1 chương 6: Mạch ch ỉ nh lưu c ầ u Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý mạch ch ỉ nh lưu c ầ u Mạch điện nguyên lí của bộ ch ỉ nh lưu cầu cho trên hình 2.8b, trong đó của gồm 4 van điôt đã được kí hiệu thu gọn: nếu vẽ đầy đủ cầu ch ỉ nh lưu ta có hình 2.10. Trong từng nửa chu kì của điện áp thứ cấp U 2 , một cặp van có anôt dương nhất và katôt âm nhất mở, cho dòng một chiều ra R t , cặp van còn lại khóa và ch ị u một điện áp ngược cực đại bằng biên độ U 2m . Ví dụ ứng với nửa chu kì dương của U 2 , cặp van D 1 D 3 mở, D 2 D 4 khóa. Rõ ràng điện áp ngược cực đại đặt lên van lúc khóa có giá t r ị bằng một nửa so với trường hợp bộ ch ỉ nh lưu hai nửa chu kì dùng hai điôt đã xét trên, đây là ưu điểm quan trọng nhất của sơ đồ cầu. Ngoài ra, kết cấu thứ cấp của biến áp nguồn đơn giản hơn. Các tham số chính của mạch là: • Điện áp 1 chiều lúc vào hở mạch R t . 2 D U rao = 2U 2 − 2U D (2-22) Với U D là điện áp thuần trên các van m ở . • Điện áp 1 chiều lúc có tải R t : U ra ∞ = U rao ( 1 − R i /2R v ) (2-23) Với R i là nội trở tương đương của nguồn xoay chi ề u R i = [(U 2o /U 2 ) – 1] U 2 / I 2 các giá tr ị U 2 I 2 là điện áp và dòng điện cuộn thứ cấp bi ế n áp. R V là điện trở tương đương của tải R v = U ra ∞ / I ra • Công suất danh đ ị nh của biến áp ngu ồ n P ba = 1,2 I ra ( U ra ∞ + 2U D ) (2-24) Điện áp ngược cực đại trên van khóa: U ngcmax = 2U 2 = ( π / 2 ) U ra0 (2-15) Khi có tải điện dung, mạch làm việc ở chế độ xung liên quan tới thời gian phóng của tụ C lúc các van đều khóa và thời gian nạp lúc một cặp van mở giống như đ ã phân tích với mạch ch ỉ nh lưu hai nửa chu kì. Lúc đó, dòng điện xung qua cặp van m ở nạp cho tụ C là: I = U rao − U ra ∞ = R i U ra o 2.R i R v (2-26) Có phụ thuộc vào nội trở R i của nguồn xoay chiều và càng lớn khi R i càng nh ỏ . Điện áp ra tối thiểu lúc này xác đ ị nh b ở i : U ramin = U ra ∞ - 2U gs max / 3 (2- 27) Trong đó U gsmax là điện áp gợn sóng cực đ ạ i : U gs max = I ra ( 1- 4 R i / 2R v ) (2-28) Mạch hình 2.8c cho phép nhận được 1 điện áp ra 2 cực tính đối xứng với đ i ể m chung, có thể phân tích như hai mạch hình 2.8a làm việc với 2 nửa thứ cấp của bi ế n áp nguồn có điểm giữa nối đ ấ t. Mạch hình 2.8d cho phép nhận được điện áp 1 chiều có giá tr ị gấp đôi điện áp ra trong các mạch đã xét trên và có tên là mạch ch ỉ nh lưu bội áp. Ở nửa chu kì đầu (n ử a 3 chu kì âm) của U 2 , van D 1 mở nạp cho tụ C 1 tới điện áp U c1 ≈ U 2m = 2 U 2 . Ở nửa chu kì tiếp sau (nửa chu kì dương) D 2 mở và điện áp nạp cho tụ C 2 có giá tr ị đ ỉ nh : U c2 ≈ U c1 + U 2m ≈ U 2m = 2 2 U 2 Nếu để ý các điều kiện thực tế (khi độ lớn của C 1 , hữu hạn) giá tr ị điện áp 1 chi ề u sau bộ ch ỉ nh lưu bội áp có độ lớn cỡ hai lần giá tr ị này ở bộ ch ỉ nh lưu cầu tải đ i ệ n dung. Ngoài ứng dụng trong các mạch ch ỉ nh lưu như đã kể trên, điôt còn được sử d ụ ng trong lĩnh vực ch ỉ nh lưu công suất l ớ n . b- Các mạch ghim Một ứng dụng điển hình khác của điốt bán dẫn là sử dụng trong các mạch ghim (mạch hạn chế biên độ ) . 