Mạch chỉnh lưu không điều khiển còn gọi là mạch chỉnh lưu Diode. Mạch sử dụng linh kiện chính là Diode để biến đổi điện AC [thông thường là điện lưới AC 220V, 60Hz] sang dòng điện xung một chiều. Trong thực tế để có được dòng điện một chiều “phẳng”, người ta gắn thêm các phần tử lọc như tụ điện. Tùy theo dạng điện áp DC yêu cầu và điện áp AC cung cấp mà ta có các dạng bố trí Diode. Phần này sẽ trình bày một số dạng mạch chỉnh lưu sử dụng Diode cơ bản
Chỉnh lưu một pha bán kì:
Hình 5.1 - Mạch chỉnh lưu một phase bán kì
Mạch điện chỉnh lưu một phase nửa kì cho trên Hình 5 .1. Trong nửa chu kì đầu, dòng điện xoay chiều dương phân cực thuận Diode, điện áp ngõ ra VOUT = Vin – VDiode [trong các tính toán ta bỏ qua rơi áp Diode vì nó quá nhỏ so với điện áp nguồn Vin]. Trong nửa chu kì sau, dòng điện đổi chiều phân cực ngược Diode, không có điện áp qua tải. Với tải điện trở, ta có dạng điện áp ngõ vào – ngõ ra như trên công thức tính giá trị trung bình và giá trị hiệu dụng:
Hình 5.2 - Điện áp ngõ vào – ngõ ra chỉnh lưu một phase bán kì tải R
Trong các ứng dụng yêu cầu dòng điện “phẳng” không nhấp nhô, người ta thêm vào mạch tụ lọc C như Hình 5 .3. Khi dòng điện nguồn làm Diode phân cực thuận, tụ điện nạp. Ngược lại, khi dòng điện nguồn đảo chiều làm Diode phân cực ngược, tụ điện xả.
Hình 5.3 – Chỉnh lưu bán kì với tụ lọc R
Tụ điện có dung lượng càng lớn thì dòng điện càng “phẳng”, tuy nhiên dòng nạp vào tụ sẽ càng lớn, làm dòng đỉnh IPEAK qua Diode lớn. [như Hình 5 .4]
Hình 5.4 - Đồ thị điện áp chỉnh lưu nửa kì một phase
Tại t2 điện áp tải cực đại Vr[t2] = VMAX. Tụ điện xả tới thời điểm t3 điện áp cực tiểu Vr[t3] = VMIN . Điện áp nhấp nhô. Từ đặc trưng nạp xả tụ ta có:
Khi C đủ lớn so với [t3 – t2], ta có thể xấp xỉ [khi
Tại thời điểm t = 0+ tụ bắt đầu nạp. Dòng điện qua tụ [và qua Diode] là:
Điện áp phân cực ngược mà Diode phải chịu là PIV = 2.VMAX
Ví dụ: Cho mạch điện chỉnh lưu một phase bán kì có tụ lọc C. Biết nguồn điện có VRMS =12.6V [60Hz]. Tải R=15Ω, C = 25000µF, rơi áp qua Diode là 1V. Tính giá trị điện áp DC ngõ ra VDC, điện áp nhấp nhô Vr, thời gian dẫn ∆T, dòng điện đỉnh lặp lại Ipeak và dòng điện đỉnh không lặp ISC của Diode.
Giải:
Nguồn điện hình sin có=
Điện áp một chiều ngõ ra xấp xỉ : =
Điện áp nhấp nhô =
Thời gian dẫn =
Dòng điện đỉnh lặp lại =
Dòng điện đỉnh không lặp=
Bài tập 1: Sử dụng phần mềm mô phỏng mạch điện sau
Bài tập 2: Cho mạch chỉnh lưu một phase nửa kì có nguồn vs[t] = 20sin[120π ] [V]; Tải R = 10KΩ, C = 100μF. Tính điện thế nhấp nhô Vr và điện áp DC ngõ ra? Biết rơi áp qua Diode là 1V?
Bài tập 3: Mạch nguồn DC sử dụng mạch chỉnh lưu một phase bán kì có đặc tính ngõ ra 5V, 25A. Độ nhấp nhô nhỏ hơn 2.5%. Giả thiết tụ lọc C được sử dụng và nguồn AC có tần số 60Hz.
[a] Giá trị tụ C tối thiểu bao nhiêu? [b] Điện áp AC nguồn là bao nhiêu?
[c] Dòng điện đỉnh lặp lại và không lặp lại của Diode là bao nhiêu?
Chỉnh lưu toàn kì tia hai phase:
Chỉnh lưu toàn kì tia hai phase sử dụng biến áp điểm giữa để tạo 2 phase ngược chiều nhau như hình. Hai phase này được chỉnh lưu bán kì để tạo thành dạng điện áp một chiều hình sin trong cả 2 nửa chu kì: Trong nửa chu kì đầu của áp nguồn AC1, dòng điện biến áp 2 dương, Diode 2 dẫn, dòng điện biến áp 3 âm, Diode 3 không dẫn – áp trên tải là áp dương hình nửa sin dương. Trong nửa chu kì sau, dòng điện đảo chiều Diode 3 dẫn và Diode 2 không dẫn – áp tren tải vẫn là áp dương hình nửa sin dương.
