1. Diode chỉnh lưu
1.3. Câc thông số cơ bản của diode chỉnh lưu
Người sử dụng phải biết hai thông số cơ bản của Diode chỉnh lưu: Dòng thuận tối đa vă điện âp nghịch tối đa, do nhă sản xuất cho biết ở datasheet.
Muốn có dịng điện qua diode thì điện trường do UAK sinh ra phải mạnh hơn điện trường tiếp xúc UAK > UTX. Khi đó một phần của điện âp UAK dùng để cđn bằng với điện âp tiếp xúc (khoảng 0.7 V cho Diode Si vă 0,3 V cho Diode Ge), phần còn lại dùng để tạo dòng điện thuận qua diode.
Khi UAK > 0, ta nói diode phđn cực thuận vă dịng điện qua diode lúc đó gọi lă dịng điện thuận được ký hiệu lă IF (I Forward) hoặc ID (I Diode). Dịng điện thuận có chiều từ anode sang cathode.
Khi UAK đê đủ cđn bằng với điện âp tiếp xúc thì diode trở nín dẫn điện rất tốt, tức lă điện trở của diode lúc đó rất thấp (khoảng văi chục Ω). Do vậy phần điện âp để tạo ra dòng điện thuận thường nhỏ hơn nhiều so với phần điện âp dùng để cđn bằng với UTX. Thông thường phần điện âp dùng để cđn bằng với UTX cần khoảng 0.6V vă phần điện âp tạo dòng thuận khoảng 0,1V đến 0,5V tùy theo dòng thuận văi chục mA hay lớn đến văi ampere. Như vậy giâ trị của UAK đủ để có dịng qua diode khoảng 0.6V đến 1.1V. Ngưỡng 0.6V lă ngưỡng diode bắt đầu dẫn vă khi UAK = 0.7V thì dịng qua Diode khoảng văi chục mA. Điện âp ngưỡng phụ thuộc văo chất bân dẫn
Nếu Diode còn tốt thì nó khơng dẫn điện theo chiều ngược từ cathode sang anode. Thực tế lă vẫn tồn tại dòng ngược nhưng rất nhỏ (cỡ nA cho loại Si hoặc μA cho loại Ge), ta không cần quan tđm trong câc ứng dụng công nghiệp. Mọi diode chỉnh lưu đều không dẫn điện theo chiều ngược, nhưng nếu điện âp ngược quâ lớn, lớn hơn điện âp đânh thủng VBR (Breakdown Voltage Voltage), dòng điện qua diode tăng nhanh vă đânh thủng diode.
Khi sử dụng diode ta cần tuđn thủ hai điều kiện sau đđy:
*Dòng điện thuận qua diode không được lớn hơn giâ trị tối đa cho phĩp. *Điện âp phđn cực nghịch (tức UKA) không được lớn hơn ngưỡng đânh thủng UBR của diode.
Câc tham số trín do nhă sản xuất cung cấp, được ghi ở datasheet của hêng sản xuất. Bảng 1 dưới đđy lă datasheet của câc diode 1N4001 đến 1N4007 do Hoa kỳ sản xuất.
45 Bảng 3.1: Datasheet câc diode từ 1N4001 đến 1N4007
Từ datasheet của 1N4007 ta có: VBR= VPRR =1000V, IFmax = IF(AV) =1A, VF = 1.1V khi IF = IFmax. Những thơng số trín cho biết:
*Dịng điện thuận IF(AV) (Average) qua diode khơng được lớn hơn 1A
*Điện âp nghịch cực đại đặt lín Diode khơng được lớn hơn 1000V. *Điện âp thuận UAK VF có thể tăng đến 1.1V nếu dịng điện thuận bằng 1A.
Đối với diode chỉnh lưu, khi UAK = 0,6V diode đê bắt đầu dẫn điện vă khi UAK = 0.7V dòng qua diode đê đạt đến văi chục mA.
1.4.Đặc tuyến Volt Ampere
Đặc tuyến VA của một Diode lă đường biểu diễn của hăm số I = f(U), mơ tả quan hệ giữa dịng điện qua diode theo điện âp UAK đặt văo nó.
