Mạch chỉnh lưu toàn sóng

Điốt (diode) công suất có thể được kết nối với nhau để tạo thành bộ chỉnh lưu sóng toàn sóng đầy đủ chuyển đổi điện áp xoay chiều thành điện áp DC xung để sử dụng trong các nguồn cung cấp điện.

Trong hướng dẫn Power Diodes trước đây, chúng tôi đã thảo luận về cách giảm các biến đổi gợn hoặc điện áp trên điện áp DC trực tiếp bằng cách kết nối các tụ điện cân bằng 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 cung cấp 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 khác. Mạch cho phép chúng ta thực hiện điều này được gọi là Bộ chỉnh lưu sóng toàn phần .

Giống như mạch chỉnh lưu 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. Chỉnh lưu sóng đầy đủ có một số lợi thế cơ bản so với các đối tác chỉnh lưu nửa sóng của chúng. Điện áp đầu ra trung bình (DC) cao hơn so với nửa sóng, đầu ra của bộ chỉnh lưu sóng toàn phần có độ gợn thấp hơn nhiều so với điện áp chỉnh lưu nửa sóng tạo ra dạng sóng đầu ra mượt mà hơn.

Trong mạch chỉnh lưu toàn sóng, hai điốt hiện đang được sử dụng, một cho mỗi nửa chu kỳ. Một máy biến áp cuộn dây được sử dụng có cuộn dây thứ cấp được chia đều thành hai nửa với một kết nối trung tâm chung, (C). Cấu hình này dẫn đến việc mỗi diode tiến hành lần lượt khi cực dương của nó dương với điểm trung tâm của máy biến áp C tạo ra một đầu ra trong cả hai chu kỳ, gấp đôi so với bộ chỉnh lưu nửa sóng nên hiệu suất 100% như dưới đây.

Mạch chỉnh lưu toàn sóng

Mạch chỉnh lưu sóng đầy đủ bao gồm hai điốt công suất được kết nối với một điện trở tải ( R _L ) với mỗi diode lần lượt lấy nó để cung cấp dòng cho tải. Khi điểm A của máy biến áp dương so với điểm C , diode D ₁ tiến hành theo hướng thuận như được chỉ ra bởi các mũi tên.

Khi điểm B dương (ở nửa âm của chu kỳ) so với điểm C , diode D ₂ dẫn theo hướng thuận và dòng điện chạy qua điện trở R cùng hướng cho cả hai nửa chu kỳ. Vì điện áp đầu ra trên điện trở R là tổng phasor 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 bộ phận với bộ tụ điện được loại bỏ.

Dạng sóng mô phỏng bộ phận

Khi không gian giữa mỗi nửa sóng được phát triển bởi mỗi diode hiện đang được lấp đầy bằng các diode khác với mức trung bình điện áp đầu ra DC qua điện trở tải tại là gấp đôi so với các đơn nửa sóng mạch chỉnh lưu và khoảng   0.637V _max   của điện áp cực đại, giả sử không có tổn thất.

Trong đó: V _MAX là giá trị cực đại tối đa trong một nửa của cuộn dây thứ cấp và V _RMS là giá trị rms.

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 một đầu ra điện áp DC khác nhau, có thể sử dụng các tỷ lệ biến áp khác nhau.

Nhược điểm chính của loại mạch chỉnh lưu toàn sóng này là một máy biến áp lớn hơn cho công suất đầu ra nhất định được yêu cầu với hai cuộn dây thứ cấp riêng biệt nhưng giống hệt nhau làm cho loại mạch chỉnh lưu toàn sóng này tốn kém so với mạch chỉnh lưu toàn cầu Cầu sóng .

Bộ chỉnh lưu cầu sóng đầy đủ

Một loại mạch khác tạo ra dạng sóng đầu ra giống như mạch chỉnh lưu sóng đầy đủ ở trên, đó là mạch chỉnh lưu Full Wave Bridge . Loại bộ chỉnh lưu một pha này sử dụng bốn điốt chỉnh lưu riêng lẻ được kết nối trong một cấu hình cầu vòng kín của nhà sản xuất để tạo ra đầu ra mong muốn.

Ưu điểm chính của mạch cầu này là không yêu cầu máy biến áp trung tâm đặc biệt, do đó giảm kích thước và chi phí. Cuộn dây thứ cấp đơn được kết nối với một bên của mạng cầu diode và tải sang phía bên kia như hình dưới đây.

