Trong điện tử, chỉnh lưu là một quá trình trong đó một diode chỉnh lưu chuyển đổi tín hiệu đầu vào xoay chiều toàn chu kỳ thành tín hiệu đầu ra DC nửa chu kỳ.

Một diode duy nhất tạo ra chỉnh lưu nửa sóng và mạng lưới 4 điốt tạo ra chỉnh lưu toàn sóng

Trong bài đăng này, chúng tôi sẽ phân tích cả quá trình chỉnh lưu diode nửa sóng và toàn sóng, và các đặc tính khác thông qua các chức năng thay đổi theo thời gian như sóng sin và sóng vuông. Có nghĩa là, thông qua điện áp và dòng điện thay đổi độ lớn và cực tính của chúng theo thời gian.

Chúng tôi sẽ coi diode là một diode lý tưởng bằng cách bỏ qua nó là diode silicon hay Germanium, để giảm thiểu các biến chứng trong tính toán. Chúng tôi sẽ coi diode là một diode chỉnh lưu tiêu chuẩn với khả năng chỉnh lưu tiêu chuẩn.

Chỉnh lưu nửa sóng

Sơ đồ đơn giản nhất cho thấy một tín hiệu thay đổi theo thời gian được áp dụng cho một diode được hiển thị trong sơ đồ sau:

Ở đây chúng ta có thể thấy một dạng sóng AC, trong đó chu kỳ T biểu thị một chu kỳ đầy đủ của dạng sóng, là giá trị trung bình hoặc tổng đại số của các phần hoặc các bướu ở trên và dưới trục trung tâm.

Đây là loại mạch trong đó một điốt chỉnh lưu đơn được áp dụng với đầu vào tín hiệu xoay chiều hình sin thay đổi theo thời gian để tạo ra đầu ra DC có giá trị bằng một nửa đầu vào được gọi là bộ chỉnh lưu nửa sóng . Diode được coi là bộ chỉnh lưu trong mạch này.

Trong khoảng thời gian từ t = 0 → T / 2 của dạng sóng xoay chiều, cực của điện áp vi tạo ra một 'áp suất' theo hướng như được mô tả trong sơ đồ dưới đây. Điều này cho phép diode chuyển sang BẬT và dẫn với cực tính như được chỉ ra ngay trên biểu tượng diode.

Vì diode đang dẫn điện hoàn toàn, việc thay thế diode bị đoản mạch sẽ tạo ra một đầu ra như trong hình bên phải ở trên.

Không nghi ngờ gì nữa, đầu ra được tạo dường như là một bản sao chính xác của tín hiệu đầu vào được áp dụng phía trên trục trung tâm của dạng sóng.

Trong khoảng thời gian T / 2 → T, cực tính của tín hiệu đầu vào vi trở nên âm, điều này làm cho diode TẮT, dẫn đến hiện tượng hở mạch tương đương trên các cực của diode. Do đó, điện tích không thể chạy qua đường diode trong khoảng thời gian T / 2 → T, khiến vo là:

vo = iR = 0R = 0 V (sử dụng định luật Ohm). Phản hồi có thể được hình dung trong sơ đồ sau:

Trong biểu đồ này, chúng ta có thể thấy đầu ra một chiều Vo từ diode tạo ra một vùng dương trung bình thuần phía trên trục, cho chu kỳ đầy đủ đầu vào, có thể được xác định bằng công thức:

Vdc = 0,318 Vm (nửa sóng)

Điện áp đầu vào vi và đầu ra vo trong quá trình chỉnh lưu nửa sóng của diode được trình bày trong hình sau:

Từ các sơ đồ và giải thích trên, chúng ta có thể định nghĩa chỉnh lưu nửa sóng là một quá trình trong đó một nửa chu kỳ đầu vào bị diode loại bỏ ở đầu ra của nó.

Sử dụng Diode Silicon

Khi một diode silicon được sử dụng làm diode chỉnh lưu, vì nó có đặc tính giảm điện áp thuận là VT = 0,7 V, nó tạo ra một vùng phân cực thuận như thể hiện trong hình sau:

VT = 0,7 V có nghĩa là bây giờ tín hiệu đầu vào ít nhất phải là 0,7 V để đảm bảo diode BẬT thành công. Trong trường hợp đầu vào VT nhỏ hơn 0,7 V sẽ không thể BẬT diode và diode sẽ tiếp tục ở chế độ hở mạch, với Vo = 0 V.

Trong khi diode dẫn trong quá trình chỉnh lưu, nó tạo ra một đầu ra DC mang mức điện áp cố định đối với sự chênh lệch điện áp vo - vi, bằng mức sụt giảm phía trước đã thảo luận ở trên là 0,7 V. Chúng ta có thể biểu thị mức cố định này bằng công thức sau:

vo = vi - VT

Điều này tạo ra sự giảm điện áp đầu ra trung bình phía trên trục, gây ra giảm nhẹ thực tế của đầu ra được chỉnh lưu từ diode.

Tham khảo hình trên, nếu chúng ta coi Vm (mức tín hiệu đỉnh) là cao hơn VT tương ứng, sao cho Vm >> VT, chúng ta có thể đánh giá giá trị đầu ra DC trung bình từ diode bằng công thức sau, khá chính xác.