Để vẽ đặc tuyến VA của một Diode ta có sơ đồ thí nghiệm như hình 3.4
Hình 3.5: Sơ đồ thí nghiệm để vẽ đặc tuyến VA của diode chỉnh lưu
1.4.1.Phđn cực thuận
Chuyển mạch nằm ở vị trí 1. VR lă biến trở dùng để thay đổi liín tục điện âp của nguồn điện UCC. Khi thay đổi VR ta đọc được trị số U vă I tương ứng. Lập bảng trị số, vẽ được đặc tuyến như hình 3.6 nhânh thuận.
46 Nhìn văo đặc tuyến, ta thấy khi phđn cực thuận dòng điện tăng nhanh theo điện âp, đến điện âp ngưởng (0,7V cho Si, 0,3V cho Ge) điện âp hầu như đứng n cịn dịng điện tiếp tục tăng
Hình 3.6: Đăc tuyến VA của diode chỉnh lưu
1.4.2.Phđn cực nghịch
Chuyển mạch nằm ở vị trí 2. Khi phđn cực nghịch, dịng điện tăng rất ít, vă bằng dịng điện trôi I0. Nếu ta tiếp tục tăng điện âp phđn cực nghịch đến điện âp nghịch cực đại do nhă sản xuất ghi ở sâch tra cứu, thì dịng điện nghịch sẽ tăng vọt vă sẽ đânh thủng (breakdown) tiếp giâp. Khi sử dụng ta không được vượt qua điện âp năy.
Có hai cơ chế đânh thủng Diode: đânh thủng thâc đổ vă đânh thủng xuyín hầm
Đânh thủng thâc đổ (avalanche breakdown): Khi hiệu thế phđn cực nghịch
cịn nhỏ, chỉ có dịng điện rị I0 chạy qua. Khi hiệu điện thế phđn cực nghịch đủ lớn, những hạt tải điện sinh ra dưới tâc dụng của nhiệt được điện trường trong vùng hiếm tăng vận tốc vă có đủ năng lượng rứt nhiều điện tử khâc từ câc nối hóa trị. Cơ chế năy cứ chồng chất, sau cùng ta có một dịng điện ngược rất lớn, tiếp giâp P-N bị phâ hủy theo hiện tượng thâc đổ .
Trong hiện tượng đânh thủng thâc đổ, hạt thiểu số trong miền nghỉo được tăng tốc bởi điện trường cao sẽ có một động năng rất lớn. Chúng sẽ va chạm văo câc nút mạng của mạng tinh thể vă phâ vỡ câc liín kết hóa trị. Mỗi một va chạm sẽ ion hóa một nút mạng, hình thănh cặp điện tử lỗ trống tham gia lăm hạt tải cơ bản. Câc cặp năy gọi lă phần tử tải điện thứ cấp. Chúng lại nhận được động năng rất lớn vă lại lăm ion hóa câc nút mạng khâc. Kết quả lă việc hình thănh một lượng cực lớn câc hạt tải vă tự nhiín hình thănh dịng điện đânh thủng rất lớn.
47
Đânh thủng xuyín hầm (zener breakdown): Điện trường ngược trín chuyển tiếp PN không những chỉ gia tốc câc hạt thiểu số mă còn cung cấp năng lượng cho câc điện tử vịng ngoăi của ngun tử bân dẫn. Nếu những điện tử năy nhận được năng lượng đủ lớn, chúng cũng có thể tâch khỏi ngun tử tạo thănh điện tử tự do. Hiện tượng ion hóa năy gọi lă ion hóa do điện trường. Nếu điện âp ngoăi đạt đến một giâ trị nhất định nghĩa lă đủ lớn, hiện tượng ion hóa sẽ xảy ra trín nhiều ngun tử bấn dẫn vă do đó số lượng hạt dẫn tăng lín đột ngột dẫn đến tăng đột biến dịng nghịch. Đânh thủng năy gọi lă đânh thủng zener.