Bộ chỉnh lưu cầu Diode

Bốn điốt có nhãn D ₁ đến D ₄ được sắp xếp theo cặp sê-ri các dòng, chỉ có hai điốt trong suốt nửa chu kỳ. Trong nửa chu kỳ tích cực của nguồn cung cấp, điốt D1 và D2 tiến hành nối tiếp trong khi điốt D3 và D4 bị phân cực ngược và dòng điện chạy qua tải như hình dưới đây.

Mạch chỉnh lưu nửa sóng (dương)

Trong nửa chu kỳ tiêu cực của nguồn cung cấp, điốt D3 và D4 tiến hành nối tiếp, nhưng điốt D1 và D2 chuyển đổi TẮT TẮT vì bây giờ chúng bị phân cực ngược. Dòng điện chạy qua tải vẫn cùng hướng như trước.

Mạch chỉnh lưu nửa sóng (âm)

Do dòng điện chạy qua tải là một chiều, do đó điện áp phát ra trên tải cũng là một chiều giống như đối với bộ chỉnh lưu toàn sóng hai diode trước đó, do đó điện áp DC trung bình trên tải là _{tối đa} 0,637V .

Cầu chỉnh lưu điển hình

Tuy nhiên, trong 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 là hai lần giảm điện áp (2 * 0,7 = 1,4V) so với biên độ V _MAX đầu vào . Tần số gợn hiện nay gấp đôi tần số 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 bộ chỉnh lưu cầu sóng đầy đủ, các bộ phận chỉnh lưu cầu được chế tạo sẵn có sẵn trên mạng trong một loạt các điện áp và kích cỡ hiện tại khác nhau có thể được hàn trực tiếp vào bảng mạch PCB hoặc được kết nối bằng đầu nối thuổng.

Hình ảnh bên phải cho thấy một bộ chỉnh lưu cầu một pha điển hình với một góc bị cắt. Góc cắt này chỉ ra rằng thiết bị đầu cuối gần góc nhất là thiết bị đầu ra dương hoặc + có đầu dẫn ngược (đường chéo) là đạo trình đầu ra âm hoặc -ve . Hai dây dẫn kết nối khác dành cho điện áp xoay chiều đầu vào từ cuộn dây thứ cấp máy biến áp.

Các tụ điện cân bằng

Chúng ta đã thấy trong phần trước rằng bộ chỉnh lưu nửa pha một pha tạo ra sóng đầu ra cứ sau nửa chu kỳ và việc sử dụng loại mạch này để tạo ra nguồn cung cấp DC ổn định là không thực tế. Tuy nhiên, bộ chỉnh lưu cầu sóng toàn phần mang lại cho chúng ta giá trị DC trung bình lớn hơn (0,637 Vmax) với độ gợn ít chồng hơn trong khi dạng sóng đầu ra gấp đôi tần số của tần số cung cấp 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 cân bằng để lọc dạng sóng đầu ra. Các tụ điện cân bằng hoặc hồ chứa được kết nối song song với tải trên đầu ra của mạch chỉnh lưu cầu sóng đầy đủ làm tăng mức đầu ra DC trung bình thậm chí cao hơn khi tụ hoạt động như một thiết bị lưu trữ như hình dưới đây.

Chỉnh lưu toàn sóng với tụ điện cân bằng

tụ điện cần bằng 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 bộ phận với các giá trị khác nhau của tụ điện được lắp đặt, chúng ta có thể thấy hiệu ứng của nó đối với dạng sóng đầu ra được chỉnh lưu như được hiển thị.

tụ điện cần bằng 5uF

Biểu đồ màu xanh trên dạng sóng cho thấy kết quả của việc sử dụng tụ điện cân bằng 5.0uF trên đầu ra của bộ chỉnh lưu. Trước đây, điện áp tải theo dạng sóng đầu ra được chỉnh lưu xuống 0 volt. Ở đây, tụ điện 5uF được nạp vào điện áp cực đại của xung DC đầu ra, nhưng khi nó giảm từ điện áp cực đại trở về 0 volt, tụ không thể phóng điện nhanh do hằng số thời gian RC của mạch.

