Vì sao phải dùng mạch chỉnh lưu

Ở các bài trước chúng ta đã tìm hiểu chi tiết về diode bán dẫn. Trong đó ứng dụng thông dụng và quan trọng nhất của diode bán dẫn là sử dụng trong mạch chỉnh lưu. Vậy mạch chỉnh lưu là gì, cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phân loại, chức năng của mạch chỉnh lưu là gì. Hãy cùng nhau tìm hiểu ở bài viết dưới đây.

I. Mạch chỉnh lưu là gì

Mạch chỉnh lưu là mạch điện dùng để biến đổi từ điện xoay chiều thành điện một chiều. Dòng điện trước khi chỉnh lưu trong mạch chỉnh lưu cầu là dòng điện xoay chiều. Dòng điện sau chỉnh lưu là dòng điện một chiều.

Mạch chỉnh lưu là gì

Công suất của các bộ chỉnh lưu có thể từ vài trăm W đến hàng chục MW.

>>> Xem thêm: 10 Mạch chỉnh lưu có điều khiển dùng SCR

II. Chức năng của mạch chỉnh lưu

Hiện nay mạch chỉnh lưu xuất hiện ở khắp nơi trong đời sống và trong công nghiệp. Từ những thiết bị trong gia đình như bộ sạc điện thoại, ti vi, máy lạnh cho đến các thiết bị công nghiệp như máy hàn, biến tần, khởi động mềm Do đó một số chức năng chính của mạch chỉnh lưu có thể kể ra là:

+ Được áp dụng làm nguồn điện áp một chiều, làm nguồn điện một chiều có điều khiển cho các thiết bị mạ, hàn một chiều.

+ Nguồn điện cho các động cơ điện một chiều, nguồn cung cấp cho mạch kích từ của máy điện một chiều hoặc máy điện đồng bộ.

+ Dùng trong các bộ chuyển đổi điện xoay chiều thành dạng một chiều để truyền tải đi xa.

+ Chức năng của mạch chỉnh lưu dùng trong các thiết bị biến tần Inverter để dùng cho truyền động điện động cơ xoay chiều.

>>> Xem thêm:

Tìm hiểu về 4 chức năng mạch chỉnh lưu

II. 10 mạch chỉnh lưu không điều khiển dùng diode

1. Mạch chỉnh lưu 1 pha là gì

a. Chỉnh lưu nửa sóng (một bán kỳ)

Chỉnh lưu nửa sóng với tải thuần trở

Mạch chỉnh lưu nửa sóng sẽ dùng 1 diode mắc nối tiếp với tải. Thiết kế mạch điện như trong hình vẽ, sử dụng nguồn điện áp hình Sin có giá trị hiệu dụng là 220V và tần số 50 Hz, tải có giá trị điện trở R =10 Ohm . Nguyên lý hoạt động của mạch như sau:

+ Ở bán kỳ dương: Vs > 0 nên UAK > 0 diode dẫn, điện áp trên tải bằng với điện áp nguồn Vo = Vs.

+ Ở bán kỳ âm: Vs < 0 dẫn đến diode không dẫn, mạch hở nên điện áp tải bằng 0.

Từ mô phỏng hoặc tính toán ta sẽ có được giá trị điện áp trung bình của tải là Vo = 98V, và Io = Vo/R = 9,8A.

Mạch chỉnh lưu nửa sóng tải thuần trở là gì

Chỉnh lưu nửa sóng với tải có tính cảm

Trường hợp giả sử tải có tính cảm R = 10Ohm, L = 0,1H. Nguyên lý mạch hoạt động như sau:

+ Ở bán kỳ dương: Vs > 0, diode dẫn nên áp tải bằng với áp nguồn Vo = Vs. Dòng điện lúc này trể pha so với điện áp.

+ Ở bán kỳ âm: Vs < 0, diode phân cực ngược không dẫn điện, nhưng do tải có tính cảm nên sinh ra một dòng điện cùng chiều với dòng ban đầu. Dòng điện này làm diode dẫn, do đó Vo = Vs cho đến khi cuộn giải phóng hết năng lượng thì diode ngưng dẫn Vo = 0V và dòng điện Io = 0A.