Hai cơ chế đânh thủng trín có hai điểm khâc nhau sau:
Hiệu điện thế ngược đânh thủng thâc lủ cao hơn hiệu điện thế ngược đânh thủng xuyín hầm. Đối với diode silic hiệu điện thế ngược đânh thủng thâc lũ khoảng văi chục volt, còn hiệu điện thế ngược đânh thủng xuyín hầm chỉ khoảng văi volt. Điều năy lă do đânh thủng Zener dựa trín hiệu ứng xuyín hầm (tunnelling). Miền nghỉo căng hẹp khả năng xuyín hầm căng lớn, miền nghỉo bị thu hẹp sẽ tạo ra một điện trường rất cao, hạt tải điện nhận được động năng lớn lăm cho việc đânh thủng xảy ra dễ dăng.
Ta có thể so sânh hai cơ chế đânh thủng trín:
*Đânh thủng thâc lũ phải có một q trình gia tốc cho câc hạt dẫn khiến chúng đạt tới tốc độ nhất định. Đânh thủng xuyín hầm hầu như xảy ra tức thời vă do điện trường cực đại trín miền điện tích khơng gian quyết định.
*Đânh thủng thâc lũ phụ thuộc văo độ rộng miền điện tích khơng gian, vùng năy căng rộng thì số lần va chạm căng nhiều. Đânh thủng xun hầm khơng phụ thuộc văo độ rộng miền điện tích khơng gian
*Đânh thủng thâc lũ có thể tăng lín khi bị kích thích (tăng nhiệt độ, chiếu sâng…) lăm cho hiện tượng thâc lũ có thể xảy ra sớm vă mênh liệt hơn vì sự tăng hạt dẫn sẽ kĩo theo sự tăng ion hóa. Đânh thủng xun hầm khơng phụ thuộc văo tăng kích thích.
*Hệ số nhiệt độ của đânh thủng thâc lũ dương, đânh thủng xun hầm đm. Vì khi tăng nhiệt độ miền điện tích khơng gian trở nín hẹp hơn nín tăng khả năng xun hầm, việc xun hầm sớm xảy ra, vì vậy tăng nhiệt độ dẫn đến điện âp đânh thủng xuyín hầm giảm.
Đânh thủng thâc lũ phụ thuộc chủ yếu văo suất ion hóa (suất ion hóa được định nghĩa: số lượng điện tử vă lỗ trống sản sinh do một hạt dẫn dưới tâc dụng của
48 điện trường di chuyển một đơn vị độ dăi), như vậy nhiệt độ tăng điện âp đânh thủng tăng.
Ngoăi ra Diode có nội trở thay đổi rất lớn, khi phđn cực thuận RD = 0 (nối tắt), khi phđn cực nghịch RD ≈ ∞ (hở mạch), vì vậy, diode được dùng lăm câc cơng tắc điện tử, đóng ngắt bằng điều khiển mức điện âp, được ứng dụng rộng rêi trong kỹ thuật điện vă điện tử. Ta có thể xem Diode như một khóa K, on khi phđn cực thuận vă off khi phđn cực nghịch.
Nếu Diode hoạt động ở mạch số (digital) thì dịng ID chỉ chọn một trong hai trường hợp: ID = 0 khi phđn cực nghịch vă ID = IDmax khi phđn cực thuận. Đặc tuyến VA của diode có dạng đặc tuyến lý tưởng (Ideal characteristic) như hình 3.7. Nghĩa lă diode sẽ thơng hoăn toăn hoặc tắt hẳn. Ta ký hiệu lă 1 vă 0. Mỗi một trạng thâi trong hai trạng thâi trín được gọi lă một bit.
Hình 3.7: Đặc tuyến lý tưởng của diode chỉnh lưu
1.5.Ứng dụng của diode chỉnh lưu
Diode chỉnh lưu được dùng trong câc nguồn cung cấp (power supply), nó chỉnh lưu điện âp xoay chiều thănh điện âp một chiều, nhằm cung cấp năng lượng cho câc thiết bị điện tử.
