Ứng dụng của Điốt | Bộ chỉnh lưu, Clipper, Bảo vệ dòng ngược

Trong hướng dẫn về điốt này, chúng ta sẽ thấy một số ứng dụng phổ biến của điốt. Là thành phần bán dẫn đơn giản nhất, diode có rất nhiều ứng dụng trong các hệ thống điện tử hiện đại. Các mạch điện và điện tử khác nhau sử dụng thành phần này như một thiết bị thiết yếu để tạo ra kết quả cần thiết.

Sơ lược về diode

Chúng ta biết rằng Diode chỉ cho phép dòng điện chạy theo một hướng và do đó nó hoạt động như một công tắc một chiều. Diode được làm bằng vật liệu loại P và N và có hai cực là cực dương và cực âm. Thiết bị này có thể được vận hành bằng cách điều khiển điện áp cấp vào các thiết bị đầu cuối này.

Khi điện áp đặt vào cực dương dương so với cực âm, thì diode được cho là ở Phân cực thuận. Nếu điện áp đặt vào diode lớn hơn mức ngưỡng (thông thường, nó là ≈0,6V đối với Điốt Silicon), thì diode hoạt động như một mạch ngắn và cho phép dòng điện chạy qua.

Nếu cực tính của điện áp bị thay đổi, tức là cực âm được dương so với cực dương, thì nó được cho là ở Phân cực ngược và hoạt động như mạch hở. Kết quả là không có dòng điện chạy qua nó.

Các lĩnh vực ứng dụng của điốt bao gồm các hệ thống truyền thông như bộ hạn chế, bộ cắt, cổng; hệ thống máy tính như cổng logic, bộ kẹp; hệ thống cấp điện như bộ chỉnh lưu, bộ biến tần; hệ thống truyền hình như máy dò pha, bộ hạn chế, bộ kẹp; mạch radar như mạch điều khiển khuếch đại, bộ khuếch đại tham số, v.v. Phần mô tả sau đây mô tả ngắn gọn các ứng dụng khác nhau của điốt.

Một số ứng dụng phổ biến của điốt

Trước khi xem xét các ứng dụng khác nhau của điốt, chúng ta hãy xem nhanh một danh sách nhỏ các ứng dụng phổ biến của điốt.

• Bộ chỉnh lưu
• Mạch cắt
• Mạch kẹp
• Mạch bảo vệ dòng ngược
• Trong cổng logic
• Nhân điện áp

và nhiều cái khác. Bây giờ chúng ta hãy hiểu chi tiết hơn từng ứng dụng của điốt.

Diode làm bộ chỉnh lưu

Ứng dụng phổ biến và quan trọng nhất của diode là chỉnh lưu nguồn AC thành nguồn DC. Sử dụng điốt, chúng ta có thể xây dựng các loại mạch chỉnh lưu khác nhau. Các loại cơ bản của các mạch chỉnh lưu này là bộ chỉnh lưu nửa sóng, bộ chỉnh lưu toàn sóng ở giữa và bộ chỉnh lưu toàn cầu. Một hoặc sự kết hợp của bốn điốt được sử dụng trong hầu hết các ứng dụng chuyển đổi năng lượng. Hình dưới đây cho thấy hoạt động của diode trong bộ chỉnh lưu.

• Trong nửa chu kỳ dương của nguồn cung cấp đầu vào, cực dương được đóng dương so với cực âm. Vì vậy, diode được phân cực thuận. Điều này dẫn đến dòng điện chạy đến tải. Vì tải là điện trở nên điện áp trên điện trở tải sẽ giống như điện áp nguồn, tức là điện áp hình sin đầu vào sẽ xuất hiện ở tải (chỉ chu kỳ dương). Và dòng điện tải tỷ lệ thuận với điện áp đặt vào.
• Trong nửa chu kỳ âm của sóng hình sin đầu vào, cực dương bị âm so với cực âm. Vì vậy, diode bị phân cực ngược. Do đó không có dòng điện chạy tới tải. Mạch trở nên hở mạch và không xuất hiện điện áp trên tải.
• Cả điện áp và dòng điện ở phía tải đều có một cực nghĩa là điện áp đầu ra là dòng điện một chiều. Thông thường, mạch chỉnh lưu này có một tụ điện được nối qua tải để tạo ra dòng điện một chiều ổn định và liên tục mà không có bất kỳ gợn sóng nào.

Điốt trong mạch cắt

Mạch cắt được sử dụng trong các máy phát FM, trong đó các đỉnh nhiễu được giới hạn ở một giá trị cụ thể để loại bỏ các đỉnh quá mức khỏi chúng. Mạch cắt được sử dụng để tắt điện áp vượt quá giá trị đặt trước mà không làm ảnh hưởng đến phần còn lại của dạng sóng đầu vào.