Từ mô phỏng hoặc tính toán ta có giá trị trung bình điện áp của tải bằng Vo = 53,5V và Io = 5,37A. Qua đó ta nhận xét mạch chỉnh lưu nửa sóng có nhược điểm là vẫn xuất hiện điện áp âm trên tải có tính cảm. Giá trị trung bình điện áp và dòng điện giảm.

Chỉnh lưu nửa sóng với mạch có tính cảm

b. Chỉnh lưu hai nửa chu kỳ 2 diode

Mạch chỉnh hai nửa chu kỳ sử dụng hai diode dùng cho biến áp có điểm giữa. Ví dụ dưới đây để mô phỏng nên sử dụng biến thế có tỉ số 1:1.

Đối với tải thuần trở

Mạch có điện trở R =10 và L = 0. Nguyên lý hoạt động của mạch như sau:

+ Ở bán kỳ dương: Diode D1 dẫn, D2 ngưng do đó dòng điện đi qua D1 và tải. Lúc này điện áp tải Vo = Vs.

+ Ở bán kỳ âm: Diode D1 ngưng, D2 dẫn do đó dòng điện sẽ đi qua D2 và qua tải. Lúc này điện áp trên tải Vo = -Vs > 0 nên ta thấy điện áp và dòng điện tải lúc này có chiều dương. Vậy ở bán kỳ âm điện áp và dòng tải có chiều dương và đối xứng với áp nguồn qua trục ngang.

Chỉnh lưu toàn sóng với biến thế có điểm giữa

Đối với tải có tính cảm

Trường hợp tải có tính cảm: R = 10, L = 0.1H . Nguyên lý mạch như sau:

+ Ở bán kỳ dương: D1 dẫn áp tải bằng với áp nguồn Vo = Vs. Từ hình bên dưới ta thấy do có tính cảm nên dòng điện trễ pha so với điện áp. Do đó hết chu kỳ dương dòng điện không về 0.

+ Ở bán kỳ âm: D2 dẫn, dòng điện từ nguồn qua D2 và qua tải, áp tải ngược chiều với áp nguồn Vo = -Vs. Khi hết chu kỳ dương dòng điện không về 0 nên sau khi D2 dẫn thì dòng điện tiếp tục tăng. Tùy theo giá trị điện cảm L của tải mà thời gian xác lập của dòng điện nhanh hay chậm.

Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ 2 diode với tải cảm

c. Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha

Đối với tải thuần trở R

Mạch ví dụ sử dụng tải thuần trở R = 10. Nguyên lý mạch như sau:

+ Ở bán kỳ dương: Diode D1 và D2 phân cực thuận và dẫn điện, trong khi đó D3 và D4 phân cực nghịch xem như hở mạch. Dòng điện từ nguồn đi qua D1, qua tải và qua D2 về nguồn. Điện áp trên tải bằng với áp nguồn Vo = Vs.

+ Ở bán kỳ âm: Diode D3 và D4 dẫn điện, dòng điện đi từ nguồn qua D3, đi qua tải và qua diode D4. Do đó điện áp tải có chiều ngược với điện áp nguồn Vo = -Vs > 0.

Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu tải trở

Đối với tải có tính cảm

Ví dụ cho trường hợp tải có tính cảm: L = 0.1H và R = 10. Nguyên lý mạch chỉnh lưu cầu với tải cảm:

+ Ở bán kỳ dương: Diode D1, D2 dẫn điện, điện áp tải bằng với điện áp nguồn. Dòng điện tải trễ pha so với điện áp nến cuối bán kỳ dương dòng điện chưa về 0.

+ Ở bán kỳ âm: Diode D3, D4 dẫn điện; dòng điện di từ nguồn qua D3, qua tải và diode D4. Áp tải ngược chiều với áp nguồn Vo = -Vs > 0, dòng điện qua tải ở cuối bán kỳ dương chưa về 0 tiếp tục tăng. Thời gian xác lập phụ thuộc vào giá trị L, ở mạch chỉnh lưu cầu dòng tải liên tục.

Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu diode 1 pha tải cảm

2. Mạch chỉnh lưu 3 pha

a. Chỉnh lưu tia 3 pha

Đối với tải thuần trở R = 10

Bằng phép chứng minh phản chứng, người ta đã chứng minh được: trong mạch chỉnh lưu tia 3 pha, diode dẫn điện là diode mắc vào nguồn áp xoay chiều với giá trị tức thời lớn nhất trong các pha tại thời điểm đang xét. Và chỉ có một diode dẫn điện tại một thời điểm.

Thật vậy, biểu đồ bên dưới đã cho ta thấy mỗi diode sẽ dẫn diện trong khoảng thời gian là 1/3 chu kỳ. Tại đó điện áp trên nó có giá trị tức thời là lớn nhất so với 2 nguồn áp còn lại.

Ở mạch chỉnh lưu này ta thấy độ gợn sóng của điện áp giảm so với ở các mạch chỉnh lưu 1 pha, giá trị điện áp trung bình cũng cao hơn.

Chỉnh lưu tia 3 pha tải R

Đối với tải có tính cảm

Cho ví dụ trường hợp chỉnh lưu tia 3 pha tải cảm như hình bên dưới. Thời gian từng diode dẫn và điện áp tải trong trường hợp có tính cảm không thay đổi so với tải thuần.

Nhưng do lúc này dòng điện trễ pha so với điện áp nên khi chuyển mạch giá trị dòng điện tiếp tục tăng, cho đến khi xác lập. Khi dòng điện tải RL đạt xác lập thì độ gợn sóng nhỏ hơn so với trường hợp tải R.

Chỉnh lưu tia 3 pha với tải có tính cảm

b. Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha

Đối với trường hợp tải thuần trở R = 10

Cho mạch chỉnh lưu cầu 3 pha như hình vẽ, dựa vào biểu đồ dòng điện của các diode thứ tự dẫn điện sẽ là: D3, D5; D1, D5; D1, D6; D2, D6; D2, D4; D3, D4; D3, D5 Đây là quá trình chuyển mạch tự nhiên.

Xét tại thời điểm bất kỳ, giả sử tại thời điểm D3 và D5 đồng dẫn. Dòng điện đi từ nguồn qua D3, qua tải, qua D5 và trở về nguồn. Lúc này điện áp trên tải sẽ bằng điện áp dây giữa hai pha V3 và V2: Vo = V3 V2.

Sô đồ mạch chỉnh lưu cầu diode 3 pha tải thuần trở là gì

Đối với trường hợp tải có tính cảm L = 0.1H

Trường hợp này do tải có tính cảm nên dòng điện trễ pha hơn so với điện áp, kết hợp với khi chuyển mạch thì dòng điện tiếp tục tăng, cho đến khi đạt đến giá trị xác lập. Giá trị L càng lớn thì thời gian xác lập càng lớn.

Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu diode 3 pha tải có tính cảm

III. Mạch lọc áp tải và dòng tải

Để hạn chế thành phần xoay chiều của áp chỉnh lưu và do đó làm giảm độ nhấp nhô của dòng tải, ta có thể áp dụng các phương pháp sau:

+ Tăng số xung điện áp chỉnh lưu, ví dụ sử dụng mạch nhiều pha, dạng cầu.

+ Dùng tụ lọc

+ Dùng cảm kháng lọc

+ Dùng diode không, mạch điều khiển bán phần

Ví dụ: Ở trường hợp mạch chỉnh lưu cầu tải thuần trở, dòng điện không liên tục. Ta sử dụng tụ điện mắc song song với tải, tụ điện sẽ giúp làm phẳng điện áp. Giá trị tụ có thể được chọn bằng việc phân tích, tính toán chuỗi Fourier. Tuy nhiên việc tính toán có thể đơn giản hơn khi sử dụng phần mềm mô phỏng.

Mạch lọc đơn giản sử dụng tụ lọc

Video mô phỏng ảnh hưởng tụ lọc trong mạch chỉnh lưu trên proteus

>>> Xem thêm

• Diode bán dẫn là gì Rất chi tiết
• 10 Mạch chỉnh lưu có điều khiển
• 4 nhược điểm của mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ là gì

Tài liệu tham khảo

Giáo trình điện tử công suất 1 Nguyễn Văn Nhờ

Download trọn bộ tài liêu tự đông hóa sưu tầm