode và kiểm tra dạng sóng ngõ ra khi chưa có tụ lọc Quan sátHình 3.5vàHình 3.6
Hình 3.5: Mạch chỉnh lưu cầu khi chưa có tụ lọc
Hình 3.6: Dòng điện qua mạch chỉnh lưu cầu chưa có tụ lọc
Khi quan sát biên độ trên dao động ký, ta nhận thấy rằng V P P¡OU T trước khi lắp thêm tụ có giá trị khoảng 15V Theo lý thuyết, V P P¡OU T được tính bằng công thức 17–2 ⁄V ON Sự gợn nhỏ đã giảm như thể hiện trong Hình 3.8, và sau đó, chúng ta tiến hành lắp thêm các linh kiện còn lại.
BĂo cĂo mổn V“t L‰ BĂn DÔn Hồc ký 202, nôm hồc 2020-2021 Trang 16/20
Trữớng ⁄i Hồc BĂch Khoa Tp.Hỗ Ch‰ Minh
Hình 3.7: Mạch chỉnh lưu cầu hoàn chỉnh
Hình 3.8: Dòng điện qua mạch chỉnh lưu cầu khi hoàn chỉnh
BĂo cĂo mổn V“t L‰ BĂn DÔn Hồc ký 202, nôm hồc 2020-2021 Trang 17/20
Mạch thực tế
Hình 4.1: Mạch chỉnh lưu AC/DC trong thực tế.
Trữớng ⁄i Hồc BĂch Khoa Tp.Hỗ Ch‰ Minh
Hình 4.2: Mạch chỉnh lưu AC/DC trong thực tế.
BĂo cĂo mổn V“t L‰ BĂn DÔn Hồc ký 202, nôm hồc 2020-2021 Trang 19/20
[1] Simon M.Sze,Ming-Kwei Lee - Semiconductor Devices: Physics and Technology, 3rdEdition - National Chiao Tung University _National Xano Device Laboratories[dis-tributor] (2001)
