Khi tính toán thiết kế chỉnh lưu chọn van là yếu tố cẩn kíp đầu tiên bởi vì chọn được van sẽ cho ta biết được thông số của van từ đó ta xây dựng được các đặc tính của van cũng như đặc tính của chỉnh lưu qua việc chọn được van sẽ tạo cơ sở chọn chỉnh lưu loại nào để cho chất lượng tốt nhất. Có rất nhiều loại van để làm van cho chỉnh lưu nhưng trong thực tế thường hay sử dụng nhất là Điôt, Thyristor. Do vậy ta co hai phương án lựa chọn van cho chỉnh lưu đang thiết kế: Điôt, Thyristor
Phương án thư nhất có thể chọn Điôt làm van chỉnh lưu. Ưu điểm của Điốt.
+ Đóng mở van chỉ cần Điện áp hai cựa Anôt và Ktôt dương ( UAK>0), không cần có tín hiệu điều khiển.
+ Không có mạch điều khiển vậy nên sơ đồ không phứ tạp.
+ Tổn thất công suất dưới rạng nhiệt ít hơn trên Thyristor.
+ Cấu tạo đơn giản hơn giá thành hạ.
+ Đặc tính điện áp ra tương đối tốt. Nhược điểm của Điốt.
+ Khi tải thay đối cần mức điện áp khác việc điều chỉnh điện áp ra tải là không thể vì không có cực điều khiển như Thyristor.
Phương án thư hai có thế chọn Thyristor làm van chỉnh lưu. Ưu điểm Thyristor.
+ Điều chỉnh được điện áp nhờ việc thay đổi góc mở (α) theo yêu cầu của tải.
+ Đươc sử dụng nhiều với các mạch chỉnh lưu công suất lớn. Nhược điểm Thyristor.
+ Không thể đóng mở van khi không có tín hiệu điều khiển ngay cả khi UAk>0
+ Có mạch điều khiển riêng nên mạch sẻ cồng kềnh.
+ Tổn hao công suất trong quá trình đóng mở van lớn hơn Điốt.
+ Cấu tạo phức tạp hơn nên giá thành cao hơn.
Theo như xét ta thấy cả hai phương án đều có thể chọn để làm van cho chỉnh lưu nhưng với mục đích sử dụng chỉnh lưu không cần thay đổi điện áp nên chỉ dùng điốt làm van sẻ đáp ứng được yêu cầu, đối với phương án hai nên đưa vào dự phòng khi cần thiết điều chỉnh điện áp khi cần.
3.4.2. Điốt
Điốt có nhiều loại thực hiện nhiệm vụ khác nhau. Điốt bán dẫn là các linh kiện điện tử thụ động và phi tuyến, cho phép dòng điện đi qua nó theo một chiều mà không theo chiều ngược lại, sử dụng các tính chất của các chất bán dẫn.Có nhiều loại điốt bán dẫn, như điốt chỉnh lưu thông thường, điốt Zener, LED. Chúng đều có nguyên lý cấu tạo chung là một khối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại N. Dưới đây là nội dung chi tiết điôt bán dẫn.
Cấu tạo của điốt bán dẫn:
Khi cho chất bán dẫn loại P ghép công nghệ với chất bán dẫn loại N theo tiếp giáp P - N ta được một điốt
Hình43- Cấu tạo điốt.
Nguyên lý hoạt động:
Xét trạng thái bình thường ở nhiệt độ phòng khối bán dẫn loại P chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn N (chứa các điện
tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng chuyễn động khuếch tán sang khối N. Cùng lúc khối P lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối N chuyển sang. Kết quả là khối P tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối N tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống).
Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa. Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó). Sự tích điện âm bên khối P và dương bên khối N hình thành một điện áp gọi là điện áp tiếp xúc (UTX). Điện trường sinh ra bởi điện áp có hướng từ khối n đến khối p nên cản trở chuyển động khuếch tán và như vậy sau một thời gian kể từ lúc ghép 2 khối bán dẫn với nhau thì quá trình chuyển động khuếch tán chấm dứt và tồn tại điện áp tiếp xúc. Lúc này ta nói tiếp xúc P-N ở trạng thái cân bằng. Điện áp tiếp xúc ở trạng thái cân bằng khoảng 0.6V đối với điốt làm bằng bán dẫn Si và khoảng 0.3V đối với điốt làm bằng bán dẫn Ge.
