Chỉnh lưu tín hiệu

Một ứng dụng quan trọng của điốt tiếp giáp là chỉnh lưu tín hiệu.

Có hai loại bộ chỉnh lưu tín hiệu là nửa sóng và toàn sóng.

Trước tiên chúng ta hãy xem xét bộ chỉnh lưu nửa sóng lý tưởng. Đó là mạch có hàm truyền v_O = f (v_S ):

Khá đơn giản! Khi đầu vào âm thì đầu ra bằng 0, trong khi khi đầu vào dương thì đầu ra giống như đầu vào.

Hỏi: Tôi muốn nói là khá đơn giản và khá ngu ngốc! Đây có thể là mạch vô nghĩa nhất của bạn. Mạch này thậm chí còn hữu ích từ xa như thế nào??

Trả lời: Để biết tại sao bộ chỉnh lưu nửa sóng lại hữu ích, hãy xem xét trường hợp điển hình trong đó điện áp nguồn đầu vào là tín hiệu hình sin có tần số ω và cường độ cực đại A:

Hãy nghĩ xem đầu ra của bộ chỉnh lưu nửa sóng sẽ như thế nào! Hãy nhớ quy tắc: khi v_S(t) âm thì đầu ra bằng 0, khi v_S(t) dương thì đầu ra bằng đầu vào.

Do đó, đầu ra của bộ chỉnh lưu nửa sóng trong ví dụ này là:

Hỏi: Đó là kết quả tồi tệ nhất mà tôi từng thấy. Một nửa sóng hình sin có ích lợi gì? Tại sao lại phải bận tâm?

Trả lời: Mặc dù có vẻ như bộ chỉnh lưu của chúng tôi có ít tác dụng hữu ích đối với tín hiệu đầu vào v_S(t), nhưng trên thực tế, sự khác biệt giữa v_S(t) đầu vào và v_O(t) đầu ra vừa quan trọng vừa sâu sắc.

Để xem cách thực hiện, trước tiên hãy xem xét thành phần DC (tức là giá trị trung bình theo thời gian) của sóng hình sin đầu vào:

Do đó, (như bạn có thể đã biết) thành phần DC của sóng hình sin bằng 0—sóng hình sin là tín hiệu AC!

Bây giờ, hãy đối chiếu điều này với đầu ra v_O(t) của bộ chỉnh lưu nửa sóng của chúng tôi. Thành phần DC của đầu ra là:

Không giống như đầu vào, đầu ra có thành phần DC khác 0 (dương) (V_O = A/π )!

Hỏi: Tôi hiểu rồi. Một thành phần DC khác không phải không? Vậy hãy làm mới trí nhớ của tôi, tại sao điều đó lại quan trọng?

Trả lời: Hãy nhớ lại rằng hệ thống phân phối điện mà chúng tôi sử dụng là hệ thống AC. Điện áp nguồn v_S(t) mà chúng ta nhận được khi cắm “dây nguồn” vào ổ cắm trên tường là sóng hình sin 50 Hz—một nguồn có thành phần DC bằng 0!

Vấn đề ở đây là hầu hết các thiết bị và hệ thống điện tử, chẳng hạn như TV, dàn âm thanh nổi, máy tính, v.v., đều yêu cầu (các) điện áp DC để hoạt động!

Hỏi: Tuy nhiên, làm cách nào chúng ta có thể tạo ra điện áp nguồn DC nếu nguồn điện v_S(t) của chúng ta không có thành phần DC??

Trả lời: Đó là lý do tại sao bộ chỉnh lưu nửa sóng lại quan trọng đến vậy! Nó lấy nguồn AC không có thành phần DC và tạo tín hiệu có cả thành phần DC và AC.

Sau đó, chúng ta có thể chuyển đầu ra của bộ chỉnh lưu nửa sóng qua bộ lọc thông thấp, bộ lọc này triệt tiêu thành phần AC nhưng cho phép giá trị DC (V_O = A/π) đi qua. Sau đó, chúng tôi điều chỉnh đầu ra này và tạo thành một nguồn điện áp DC hữu ích—một nguồn phù hợp để cấp nguồn cho hệ thống điện tử của chúng tôi!

Hỏi: Được rồi, bây giờ tôi đã hiểu tại sao bộ chỉnh lưu nửa sóng lý tưởng lại có thể hữu ích. Tuy nhiên, có cách nào để thực sự chế tạo được thiết bị kỳ diệu này không?