Hình 5.5 – Mạch nguyên lý chỉnh lưu toàn kì tia hai phase
[a] Không có tụ lọc
[b] Có tụ lọc
Hình 5.6 – Đồ thị điện áp chỉnh lưu toàn kì tia hai phase
Các đặc trưng dòng và áp của mạch tải thuần trở là:
Khi thêm tụ lọc C, thời gian xả của tụ điện nhỏ đi một nửa so với chỉnh lưu bán kì. Các phân tích tương tự như trên với thay đổi là chu kì điện áp ngõ ra bây giờ là T/2 [một nửa chu kì so với điện áp AC1].
Bài tập tương tự, mạch tạo nguồn điện âm tương tự
Trong mạch chỉnh lưu cầu một phase, các Diode được bố trí theo hình cầu. Khi điện áp nguồn dương vs>0, D2 và D3 dẫn điện, D1 và D4 ngưng dẫn. Dòng điện đi từ nguồn dương qua D2, qua tải, qua D3 rồi về nguồn âm – áp trên tải là áp nửa hình sin dương. Trong nửa chu kì tiếp theo của nguồn AC, dòng điện đảo chiều, D1 và D4 dẫn, D2 và D3 ngưng dẫn. Dòng điện đi từ nguồn dương qua D4, qua tải, qua D1 rồi về nguồn âm – áp trên tải là áp nửa hình sin dương. Chu kì dòng điện tải là T/2 [một nửa chu kì so với điện áp AC1].
Hình 5.7 – Mạch nguyên lý chỉnh lưu cầu một phase
[a] Không có tụ lọc
[b] Có tụ lọc
Hình 5.8 – Điện áp chỉnh lưu cầu một phase
Các đặc trưng dòng và áp trên tải thuần trở:
Khi thêm tụ lọc C, các đặc trưng dòng và áp cũng tương tự chỉnh lưu bán kì với chu kì là T/2:
Bảng tóm tắt đặc trưng các bộ chỉnh lưu điện một chiều
Thông số
Một pha bán kì
Toàn kì tia hai phase
Cầu một phase
Tụ lọc
[giảm ½]
[giảm ½]
Dòng đỉnh Diode [lặp lại]
[giảm ½]
[giảm ½]
Dòng đỉnh Diode [không lặp]
PIV
2VP
2VP
VP
Ưu điểm – khuyết điểm
Đơn giản
Sử dụng 2 Diode
Biến thế điểm giữa
Tụ điện nhỏ
Sử dụng 4 Diode
Tụ điện nhỏ
Bài tập1: Thiết kế mạch chỉnh lưu có tụ lọc C từ nguồn AC 220VRMS tạo nguồn DC 15V, điện áp nhấp nhô tối đa 1% khi dòng tải 2A. Bỏ qua rơi áp Diode.
Bài tập2: Phân tích mạch sau:
a] Vẽ dạng điện áp ngõ ra V1, V2 khi vI = 50sin377t và C=10000uF?
b] Mô phỏng mạch với C=100mF và vI = 35sin120πt, tải 500Ω nối từ ngõ ra V1, V2 xuống GND?
Tương tự mạch chỉnh lưu tia một phase, chỉnh lưu tia ba phase sử dụng mỗi Diode cho mỗi phase [như Hình 5 .9 . Các phase điện nguồn AC lệch nhau. Điện áp ngõ ra là điện áp của phase lớn nhất [tại mỗi thời điểm]: VO = uc ; VO = ua ; VO = ub ; VO = uc ;
Hình 5.9 – Mạch chỉnh lưu tia 3 phase
Để tăng chất lượng của nguồn DC của mạch chỉnh lưu, người ta còn dùng thêm vi mạch nguồn tuyến tính nối tiếp ở ngõ ra của mạch chỉnh lưu. Sơ đồ khối của bộ nguồn ổn áp tuyến tính như Hình 5 .10. Nguồn AC qua biến áp để thay đổi biên độ, qua bộ chỉnh lưu để lọc thành phần DC, rồi đến vi mạch ổn áp [LM78XX, LM79XX…] để lọc nhấp nhô và ổn định áp dưới sự thay đổi của dòng tải.
Cấu hình mạch này có đặc điểm là vi mạch ổn áp nối tiếp với tải, làm hiệu suất mạch rất thấp [có khi tới 40%]. Vì lý do này mà mạch nguồn tuyến tính thường được sử dụng cho nguồn công suất thấp. Tuy nhiên ưu điểm của nguồn tuyến tính là có ngõ ra đáp ứng tốt với tải, ít nhấp nhô và mạch ít tốn linh kiện [làm giá thành sản xuất thấp].
Hình 5.10 – Sơ đồ khối mạch ổn áp tuyến tính
Hình 5.11 – Mạch ổn áp tuyến tính đơn giản sử dụng vi mạch LM78XX
Để hiểu rõ hơn đặc điểm của mạch nguồn tuyến tính, ta xét ví dụ sau:
Điện áp ngõ vào 24V, điện áp ngõ ra 12V, dòng tải 1A. Tính hiệu suất của bộ nguồn.
Mạch nguồn tuyến tính : . => Hiệu suất phụ thuộc vào chênh áp giữa đầu vào và đầu ra.
Mạch nguồn xung => Hiệu suất phụ thuộc vào công suất đóng ngắt PSW.
Do rơi áp qua công tắt điện tử khi đóng và khi ngắt thường rất bé, nên hiệu suất bộ nguồn xung thường lớn hơn nguồn tuyến tính.