Điều này dẫn đến việc tụ phóng điện xuống khoảng 3,6 volt, trong ví dụ này, duy trì điện áp trên điện trở tải cho đến khi tụ sạc lại một lần nữa trên độ dốc dương tiếp theo của xung DC. Nói cách khác, tụ điện chỉ có thời gian để phóng điện nhanh trước khi xung DC tiếp theo sạc lại cho giá trị cực đại. Do đó, điện áp DC áp dụng cho điện trở tải chỉ giảm một lượng nhỏ. Nhưng chúng ta có thể cải thiện điều này bằng cách tăng giá trị của tụ điện cân bằng như được hiển thị.

tụ điện cần bằng 50uF

Ở đây chúng tôi đã tăng giá trị của tụ điện cân bằng gấp mười lần từ 5uF lên 50uF, điều này đã làm giảm gợn tăng điện áp phóng tối thiểu từ 3,6 volt trước lên 7,9 volt. Tuy nhiên, bằng cách sử dụng Mạch mô phỏng bộ phận, chúng tôi đã chọn tải 1kΩ để đạt được các giá trị này, nhưng khi trở kháng tải giảm thì dòng tải tăng làm cho tụ phóng điện nhanh hơn giữa các xung sạc.

Hiệu quả của việc cung cấp một tải nặng với một tụ điện cân bằng hoặc tụ điện đơn có thể được giảm bằng cách sử dụng một tụ điện lớn hơn, dự trữ nhiều năng lượng hơn và thải ít hơn giữa các xung sạc. Thông thường đối với các mạch cấp nguồn DC, tụ điện cân bằng 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 nạp lên tụ điện đến điện áp cực đại.

Tuy nhiên, có hai tham số quan trọng cần xem xét khi chọn tụ điện cân bằng 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 lượng gợn sẽ xuất hiện đặt trên đỉnh của điện áp DC.

Giá trị điện dung quá thấp và tụ điện ít ảnh hưởng đến dạng sóng đầu ra. Nhưng nếu tụ điện cân bằng đủ lớn (có thể sử dụng tụ song song) và dòng tải không quá lớn, điện áp đầu ra sẽ gần như mịn như DC thuần. Theo nguyên tắc chung, chúng tôi đang mong muốn có điện áp gợn từ dưới 100mV đến cực đại.

Điện áp gợn tối đa hiện tại cho mạch Chỉnh lưu sóng toàn phần không chỉ được xác định bởi giá trị của tụ điện cân bằng mà bởi tần số và dòng tải, và được tính như sau:

Cầu chỉnh lưu điện áp Ripple

Trong đó: I là dòng tải DC tính bằng ampe, ƒ là tần số của gợn hoặc gấp đôi tần số đầu vào tính bằng Hertz và C là điện dung trong Farads.

Ưu điểm chính của bộ chỉnh lưu cầu sóng toàn phần là nó có giá trị gợn AC nhỏ hơn cho một tải nhất định và một bể chứa nhỏ hơn hoặc tụ điện cân bằng hơn bộ chỉnh lưu nửa sóng tương đương. Do đó, tần số cơ bản của điện áp gợn là hai lần tần số cung cấp AC (100Hz) trong đó đối với bộ chỉnh lưu nửa sóng, nó chính xác bằng tần số cung cấp (50Hz).

Lượng điện áp gợn được đặt chồng lên trên điện áp nguồn DC bằng các điốt có thể được loại bỏ hầu như bằng cách thêm bộ lọc π cải tiến ( bộ lọc pi) vào các đầu ra của bộ chỉnh lưu cầu. Loại bộ lọc thông thấp này bao gồm hai tụ điện cân bằng, thường có cùng giá trị và cuộn cảm hoặc điện cảm trên chúng để đưa ra đường trở kháng cao cho thành phần gợn xen kẽ

Một lựa chọn khác thực tế và rẻ hơn là sử dụng IC điều chỉnh điện áp 3 cực, chẳng hạn như LM78xx (trong đó, xx, viết tắt của xếp hạng điện áp đầu ra) cho điện áp đầu ra dương hoặc nghịch đảo tương đương với LM79xx cho âm điện áp đầu ra có thể giảm gợn hơn 70dB (Bảng dữ liệu) trong khi cung cấp dòng điện đầu ra không đổi trên 1 amp.

Tại sao không kiểm tra kiến ​​thức của bạn về các mạch chỉnh lưu sóng đầy đủ bằng cách sử dụng Công cụ mô phỏng bộ phận ngay hôm nay. Hãy thử các giá trị khác nhau của tụ điện cân bằng và điện trở tải trong mạch của bạn để xem các hiệu ứng trên dạng sóng đầu ra.

Trong hướng dẫn tiếp theo về điốt, chúng ta sẽ xem xét Diode Zener tận dụng đặc tính điện áp đánh thủng ngược của nó để tạo ra điện áp đầu ra không đổi và cố định trên chính nó.