Trả lời: Một bộ chỉnh lưu nửa sóng lý tưởng có thể được “chế tạo” nếu chúng ta sử dụng một diode lý tưởng.

Nếu làm theo các bước phân tích hàm truyền mà chúng ta đã nghiên cứu trước đó thì chúng ta sẽ thấy rằng mạch này thực sự là một bộ chỉnh lưu nửa sóng lý tưởng!

Tất nhiên, vì điốt lý tưởng không tồn tại nên chúng ta phải sử dụng điốt tiếp nối:

Hỏi: Mạch này trông quen quá! Chúng ta chưa từng nghiên cứu nó trước đây phải không?

Trả lời: Đúng! Đó là một ví dụ trong đó chúng tôi xác định hàm truyền mạch điốt nối. Hãy nhớ lại rằng kết quả là:

Lưu ý rằng kết quả này hơi khác so với kết quả của bộ chỉnh lưu nửa sóng lý tưởng! Sự sụt giảm 0,7 V trên diode tiếp giáp gây ra sự “dịch chuyển” theo chiều ngang của hàm truyền so với trường hợp lý tưởng.

Hỏi: Vậy thì mạch diode nối này có giá trị gì?

Trả lời: Khó đấy! Mặc dù hàm truyền không hoàn toàn lý tưởng nhưng nó hoạt động đủ tốt để đạt được mục tiêu chỉnh lưu tín hiệu—nó lấy đầu vào không có thành phần DC và tạo ra đầu ra có thành phần DC đáng kể!

Lưu ý “quy tắc” của hàm truyền bây giờ là gì:

1. Khi đầu vào lớn hơn 0,7 V thì điện áp đầu ra bằng điện áp đầu vào trừ 0,7 V.
2. Khi đầu vào nhỏ hơn 0,7 V, điện áp đầu ra bằng 0.

Vì vậy, hãy xem xét lại trường hợp nguồn điện áp có dạng hình sin (giống như nguồn từ “ổ cắm trên tường”!):

Do đó, đầu ra của bộ chỉnh lưu nửa sóng điốt nối của chúng tôi sẽ là:

Mặc dù đầu ra được dịch chuyển xuống 0,7 V (lưu ý trong biểu đồ trên là quá phóng đại, thường là A >>0,7V), nhưng rõ ràng là tín hiệu đầu ra v_O(t), không giống như tín hiệu đầu vào vS(t), có thành phần DC khác 0 (dương).

Do độ dịch chuyển 0,7 V nên thành phần DC này nhỏ hơn một chút so với trường hợp lý tưởng. Trên thực tế, chúng tôi thấy rằng nếu A>>0,7, thành phần DC này xấp xỉ:

Nói cách khác, chỉ thấp hơn mức lý tưởng 350 mV!

Hỏi: Quay lại lúc đầu bạn đã nói rằng có hai loại bộ chỉnh lưu. Bây giờ tôi đã hiểu về chỉnh lưu nửa sóng, nhưng còn những bộ chỉnh lưu toàn sóng này thì sao?

Trả lời: Gần như quên! Hãy xem xét hàm truyền của bộ chỉnh lưu toàn sóng lý tưởng:

Nếu bộ chỉnh lưu nửa sóng lý tưởng tạo ra đầu vào âm bằng 0 thì bộ chỉnh lưu toàn sóng lý tưởng tạo ra đầu vào âm—dương! Ví dụ: nếu chúng ta xem xét lại đầu vào hình sin, chúng ta sẽ thấy rằng đầu ra sẽ là:

Kết quả là tín hiệu đầu ra sẽ có thành phần DC gấp đôi so với bộ chỉnh lưu nửa sóng lý tưởng!

Hỏi: Ồ! Chỉnh lưu toàn sóng dường như tốt gấp đôi so với nửa sóng. Chúng ta có thể xây dựng một bộ chỉnh lưu toàn sóng lý tưởng với các điốt tiếp giáp không?

Trả lời: Mặc dù chúng ta không thể chế tạo bộ chỉnh lưu toàn sóng lý tưởng bằng điốt tiếp giáp, nhưng chúng ta có thể chế tạo bộ chỉnh lưu toàn sóng rất gần với lý tưởng với điốt tiếp giáp!