4 Hình 2.11: Các mạch hạn chế nối t i ế p Hình 2.11 là các mạch hạn chế nối tiếp (Điôt hạn chế mắc nối tiếp với mạch t ả i) . Xét trong trường hợp đơn giản khi U vào là một điện áp hình sin không có thành phần 1 chiều và giả thiết điôt là lí tưởng (ngưỡng mở khóa xảy ra tại giá tr ị điện áp giữa 2 cực của nó bằng không U đ = 0). Khi U d ≥ 0 điôt mở và điện áp ra b ằ ng : = R + R th + R ng (2-30) U r a1 R + R th U v + R ng R + R th E + R ng Với R th là giá tr ị trung bình của điện trở thuận điôt, R ng là điện trở trong của ngu ồ n U vào Khi U đ < 0 điôt khóa điện áp ra b ằ ng : = R + R ngc + R ng (2-31) U r a2 R + R ngc U v + R ng R + R ngc E + R ng Với R ngc là giá tr ị trung bình của điện trở ngược đ iô t. Nếu thực hiện điều kiện R th + R ng << R << R ngc + R ng thì R ≈ 0 và R + R ngc + R ng R ≈ 1 R + R th + R ng Do đó U ra1 = U vào , U ra2 ≈ E Điều kiện U đ = 0 xảy ra khi U vào = E nên ngưỡng hạn chế của mạch bằng E. Tức là với mạch hạn chế trên (a) thực hiện điều ki ệ n : 5 Khi U v ≥ E , U đ < 0 có U ra2 = E khi U v < E , U đ > 0 có U ra1 = U vào mạch hạn chế dưới (c) có: Khi U v ≥ E , U đ > 0 có U ra1 = U vào khi U v < E , U đ < 0 có U ra2 = E Khi thay đổi giá tr ị E ngưỡng hạn chế sể thay đổi trong một dải rộng từ - U vmax < E < U vmax với U vmax và biên độ của điện áp vào. 6 Trường hợp riêng khi chọn E = 0 ta có mạch hạn chế mức 0 (mạch ghim lấy 1 c ự c tính của tín hiệu vào hay mạch ch ỉ nh lưu nửa chu kỳ đã xét t r ướ c) . Cũng có thể mắc điốt song song với mạch ra như hình 2. 12 lúc đó ta có mạch h ạ n chế kiểu song song. Từ điều kiện: R th ≤ R o ≤ R t ≤ R ngc có Với mạch hình 2.12a Khi U v ≥ E , U đ > 0 có U ra = E khi U v < E , U đ < 0 có U ra = U vào mạch hạn chế 2.12b có: Khi U v ≥ E , U đ < 0 có U ra = U vào khi U v < E , U đ > 0 có U ra = E Hình 2.12: Các mạch hạn chế trên (a) và mạch hạn chế dưới (b) Lưu ý rằng nếu để ý đến ngưỡng mở của điôt thực thể (loại Si cỡ + 0,6V và lo ạ i Ge cỡ + 0,3V) thi ngưỡng hạn chế của các mạch trên b ị thay đổi đi 1 giá tr ị tương ứ ng với các mức này. c - Ổn đ ị nh điện áp bằng điốt Zener Điốt ổn áp làm việc nhờ hiệu ứng thác lũ của chuyển tiếp p-n khi phân cực ng ượ c . Trong các điôt thông thường hiện tượng đánh thủng này sẽ làm hỏng điôt, nh ư ng trong các điốt ổn đ ị nh do được chế tạo đặc biệt và khi làm việc mạch ngoài có điện t r ở hạn chế dòng ngược (không cho phép nó tăng quá dòng ngược cho phép) nên đ iô t luôn làm việc ở chế độ đánh thủng nhưng không hỏng. Khác với điôt thông dụng, các điôt ổn đ ị nh công tác ở chế độ phân cực ngược. Những tham số kĩ thuật của đ iô t Zener là: - Điện áp ổn đ ị nh Uz (điện áp Zener) là điện áp ngược đặt lên điốt làm phát sinh ra hiện tượng đánh thủng. Trên thực tế đối với mọi điốt ổn áp ch ỉ có một khoảng rất h ẹ p mà nó có thể ổn đ ị nh 7 z được. Khoảng này b ị giới hạn một mặt bởi khoảng đặc t uy ế n của điôt từ phạm vi dòng bão hòa sang phạm vi đánh thủng làm dòng tăng đột ngột và bởi công suất tiêu hao cho phép hay dòng cực đại cho phép. - Điện trở động r dz của điốt Zener được đ ị nh nghĩa là độ dốc đặc tuyến tĩnh của điốt t ạ i điểm lâm vi ệ c . dU r = 2 (2-32) dz dI 8 Hình 2.13: Khảo sát ổn áp bằng diốt Zener Căn cứ vào (2-32) có thể thấy rằng độ đốc của đặc tuyến ở phần đánh thủng có tác dụng quyết đ ị nh đến chất lượng ổn đ ị nh của điốt. Khi điện trở động bằng không (lúc đó phần đặc tuyến đánh thủng song song với trục tung) thì sự ổn đ ị nh điện áp đ ạ t tới mức lí t ưở ng . Như hình 2.13a, để thực hiện chức năng ổn đ ị nh người ta thường mắc nối t i ế p với điôt Zener một điện trở và tác dụng ổn đ ị nh được chứng minh bằng đồ th ị trên hình 2.13b. Có thể thiết lập quan hệ hàm số giữa điện trở động và điện áp ổn đ ị nh của đ iô t. Ví dụ đối với