Dựa vào cấu hình diode trong mạch, các bộ cắt này được chia thành hai loại:

• Máy cắt nối tiếp
• Máy cắt Shunt

Hơn nữa, chúng lại được phân loại thành các loại khác nhau.

Hình trên cho thấy các bộ cắt nối tiếp dương và shunt. Và bằng cách sử dụng các mạch cắt này, nửa chu kỳ dương của dạng sóng điện áp đầu vào sẽ bị loại bỏ. Trong mạch cắt nối tiếp dương, trong chu kỳ dương của đầu vào, diode bị phân cực ngược nên điện áp ở đầu ra bằng 0.

Do đó, nửa chu kỳ dương bị cắt bớt ở đầu ra. Trong nửa chu kỳ âm của đầu vào, diode phân cực thuận và nửa chu kỳ âm xuất hiện trên đầu ra.

Trong mạch cắt shunt dương, diode được phân cực thuận trong nửa chu kỳ dương nên điện áp đầu ra bằng 0 khi diode hoạt động như một công tắc đóng. Và trong nửa chu kỳ âm, diode bị phân cực ngược và hoạt động như một công tắc mở để điện áp đầu vào đầy đủ xuất hiện trên đầu ra. Với hai diode cắt ở trên, nửa chu kỳ dương của đầu vào sẽ bị cắt ở đầu ra.

Điốt trong mạch kẹp (mạch clamping)

Mạch kẹp được sử dụng để dịch chuyển hoặc thay đổi đỉnh dương hoặc âm của tín hiệu đầu vào đến mức mong muốn. Mạch này còn được gọi là Bộ dịch chuyển mức hoặc bộ khôi phục DC. Các mạch kẹp này có thể dương hoặc âm tùy thuộc vào cấu hình diode.

Trong mạch kẹp dương, các đỉnh âm được nâng lên trên nên các đỉnh âm rơi về mức 0. Trong trường hợp mạch kẹp âm, các đỉnh dương được kẹp sao cho nó đẩy xuống sao cho các đỉnh dương rơi về mức 0.

Nhìn vào sơ đồ dưới đây để hiểu ứng dụng của diode trong mạch kẹp. Trong nửa chu kỳ dương của đầu vào, diode phân cực ngược nên điện áp đầu ra bằng tổng điện áp đầu vào và điện áp tụ (coi như tụ được tích điện ban đầu). Trong nửa chu kỳ âm của đầu vào, diode phân cực thuận và hoạt động như một công tắc đóng để tụ điện tích điện tới giá trị cực đại của tín hiệu đầu vào.

Điốt trong cổng logic

Điốt cũng có thể thực hiện các hoạt động logic kỹ thuật số. Trạng thái trở kháng thấp và cao của công tắc logic tương tự như điều kiện phân cực thuận và phân cực ngược của diode. Do đó, diode có thể thực hiện các phép toán logic như AND, OR, v.v. Mặc dù logic diode là phương pháp trước đó với một số hạn chế nhưng chúng vẫn được sử dụng trong một số ứng dụng. Hầu hết các cổng logic hiện đại đều dựa trên MOSFET.

Hình dưới đây cho thấy logic cổng OR được triển khai bằng cách sử dụng một cặp điốt và điện trở.

Trong mạch trên, điện áp đầu vào được đặt ở V và bằng cách điều khiển các công tắc, chúng ta thu được logic OR ở đầu ra. Ở đây logic 1 có nghĩa là điện áp cao và logic 0 có nghĩa là điện áp bằng 0. Khi cả hai công tắc ở trạng thái mở, cả hai điốt đều ở trạng thái phân cực ngược và do đó điện áp ở đầu ra Y=0. Khi bất kỳ một trong các công tắc đóng, diode sẽ phân cực thuận và kết quả là đầu ra ở mức cao.

Điốt trong mạch nhân điện áp

Bộ nhân điện áp bao gồm hai hoặc nhiều mạch chỉnh lưu diode, được nối tầng để tạo ra điện áp đầu ra DC bằng bội số của điện áp đầu vào ứng dụng. Các mạch nhân này có nhiều loại khác nhau như bộ nhân đôi điện áp, bộ nhân ba, bộ nhân bốn, v.v. Bằng cách sử dụng điốt kết hợp với tụ điện, chúng ta thu được bội số lẻ hoặc thậm chí của điện áp đỉnh đầu vào ở đầu ra.

