Mục Lục
Điốt nguồn có thể được kết nối với nhau để tạo thành bộ chỉnh lưu toàn sóng chuyển đổi điện áp xoay chiều thành điện áp DC xung để sử dụng trong nguồn điện
Bộ chỉnh lưu toàn sóng chuyển đổi cả hai nửa của mỗi chu kỳ dạng sóng thành tín hiệu DC xung bằng cách sử dụng bốn điốt chỉnh lưu. Trong hướng dẫn về điốt công suất trước đây, chúng ta đã thảo luận các cách giảm gợn sóng hoặc biến đổi điện áp trên điện áp một chiều trực tiếp bằng cách kết nối các tụ điện làm mịn qua điện trở tải.
Mặc dù phương pháp này có thể phù hợp với các ứng dụng năng lượng thấp nhưng nó không phù hợp với các ứng dụng cần điện áp nguồn DC “ổn định và trơn tru”. Một phương pháp để cải thiện điều này là sử dụng mỗi nửa chu kỳ của điện áp đầu vào thay vì mỗi nửa chu kỳ còn lại. Mạch cho phép chúng ta thực hiện điều này được gọi là Bộ chỉnh lưu toàn sóng.
Giống như mạch nửa sóng, mạch chỉnh lưu toàn sóng tạo ra điện áp hoặc dòng điện đầu ra hoàn toàn là DC hoặc có một số thành phần DC được chỉ định. Bộ chỉnh lưu toàn sóng có một số ưu điểm cơ bản so với bộ chỉnh lưu nửa sóng. Điện áp đầu ra trung bình (DC) cao hơn so với nửa sóng, đầu ra của bộ chỉnh lưu toàn sóng có ít gợn sóng hơn nhiều so với bộ chỉnh lưu nửa sóng tạo ra dạng sóng đầu ra mượt mà hơn.
Trong mạch chỉnh lưu toàn sóng hiện nay, hai điốt được sử dụng, một điốt cho mỗi nửa chu kỳ. Máy biến áp nhiều cuộn dây được sử dụng mà cuộn thứ cấp được chia đều thành hai nửa với một điểm đấu nối chung ở giữa, (C).
Cấu hình này dẫn đến mỗi diode dẫn điện lần lượt khi cực dương của nó dương so với điểm trung tâm máy biến áp C tạo ra đầu ra trong cả hai nửa chu kỳ, gấp đôi so với bộ chỉnh lưu nửa sóng nên nó có hiệu suất 100% như hình bên dưới.
Mạch chỉnh lưu toàn sóng
Mạch chỉnh lưu toàn sóng bao gồm hai điốt công suất được nối với một điện trở tải duy nhất ( RL ) với mỗi điốt lần lượt lấy nó để cung cấp dòng điện cho tải. Khi điểm A của máy biến áp dương so với điểm C , diode D 1 dẫn điện theo hướng thuận như được chỉ ra bởi các mũi tên.
Khi điểm B dương (nửa âm của chu kỳ) so với điểm C , diode D 2 dẫn theo chiều thuận và dòng điện chạy qua điện trở R cùng chiều trong cả hai nửa chu kỳ. Vì điện áp đầu ra trên điện trở R là tổng pha của hai dạng sóng kết hợp nên loại mạch chỉnh lưu toàn sóng này còn được gọi là mạch “hai pha”.
Chúng ta có thể thấy điều này ảnh hưởng khá rõ ràng nếu chúng ta chạy mạch trong Mạch mô phỏng Partsim với tụ điện làm mịn đã được loại bỏ.
Dạng sóng mô phỏng Partim
Do khoảng cách giữa mỗi nửa sóng do mỗi diode tạo ra hiện đang được lấp đầy bởi diode khác nên điện áp đầu ra DC trung bình trên điện trở tải hiện cao gấp đôi so với mạch chỉnh lưu nửa sóng đơn và tối đa là khoảng 0,637V so với điện trở tải. điện áp đỉnh, giả sử không có tổn thất.
Trong đó: V MAX là giá trị cực đại cực đại ở một nửa cuộn thứ cấp và V RMS là giá trị rms như sau: V RMS = 0,7071 V MAX . Dòng điện một chiều có dạng: I DC = V DC /R .
Điện áp cực đại của dạng sóng đầu ra giống như trước đây đối với bộ chỉnh lưu nửa sóng với điều kiện mỗi nửa cuộn dây máy biến áp có cùng giá trị điện áp rms. Để có được điện áp DC đầu ra khác, có thể sử dụng các tỷ số biến áp khác nhau.
Nhược điểm chính của loại mạch chỉnh lưu toàn sóng này là cần có một máy biến áp lớn hơn cho công suất đầu ra nhất định với hai cuộn dây thứ cấp riêng biệt nhưng giống hệt nhau, khiến loại mạch chỉnh lưu toàn sóng này tốn kém hơn so với mạch tương đương “Bộ chỉnh lưu cầu toàn sóng”.