1.5.1.Chỉnh lưu bân kỳ (Half-Wave Rectifier)
Mạch chỉnh lưu bân kỳ có sơ đồ ngun lý như hình 3.8.
49 -BA lă biến âp hạ âp, nó đưa điện âp lưới 220 VAC xuống điện âp cần dùng. -D1 : Diode chỉnh lưu
RT : Điện trở tải, đđy chính lă thiết bị điện tử cần cung cấp nguồn.
Giả sử bân kỳ đầu A dương, Diode D được phđn cực thuận nín thơng, dịng điện theo D đến tải rồi về biến âp. Bân kỳ sau A đm, Diode D phđn cực nghịch nín tắt, dịng điện khơng đến được tải. Kết quả trín tải ta chỉ có bân kỳ dương của dịng điện (Hình 3.9).
Hình 3.9: Dạng sóng chỉnh lưu bân kỳ Điện âp một chiều (điện âp trung bình) trín tải
MM M M M DC O O Π 0 O Π 0 O O 0,318U Π U t cos 2Π U t ωtd sin U 2Π 1 U = ∫ ϖ = ϖ = =
Công suất biến âp: PBA= (kp . Ut . It) . 2
Với kp : hệ số công suất biến âp : kp = 1,3, Ut : điện âp trín tải It: dịng điện trín tải
*Điện âp ra của biến âp khi không tải:
2 ΔU ΔU U U T D BA 2 + + = VAC
50 ∆U: Sụt âp trín mỗi diode = 0,7V đến 1V thường chọn 0,7V
Idm: Dòng điện định mức của diode
2 I k I t i dm = ki: Hế số, ki = 10
1.5.2.Chỉnh lưu toăn kỳ (full wave rectifier)
Chỉnh lưu bân kỳ đơn giản nhưng hiệu suất thấp vì chỉ sử dụng một nửa công suất của biến âp vă khó lọc điện nín hầu như khơng dùng. Thực tế ta dùng chỉnh lưu toăn kỳ kiểu cđu ((bridge type rectifier) Đđy lă kiểu chỉnh lưu thông dụng nhất, được dùng trong hầu hết câc mạch chỉnh lưu hiện nay (Hình 3.11)
Hình 3.11 : Sơ đồ nguyín lý mạch chỉnh lưu toăn kỳ kiểu cầu
Giả sử bân kỳ đầu A dương, D1 vă D3 phđn cực thuận nín thơng. Dịng điện qua D1 đến tải theo D3 đi đến điểm B. Bân kỳ sau B dưong, D2 vă D4 phđn cực thuận nín thơng. Dịng điện qua D2 đến tải theo D4 đi đến điểm A. Trong cả 2 bân kỳ đều có dịng điện chạy qua tải, đó lă dịng điện một chiều cung cấp năng lượng cho tải. Hình 3.12 cho ta dạng sóng đầu văo vă đầu ra của mạch chỉnh lưu Kết quả trín tải ta chỉ có bân kỳ dương của dịng điện.
Hình 3.12: Dạng sóng văo vă ra của mạch chỉnh lưu toăn kỳ
Nhìn văo dạng sóng ra ta thấy tần số ra tăng gấp đôi do ta sử dụng cả hai bân kỳ. Việc lọc điện sẽ hiệu quả hơn (Xem Chương 4: Bộ nguồn cung cấp, giâo trình Vơ tuyến điện đại cương)
Điện âp một chiều (điện âp trung bình) trín tải: Chứng minh tương tự mạch chỉnh lưu bân kỳ ta được:
51 M M M DC O O Π 0 O O 0,636U Π 2U t ωtd sin U 2Π 2 U = ∫ ϖ = =
So sânh với chỉnh lưu bân kỳ, ta thấy công suất của bộ nguồn được sử dụng hết, không cần phải dùng biến âp có cơng suất gấp đơi cơng suất tiíu thụ ở tải. Tần số điện âp lưới ACV khi âp dụng câc cơng thức được tính gấp đơi vì ta dùng cả hai bân kỳ.