đlôt Zener Si, công suất tiêu hao 0,5W có dạng đồ th ị như hình 2.13c. T ừ đồ th ị này thấy điện trở động cực tiểu khi điện áp vào khoảng 6 đến 8V. Trong kho ả ng điện áp này xuất hiện đồng thời hiện tượng đánh thủng Zener và đánh thủng thác l ũ làm cho dòng ngược tăng lên đột ng ộ t. Điện trở tĩnh R t được tính bằng t ỉ số giữa điện áp đặt vào và dòng điện đi qua đ iô t . R t = U Z / I Z (2-33) Dòng điện và điện áp kể trên được xác đ ị nh từ điểm công tác 9 của điôt (h.2.13b). Điện trở tĩnh phụ thuộc rất nhiều vào dòng chảy qua đ iô t. 10 Hệ số ổn đ ị nh được đ ị nh nghĩa bằng t ỉ số giữa các biến đổi tương đối của dòng điện qua điôt và điện áp rơi trên điôt do dòng này gây ra: Z = (dI z / I z ) (dU z / U z ) = R / r dz = R t / r dz (2-34) I V Hình 2.14:Bù nhiệt dùng hai điôt Hình 2.15: Đặc tuyến bù nhi ệ t Chúng ta thấy hệ số này chính bằng t ỉ số giữa điện trở tĩnh và điện trở động t ạ i điểm công tác của đ iô t. Để đạt hệ số ổn đ ị nh cao, với một sự biến đối đòng điện qua điôt đã cho t r ướ c , điện áp rơi trên điôt (do dòng này gây ra) phải biến đổi nhỏ nhất. Các điôt ổn đ ị nh Si thường có Z ≥ 100. Trở kháng ra của mạch ổn đ ị nh cũng là một thông số chủ y ế u đánh giá chất lượng của m ạ ch : R ra = ∆ U ra / ∆ I ra Ở đây ∆ U ra là gia số của điện áp ra, gây ra bởi gia số ∆ I ra của dòng t ả i . Rõ ràng t ỉ số vế phải càng nhỏ thì chất lượng mạch ổn đ ị nh càng cao, vì thế các mạch ổn đ ị nh dùng điốt Zener có điện trở ra càng nhỏ càng tốt. (Điều này phù hợp v ớ i vai trò một nguồn điện áp lí t ưở ng) . - Hệ số nhiệt độ của điện áp ổn đ ị nh θ t , hệ số này cho biết sự biến đổi tương đối c ủ a điện áp ổn đ ị nh khi nhiệt độ thay đổi 1 o C : θ t =(1 / U z )(du z / dt) | lz = const (2-35) [...]...Hệ số này xác định bởi hệ số nhiệt độ của điện áp đánh thủng chuyển tiếp p-n Sự phụ thuộc của điện áp ổn định vào nhiệt độ có dạng Uz = Uzo [1 + θT (T - To)] (2 36) Trong đó: Uzo là điện áp ổn định của điôt Zener ở nhiệt độ To Hệ số nhiệt độ θt có giá trị âm nếu hiện tượng đánh thủng chủ yếu do hiệu ứng Zener gây... 0,0005%/OC Cần chú ý là hệ số nhiệt độ của điện áp ổn định tại một giá trị điện áp nào đó trong khoảng từ 5 đến 7V, bằng 'không Sở dĩ như vậy là vì trong khoảng nhiệt độ này tồn tại cả hai hiện tượng đánh thủng là Zener và thác lũ mà hệ số nhiệt của hai hiệu ứng này lại ngược dấu cho nên có chỗ chúng triệt tiêu lẫn nhau Đây là một đặc điểm rất đáng quý, chỉ xuất hiện tại đểm công tác của từng điôt Zener trong... hiện tại đểm công tác của từng điôt Zener trong khoảng từ 5 đến 7V Trên hình 2.15 trình bày đặc tuyến của 3 điôt đo ở hai nhiệt độ khác nhau Những vòng tròn đánh đấu điểm công tác của điôt tại đó hệ số nhiệt bằng không Thực hiện bài thực tập về “Khảo sát mạch chỉnh lưu” qua 12 mô phỏng 13 14 . đột ng ộ t. Điện trở tĩnh R t được tính bằng t ỉ số giữa điện áp đặt vào và dòng điện đi qua đ iô t . R t = U Z / I Z (2-33) Dòng điện và điện áp kể trên được xác đ ị nh từ điểm công tác 9 của. đối với đlôt Zener Si, công suất tiêu hao 0,5W có dạng đồ th ị như hình 2.13c. T ừ đồ th ị này thấy điện trở động cực tiểu khi điện áp vào khoảng 6 đến 8V. Trong kho ả ng điện áp này xuất hiện. giá tr ị U 2 I 2 là điện áp và dòng điện cuộn thứ cấp bi ế n áp. R V là điện trở tương đương của tải R v = U ra ∞ / I ra • Công suất danh đ ị nh của biến áp ngu ồ n P ba = 1,2 I ra ( U ra ∞ + 2U D ) (2-24) Điện