Bộ chỉnh lưu cầu toàn sóng
Một loại mạch khác tạo ra dạng sóng đầu ra giống như mạch chỉnh lưu toàn sóng ở trên, đó là Mạch chỉnh lưu cầu toàn sóng . Loại bộ chỉnh lưu một pha này sử dụng bốn điốt chỉnh lưu riêng lẻ được kết nối theo cấu hình “cầu nối” vòng kín để tạo ra đầu ra mong muốn.
Ưu điểm chính của mạch cầu này là nó không yêu cầu máy biến áp có điểm nối trung tâm đặc biệt, do đó giảm kích thước và giá thành. Cuộn dây thứ cấp đơn được nối với một phía của mạng cầu diode và tải sang phía bên kia như hình bên dưới.
Bộ chỉnh lưu cầu Diode
Bốn điốt có nhãn D 1 đến D 4 được sắp xếp thành “cặp nối tiếp” với chỉ hai điốt dẫn dòng điện trong mỗi nửa chu kỳ. Trong nửa chu kỳ dương của nguồn cung cấp, điốt D1 và D2 dẫn điện nối tiếp trong khi điốt D3 và D4 bị phân cực ngược và dòng điện chạy qua tải như hình dưới đây.
Nửa chu kỳ dương
Trong nửa chu kỳ âm của nguồn, điốt D3 và D4 dẫn điện nối tiếp, nhưng điốt D1 và D2 chuyển sang trạng thái “TẮT” vì hiện tại chúng bị phân cực ngược. Dòng điện chạy qua tải có cùng chiều như trước.
Nửa chu kỳ âm
Vì dòng điện chạy qua tải là một chiều nên điện áp phát triển trên tải cũng một chiều giống như đối với hai bộ chỉnh lưu toàn sóng đi-ốt trước đó, do đó điện áp DC trung bình trên tải tối đa là 0,637V.
Tuy nhiên, trên thực tế, trong mỗi nửa chu kỳ, dòng điện chạy qua hai điốt thay vì chỉ một nên biên độ của điện áp đầu ra nhỏ hơn hai lần giảm điện áp (2*0,7 = 1,4V) so với biên độ V MAX đầu vào . Tần số gợn sóng hiện gấp đôi tần số nguồn cung cấp (ví dụ: 100Hz cho nguồn cung cấp 50Hz hoặc 120Hz cho nguồn cung cấp 60Hz.)
Mặc dù chúng ta có thể sử dụng bốn điốt công suất riêng lẻ để tạo ra một bộ chỉnh lưu cầu sóng đầy đủ, các bộ phận chỉnh lưu cầu được chế tạo sẵn luôn có sẵn với nhiều kích cỡ điện áp và dòng điện khác nhau có thể được hàn trực tiếp vào bảng mạch PCB hoặc được kết nối bằng đầu nối thuổng.
Hình ảnh bên phải dưới là một bộ chỉnh lưu cầu một pha điển hình bị cắt một góc. Góc giới hạn này cho biết rằng cực gần góc nhất là cực hoặc cực đầu ra dương hoặc V+ với dây dẫn đối diện (đường chéo) là dây dẫn đầu ra âm hoặc V- . Hai dây kết nối còn lại dành cho điện áp xoay chiều đầu vào từ cuộn dây thứ cấp của máy biến áp.
Bộ chỉnh lưu toàn sóng với tụ điện làm mịn
Chúng ta đã thấy trong phần trước rằng bộ chỉnh lưu nửa sóng một pha tạo ra sóng đầu ra cứ sau nửa chu kỳ và việc sử dụng loại mạch này để tạo ra nguồn DC ổn định là không thực tế. Tuy nhiên, bộ chỉnh lưu cầu toàn sóng mang lại cho chúng ta giá trị DC trung bình lớn hơn (0,637 Vmax) với độ gợn ít hơn trong khi dạng sóng đầu ra gấp đôi tần số của tần số nguồn đầu vào.
Chúng ta có thể cải thiện đầu ra DC trung bình của bộ chỉnh lưu đồng thời giảm sự biến đổi AC của đầu ra được chỉnh lưu bằng cách sử dụng các tụ điện làm mịn để lọc dạng sóng đầu ra. Các tụ điện làm mịn hoặc tụ điện được mắc song song với tải qua đầu ra của mạch chỉnh lưu cầu toàn sóng làm tăng mức đầu ra DC trung bình thậm chí còn cao hơn vì tụ điện hoạt động giống như một thiết bị lưu trữ như hình dưới đây.
Bộ chỉnh lưu toàn sóng với tụ điện làm mịn
Tụ điện làm mịn chuyển đổi đầu ra gợn sóng toàn sóng của bộ chỉnh lưu thành điện áp đầu ra DC trơn tru hơn. Nếu bây giờ chúng ta chạy Mạch mô phỏng Partsim với các giá trị khác nhau của tụ điện làm mịn được lắp đặt, chúng ta có thể thấy tác động của nó đối với dạng sóng đầu ra được chỉnh lưu như hình dướị.
Sử dụng tụ điện làm mịn 5uF
Biểu đồ màu xanh lam trên dạng sóng hiển thị kết quả của việc sử dụng tụ điện làm mịn 5,0uF trên đầu ra của bộ chỉnh lưu. Trước đây, điện áp tải tuân theo dạng sóng đầu ra được chỉnh lưu xuống 0 volt. Ở đây, tụ điện 5uF được tích điện đến điện áp cực đại của xung DC đầu ra, nhưng khi nó giảm từ điện áp cực đại xuống 0 volt, tụ điện không thể phóng điện nhanh do hằng số thời gian RC của mạch.
