bài giảng điện tử công nghiệp, chương 6 ppsx

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)
11
Hệ số này xác
đ
ị
nh
bởi hệ số nhiệt độ của điện áp đánh
thủng chuyển tiếp p-n. Sự phụ thuộc của điện áp ổn
đ
ị
nh
vào
nhiệt độ có
d
ạ
ng
U

z
= U
zo
[1 +
θ
T
(T - T
o
)] (2-
36) Trong đó: U
zo
là điện áp ổn
đ
ị
nh
của điôt Zener ở
nhiệt độ T
o
Hệ số nhiệt độ θ
t
có giá
tr
ị
âm nếu hiện tượng đánh thủng
chủ yếu do hiệu
ứ
ng
Zener gây ra. Nó có giá
tr
ị

dương nếu hiện
tượng đánh thủng chủ yếu do hiện t
ượ
ng
thái lũ gây ra.
12
Hệ số nhiệt dương của đlôt Zener có thể bù trừ cho hệ số
nhiệt độ âm của
đ
iô
t
ch
ỉ
nh
lưu ở nhiệt độ thông thường và có
hệ số nhiệt của cả tổ hợp có thể đạt
đ
ế
n
0,0005%/
O
C.
Cần chú ý là hệ số nhiệt độ của điện áp ổn
đ
ị
nh
tại một giá
tr
ị
điện áp nào

đ
ó
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
hi
ệ
u
ứng
này lại ngược dấu cho nên có chỗ chúng triệt tiêu lẫn nhau. Đây
là một đặc
đ
i
ể
m
rất đáng quý,
ch
ỉ
xuất 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
ch
ỉ
nh
lưu” qua
13
mô

ph
ỏ
ng
14