Sơ đồ nguyên lý:
(a). Phân cực thuận điôt ; (b). Phân cực ngược điôt. Hình 243 - Các sơ đồ nguyên lý.
Quá trình phân cực thuận: Nếu ta đặt điện áp ngoài có chiều ngược với ngược với điện áp tiếp xúc lên điốt có cực dương (+) vào bán dẫn loại P và cực âm vào bán dẫn loại N như hình (a).Lúc này hàng rào điện thế bị thu hẹp lại quá trình khuyếch tán các điện tử, lỗ trống không bị cản trở bởi làm suất hiện dòng chảy qua điốt và
tăng dần đến mức UAk = 0,65V ta gọi điôt được phân cực thuận.
Quá trình phân cực ngược: Quá trình này điện áp ngoài cùng chiều với điện áp tiếp xúc như hình (b) hàng rào điện thế được mở rộng trên vùng bán dẫn loại N, tại đây điện trở điốt tăng lên cản trở sự khuyếch tán và dòng điện qua điốt có thể coi như bằng không nếu bỏ qua dòng điện rò qua điốt đây là quá trình phân cực ngược điốt, trong các mạch chỉnh lưu khi bị phân cự ngược hay khoá thì điốt hoàn toàn không dẫn điện nếu như không tính đến dòng rò.
3.4.2.1 Tham số cơ bản và yêu cầu khi sử dụng điốt.
Các tham số là yêu cầu cần thiết để van có thể làm việc tốt nhất mà không bị phát nóng, bị quá dòng hoặc quá áp cho phép và những thông số này tạo cơ sở để ta xét tới các thông số của mạch chỉnh lưu sau đây là hai tham số cơ bản nhất
Dòng điện trung bình chạy qua điốt theo chiều thuận (ID): Trong quá trình làm việc điốt sẻ phát nhiệt làm nóng điốt. Công suất phát nhiệt tỉ lệ với dòng điện chạy qua điốt nên ID là thông số quan trọng để lựu chọn điốt trong thực tế.
Điện áp ngược lớn nhất mà điốt làm việc an toàn(Ungược,max): Lựa chọn theo tham số này để đảm bảo điện áp ngược điốt có thể chịu đựng được mà không bị đấnh thủng.
Ngoài ra còn các tham số như : Tấn số (f), thời gian phục hồi (tph). Khi sử dụng điốt cần phải đap ứng được các yêu cầu sau.
+ Dòng điện thuận không vượt quá giá trị tối đa ghi trên điốt.
+ Dòng điện qua điốt không được vượt quá 1A.
+ Điện áp phân cực ngược không được vượt ngưỡng và giá trị cực đại không được vượt quá 1000V.
3.4.2.2 Đặc tính V - A.
Đặc tính V - A của điốt thể hiện được các tính chất, quá trình hoạt động khi phân cực thuận và phân cực ngược của nó đặc tính này gồm hai phần: Phần đặc tính thuận nằm ở góc phần tư thứ nhất ứng với UAk > 0 và phần đặc tính ngược nắm ở góc phần tư thứ ba ứng với UAk < 0.
Điện áp mở của điốt Ge nhỏ hơn điện áp mở của Điốt Si:s VD0 = 0,3 (Ge) ; VD0 = 0,7 (Si)
Hình455 - Dặc tính V - A thực tế của điốt loại Ge và Si.
Điốt Si có điện áp đánh thủng lơn hơn điốt Ge ( Điốt Si giá trị có thể đạt tới 1000V còn điốt Ge khoảng 400V).
Điồt Si có dải nhiệt độ làm việc lớn hơn điốt Ge ( nhiệt độ cực đại của của Điôt Si là 2000C, của điốt Ge là 1000C).
Dòng ngược của điốt Si nhỏ hơn điốt Ge: Is (Si)<< Is (Ge). Ảnh hưởng của nhiệt độ lên đặc tuyến điốt.
Đối với điốt bán đẫn khi nhiệt đô tăng lên 100C thì dòng điện ngược tăng lên gấp đôi điều này sẻ không tốt cho điốt.
Nhiệt độ tăng cũng làm cho điện áp ngược tăng theo.