Điều này dẫn đến tụ điện phóng điện xuống khoảng 3,6 volt, trong ví dụ này, duy trì điện áp trên điện trở tải cho đến khi tụ điện sạc lại một lần nữa ở độ dốc dương tiếp theo của xung DC. Nói cách khác, tụ điện chỉ có thời gian phóng điện trong thời gian ngắn trước khi xung DC tiếp theo sạc lại nó trở lại giá trị cực đại.
Do đó, điện áp DC cấp vào điện trở tải chỉ giảm một lượng nhỏ. Nhưng chúng ta vẫn có thể cải thiện điều này bằng cách tăng giá trị của tụ điện làm mịn như hình.
Sử dụng tụ điện làm mịn 50uF
Ở đây, chúng tôi đã tăng giá trị của tụ điện làm mịn lên gấp 10 lần từ 5uF lên 50uF, điều này đã làm giảm gợn sóng, tăng điện áp phóng điện tối thiểu từ 3,6 volt trước đó lên 7,9 volt. Tuy nhiên, bằng cách sử dụng Mạch mô phỏng Partsim, chúng tôi đã chọn tải 1kΩ để đạt được các giá trị này, nhưng khi trở kháng tải giảm thì dòng tải tăng lên khiến tụ điện phóng điện nhanh hơn giữa các xung sạc.
Có thể giảm tác động của việc cung cấp cho tải nặng một tụ điện làm phẳng hoặc tụ điện dự trữ bằng cách sử dụng tụ điện lớn hơn giúp lưu trữ nhiều năng lượng hơn và phóng điện ít hơn giữa các xung sạc. Nói chung đối với các mạch cấp nguồn DC, tụ điện làm mịn là loại Điện phân nhôm có giá trị điện dung từ 100uF trở lên với các xung điện áp DC lặp lại từ bộ chỉnh lưu sạc tụ điện đến điện áp cực đại.
Tuy nhiên, có hai thông số quan trọng cần xem xét khi chọn tụ điện làm mịn phù hợp và đó là Điện áp làm việc của nó , phải cao hơn giá trị đầu ra không tải của bộ chỉnh lưu và Giá trị điện dung của nó , xác định mức độ gợn sóng sẽ xuất hiện được đặt chồng lên trên điện áp DC.
Giá trị điện dung quá thấp và tụ điện ít ảnh hưởng đến dạng sóng đầu ra. Nhưng nếu tụ bù đủ lớn (có thể dùng tụ song song) và dòng tải không quá lớn thì điện áp ra sẽ gần như êm như DC thuần. Theo nguyên tắc chung, chúng tôi mong muốn có điện áp gợn sóng từ đỉnh đến đỉnh dưới 100mV.
Điện áp gợn sóng tối đa hiện có trong mạch Chỉnh lưu toàn sóng không chỉ được xác định bởi giá trị của tụ điện làm mịn mà còn bởi tần số và dòng tải và được tính như sau:
Cầu Chỉnh Lưu Điện Áp Gợn Sóng
Trong đó: I là dòng tải DC tính bằng ampe, ƒ là tần số gợn sóng hoặc gấp đôi tần số đầu vào tính bằng Hertz và C là điện dung tính bằng Farad.
Ưu điểm chính của bộ chỉnh lưu cầu toàn sóng là nó có giá trị gợn sóng AC nhỏ hơn đối với một tải nhất định và bình chứa hoặc tụ điện làm mịn nhỏ hơn so với bộ chỉnh lưu nửa sóng tương đương. Do đó, tần số cơ bản của điện áp gợn sóng gấp đôi tần số nguồn cung cấp AC (100Hz), trong đó đối với bộ chỉnh lưu nửa sóng, nó chính xác bằng tần số nguồn cung cấp (50Hz).
Lượng điện áp gợn sóng được các điốt đặt lên trên điện áp nguồn DC có thể được loại bỏ hầu như bằng cách thêm bộ lọc π (bộ lọc pi) cải tiến hơn nhiều vào các đầu ra của bộ chỉnh lưu cầu. Loại bộ lọc thông thấp này bao gồm hai tụ điện làm mịn, thường có cùng giá trị và một cuộn cảm hoặc điện cảm chạy qua chúng để đưa đường trở kháng cao đến thành phần gợn sóng xen kẽ.
Một giải pháp thay thế thực tế hơn và rẻ hơn là sử dụng IC ổn áp 3 chân sẵn có, chẳng hạn như LM78xx (trong đó “xx” là viết tắt của định mức điện áp đầu ra) cho điện áp đầu ra dương hoặc nghịch đảo của nó tương đương với LM79xx cho điện áp âm. điện áp đầu ra có thể giảm gợn sóng hơn 70dB (datasheet) trong khi cung cấp dòng điện đầu ra không đổi trên 1 amp.
Xem thêm tại diencobacninh.com