Vdc ≅ 0,318 (Vm - VT)

Chính xác hơn, nếu đỉnh AC đầu vào đủ cao hơn VT (giảm phía trước) của diode, thì chúng ta chỉ cần sử dụng công thức trước để ước tính đầu ra DC được chỉnh lưu từ diode:

Vdc = 0,318 Vm

Ví dụ đã giải quyết cho bộ chỉnh lưu nửa cầu

Vấn đề:

Đánh giá đầu ra vo và tìm ra cường độ DC của đầu ra cho thiết kế mạch được hiển thị bên dưới:

Giải pháp: Đối với mạng mạch ở trên, diode sẽ BẬT cho phần âm của tín hiệu đầu vào, và vo sẽ như được chỉ ra trong hình sau.

Trong toàn bộ chu kỳ AC đầu vào, đầu ra DC sẽ là:

Vdc = 0,318Vm = - 0,318 (20 V) = - 6,36 V

Dấu âm cho biết cực của DC đầu ra ngược với dấu được cung cấp trong sơ đồ dưới bài toán.

Vấn đề số 2: Giải quyết vấn đề trên coi diode là diode silicon.

Trong trường hợp của một diode silicon, dạng sóng đầu ra sẽ giống như sau:

“bộ sạc điện thoại hoạt động như thế nào ”

Và DC đầu ra có thể được tính toán như giải thích bên dưới:

Vdc ≅ - 0,318 (Vm - 0,7 V) = - 0,318 (19,3 V) ≅ - 6,14 V

Sự sụt giảm điện áp DC đầu ra do yếu tố 0,7 V là khoảng 0,22V hoặc khoảng 3,5%

Chỉnh lưu toàn sóng

Khi tín hiệu hình sin AC được sử dụng làm đầu vào để chỉnh lưu, đầu ra DC có thể được cải thiện đến mức 100% bằng cách sử dụng quy trình chỉnh lưu toàn sóng.

Quá trình nổi tiếng và dễ dàng nhất để đạt được điều này là sử dụng 4 diode chỉnh lưu cầu mạng như hình bên dưới.

Khi chu kỳ đầu vào tích cực tiến triển trong khoảng thời gian t = 0 đến T / 2, cực tính của tín hiệu AC đầu vào qua diode và đầu ra từ diode được biểu diễn dưới đây:

Ở đây, chúng ta có thể thấy rằng do sự sắp xếp đặc biệt của mạng diode trong cầu, khi D2, D3 dẫn, các diode đối diện D1, D4 vẫn bị phân cực ngược và ở trạng thái TẮT chuyển mạch.

DC đầu ra ròng được tạo ra từ quá trình chỉnh lưu này thông qua D2, D3 có thể được nhìn thấy trong sơ đồ trên. Vì chúng ta đã tưởng tượng các điốt là lý tưởng, đầu ra là vo = vin.

Bây giờ, tương tự như vậy đối với nửa chu kỳ âm của các điốt tín hiệu đầu vào D1, D4 dẫn và điốt D2, D3 chuyển sang trạng thái TẮT, như được minh họa bên dưới:

Chúng ta có thể thấy rõ rằng đầu ra từ bộ chỉnh lưu cầu đã chuyển đổi cả nửa chu kỳ dương và âm của AC đầu vào thành hai nửa chu kỳ DC phía trên trục trung tâm.

Vì vùng này phía trên trục bây giờ nhiều hơn hai lần so với vùng thu được khi chỉnh lưu nửa sóng, DC đầu ra cũng sẽ tăng gấp đôi độ lớn, như được tính theo công thức sau:

Vdc = 2 (0,318Vm)

hoặc là

Vdc = 0,636Vm (toàn sóng)

Như được mô tả trong hình trên, nếu thay vì sử dụng điốt lý tưởng, người ta sử dụng điốt silicon, áp dụng định luật điện áp Kirchhoff trên đường dây dẫn sẽ cho chúng ta kết quả sau:

vi - VT - vo - VT = 0 và vo = vi - 2VT,

Do đó, điện áp đỉnh đầu ra vo sẽ là:

Vomax = Vm - 2VT

Trong tình huống V >> 2VT, chúng ta có thể sử dụng phương trình trước đó để lấy giá trị trung bình với độ chính xác cao hợp lý:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm - 2VT),

Tuy nhiên, một lần nữa, nếu chúng ta có Vm cao hơn đáng kể so với 2VT, thì 2VT có thể bị bỏ qua một cách đơn giản và phương trình có thể được giải như:

Vdc ≅ - 0,636 (Vm)

PIV (Điện áp nghịch đảo đỉnh)

Điện áp nghịch đỉnh hoặc định mức (PIV) đôi khi còn được gọi là định mức điện áp ngược đỉnh (PRV) của một diode trở thành một tham số quan trọng trong khi thiết kế mạch chỉnh lưu.

Về cơ bản, phạm vi điện áp phân cực ngược của diode không được vượt quá, nếu không diode có thể bị hỏng bằng cách chuyển tiếp vào một vùng được gọi là vùng tuyết lở zener.

Nếu chúng ta áp dụng định luật điện áp của Kirchhoff cho mạch chỉnh lưu nửa sóng như hình dưới đây, nó giải thích đơn giản rằng định mức PIV của một diode phải cao hơn giá trị đỉnh của đầu vào nguồn cung cấp được sử dụng cho đầu vào chỉnh lưu.