Nếu giữ dòng ID thuận không đổi thì điện áp trên điốt sẻ giản khi nhiệt độ tăng ( người ta nói hệ số nhiệt - điện áp là âm) và bắng khoảng:
K mV T U const I D D 0 2 − = = δ δ
Ký hiệu điốt trong các sơ đồ:
Phân loại Điốt: Điốt rất đa rạng có nhiều chủng loại kích cỡ khác nhau nên tuỳ theo chức năng, vật liệu chế tạo, mục đích sử dụng mà có các loại điốt sau:
+ Điốt bán dẫn : Cấu tạo bởi chất bán dẫn Silic hoặc Gecmani có pha thêm một số chất để tăng thêm electron tự do. Loại này dùng chủ yếu để chỉnh lưu dòng điện hoặc trong mạch tách sóng.
+ Điốt Schottky : Ở tần số th ấp, điốt thông thường có thể dễ dàng khóa lại (ngưng dẫn) khi chiều phân cực thay đổi từ thuận sang nghịch, nhưng khi tần số tăng đến một ngưỡng nào đó, sự ngưng dẫn không thể đủ nhanh để ngăn chặn dòng điện suốt một phần của bán kỳ ngược. Điốt Schottky khắc phục được hiện tượng này.
+ Điốt zener: Còn gọi là "điốt đánh thủng" hay "điốt ổn áp": là loại điốt được chế tạo tối ưu để hoạt động tốt trong miền đánh thủng. Khi sử dụng điốt này mắc ngược chiều lại, nếu điện áp tại mạch lớn hơn điện áp định mức của điốt thì điốt sẽ cho dòng điện đi qua đến khi điện áp mạch mắc bằng điện áp định mức của điốt. Đây là cốt lõi của mạch ổn áp.
+ Đi ố t phát quang hay còn gọi là LED (Light Emitting Diode): Là các điốt có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại. Cũng giống như điốt bán dẫn, LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại N. + Điốt quang (photodiode): Là loại nhạy với ánh sáng, có thể biến đổi ánh sáng
vào thành đại lượng điện, thường sử dụng ở các máy ảnh (đo cường độ sáng), sử dụng trong các mạch điều khiển (kết hợp một điốt phát quang và một điốt quang thành một cặp), các modul đầu ra của các PLC...
+ Điốt biến dung (varicap): Có tính chất đặc biệt, đó là khi phận cực nghịch, điốt giống như một tụ điện, loại này được dùng nhiều cho máy thu hình, máy thu sóng FM và nhiều thiết bị truyền thông khác.
+ Điốt ổn định dòng điện: Là loại điốt hoạt động ngược với Điốt Zener. Trong mạch điện điốt này có tác dụng duy trì dòng điện khôngđổi.
+ Điốt step -r ecover y : Ở bán kỳ dương, điốt này dẫn điện như loại điốt Silic thông thường, nhưng sang bán kỳ âm, dòng điện ngược có thể tồn tại một lúc do có lưu trữ điện tích, sau đó dòng điện ngược đột ngột giảm xuống còn 0.
+ Điốt ngược: Là loại điốt có khả năng dẫn điện theo hai chiều, nhưng chiều nghịch tốt hơn chiều thuận.
+ Điốt xuyên hầm : Nếu tăng nồng độ tạp chất của điốt ngược, có thể làm cho hiện tượng đảnh thủng xảy ra ở 0V, hơn nữa, nồng độ tạp chất sẽ làm biến dạng đường cong thuận chiều, điốt đó gọi là điốt xuyên hầm.
Ứng dụng của Điốt.
+ Vì điốt có đặc tính chỉ dẫn điện theo một chiều từ a-nốt đến ca-tốt khi phân cực thuận nên điốt được dùng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều.
+ Ngoài ra điốt có nội trở thay đổi rất lớn, nếu phân cực thuận RD 0 (nối tắt), phân cực nghịch RD (hở mạch), nên điốt được dùng làm các công tắc điện tử, đóng ngắt bằng điều khiển mức điện áp, được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện và điện tử.
+ Điốt quang nay được dùng trong các cảm biến quang ( Photodiode) và đèn chiếu sáng (đèn LED)
+ Khi phân cực ngược thì giống như một tụ điện nên dùng để tách sóng ( Điốt biến dung ) trong các máy thu hình, thu sóng rađio