Hình trên cho thấy mạch nhân đôi điện áp nửa sóng có điện áp đầu ra DC gấp đôi điện áp xoay chiều đầu vào đỉnh. Trong nửa chu kỳ dương của đầu vào AC, diode D1 phân cực thuận và D2 ​​phân cực ngược. Vì vậy, tụ điện C1 tích điện đến điện áp cực đại Vm của đầu vào thông qua diode D1. Trong nửa chu kỳ âm của đầu vào AC, D1 phân cực ngược và D2 ​​phân cực thuận. Vì vậy, tụ C2 bắt đầu sạc đầy D2 và C1. Do đó, tổng điện áp trên C2 bằng 2Vm.

Trong nửa chu kỳ dương tiếp theo, diode D2 bị phân cực ngược nên tụ điện C2 sẽ phóng điện qua tải. Tương tự như vậy, bằng cách xếp tầng các mạch chỉnh lưu, chúng ta sẽ nhận được nhiều giá trị điện áp đầu vào ở đầu ra.

Điốt trong bảo vệ phân cực ngược

Việc bảo vệ phân cực ngược hoặc bảo vệ dòng điện là cần thiết để tránh những hư hỏng xảy ra do kết nối pin sai cách hoặc đảo ngược các cực của nguồn DC. Sự kết nối ngẫu nhiên của nguồn cung cấp này gây ra một dòng điện lớn chạy qua các linh kiện mạch điện , điều này có thể dẫn đến hỏng hóc hoặc trong trường hợp xấu nhất là phát nổ.

Do đó, một diode bảo vệ hoặc chặn được mắc nối tiếp với cực dương của đầu vào để tránh sự cố kết nối ngược.

Hình trên cho thấy mạch bảo vệ dòng điện ngược, trong đó diode được mắc nối tiếp với tải ở phía dương của nguồn cung cấp pin. Trong trường hợp kết nối phân cực chính xác, diode sẽ phân cực thuận và dòng tải chạy qua nó. Tuy nhiên, trong trường hợp kết nối sai, diode bị phân cực ngược và điều đó không cho phép bất kỳ dòng điện nào chạy đến tải. Do đó, tải được bảo vệ chống lại sự phân cực ngược.

Điốt trong triệt tiêu điện áp tăng đột biến

Trong trường hợp có cuộn cảm hoặc tải cảm ứng, việc cắt nguồn cung cấp đột ngột sẽ tạo ra điện áp cao hơn do năng lượng từ trường được lưu trữ của nó. Những đột biến điện áp bất ngờ này có thể gây ra hư hỏng đáng kể cho các linh kiện còn lại của mạch.

Do đó, một diode được kết nối qua cuộn cảm hoặc tải cảm ứng để hạn chế các xung điện áp lớn. Các diode này còn được gọi bằng những tên khác nhau trong các mạch khác nhau như diode Snubber, diode Flyback, diode Suppression, diode Freewheeling, v.v.

Trong hình trên, diode freewheeling được nối qua tải cảm ứng để triệt tiêu các xung điện áp trong cuộn cảm. Khi công tắc được mở đột ngột, điện áp sẽ tăng vọt trong cuộn cảm. Do đó, diode freewheeling tạo ra một đường đi an toàn cho dòng điện phóng điện áp do xung điện cung cấp.

Điốt trong tấm pin mặt trời

Điốt được sử dụng để bảo vệ các tấm pin mặt trời được gọi là điốt rẽ nhánh. Nếu bảng điều khiển năng lượng mặt trời bị lỗi hoặc bị hư hỏng hoặc bị che khuất bởi lá rụng, tuyết và các vật cản khác, công suất đầu ra tổng thể sẽ giảm và phát sinh hư hỏng điểm nóng vì dòng điện của các tế bào còn lại phải chạy qua tế bào bị lỗi hoặc bị bóng mờ này và gây ra hiện tượng quá nhiệt. Chức năng chính của diode bypass là bảo vệ pin mặt trời khỏi vấn đề nóng lên tại điểm nóng này.

Hình trên cho thấy sự kết nối của điốt bypass trong pin mặt trời. Các điốt này được mắc song song với pin mặt trời nhờ đó hạn chế điện áp trên pin mặt trời xấu và cho phép dòng điện từ pin mặt trời tốt ra mạch ngoài. Do đó, giảm vấn đề quá nhiệt bằng cách hạn chế dòng điện chạy qua pin mặt trời kém chất lượng.

---

Chúng tôi có một số ứng dụng quan trọng của Điốt. Chúng bao gồm Bộ chỉnh lưu, Bộ cắt, Bộ kẹp, Bộ nhân điện áp, Cổng logic, Tấm pin mặt trời, Bảo vệ phân cực ngược và Ngăn chặn điện áp tăng vọt.