Giới thiệu – Diode chỉnh lưu
Diode chỉnh lưu : Chúng ta biết rằng các điốt tín hiệu nhỏ được sử dụng trong một số ứng dụng như điều khiển dòng điện, bảo vệ quá áp, chuyển mạch, cắt mạch, mạch kẹp, cắt dạng sóng thời gian nhỏ và quan trọng nhất là: chuyển đổi nguồn (từ AC sang DC). Điốt tín hiệu nhỏ chỉ dẫn dòng điện theo một hướng: từ cực dương sang cực âm và đây là đặc tính quan trọng nhất được sử dụng để chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Quá trình chuyển đổi dòng điện này được gọi là Chỉnh lưu và các mạch được sử dụng được gọi là Chỉnh lưu.
Tải Full Tài Liệu Ở Đây
Diode chỉnh lưu : Nhưng do lượng lớn dòng điện chuyển tiếp và điện áp phân cực lớn, các điốt tín hiệu nhỏ có thể bị quá nhiệt và bị hỏng trong quá trình chỉnh lưu. Trong những trường hợp như vậy, điốt bán dẫn công suất được sử dụng để khắc phục dòng điện và điện áp dư thừa.
Điốt bán dẫn công suất là một linh kiện bán dẫn tinh thể, còn được gọi là Điốt công suất, được sử dụng chủ yếu cho mục đích chỉnh lưu. Loại quá trình chỉnh lưu này hầu như được thấy trong tất cả các nguồn cung cấp năng lượng của các thiết bị điện và điện tử ngày nay. Tương tự như điốt tín hiệu nhỏ, điốt công suất cũng chỉ dẫn dòng điện theo một hướng được coi là hướng thuận của nó, nhưng không dẫn dòng điện theo hướng ngược lại. Chức năng của diode công suất dường như tương tự như van một chiều cơ / điện.
Điốt công suất có diện tích tiếp giáp PN lớn hơn rất nhiều, do đó, chúng có khả năng mang dòng phân cực thuận cao hơn so với tín hiệu bán dẫn nhỏ hơn. Điốt điện thường có khả năng cho dòng điện thuận đi qua vài kilo amps (KA) và vài kilo volt (KV) điện áp ngược. Điều này làm cho điốt công suất phù hợp hơn cho các ứng dụng cần quan tâm đến lượng lớn dòng điện và điện áp hơn so với các đối tác tín hiệu nhỏ hoặc công suất thấp của chúng.
Điốt công suất có thể được đánh giá dựa trên hai đặc điểm quan trọng của chúng: dòng điện tối đa mà chúng có thể mang theo chiều thuận và lượng điện áp phân cực ngược lớn nhất mà chúng có thể chịu được. Do điện trở ON của diode nguồn, một sự sụt giảm điện áp nhỏ xảy ra trong quá trình dẫn dòng điện. Mặt khác, một diode công suất có thể chịu được một lượng điện áp phân cực ngược xác định trước khi điều kiện đánh thủng mà nó ngừng hoạt động. Kết thúc phần sơ lược về Diode chỉnh lưu tiếp theo theo dõi phần dưới.
Biểu tượng diode nguồn
Biểu tượng của diode công suất được hiển thị bên dưới. Ký hiệu tương tự như một diode bình thường nhưng cực dương và cực âm được đề cập là A và K tương ứng.
Cấu trúc của Điốt công suất hơi khác so với điốt tín hiệu nhỏ hoặc công suất thấp. Cấu trúc của một diode điển hình được hiển thị bên dưới.
Có một vùng n + được pha tạp nhiều tạo thành cực âm của diode. Trên cái này, có một chất lỏng pha tạp nhẹ. Trong lớp màng này, một vùng p + pha tạp nhiều được khuếch tán để tạo thành tiếp giáp PN. Vùng p + này tạo thành cực dương của diode. Lớp biểu bì, còn được gọi là lớp Trôi, sẽ quyết định vùng tiếp giáp. Khi phân cực thuận, lớp trôi sẽ bổ sung một lượng điện trở Ohmic đáng kể vào diode vì nó được pha tạp nhẹ. Chiều rộng của nó xác định điện áp đánh thủng ngược.
Diode công suất trong phân cực thuận
Khi diode công suất được phân cực thuận, các hạt tải điện loại P dư thừa từ anốt được đưa vào lớp n-. Ở mức độ phun cao, các hạt tải điện loại P dư thừa này sẽ đến tiếp giáp n- , n + và hút các điện tử từ catốt tức là vùng n +. Bây giờ các electron được đưa vào vùng n- (vùng trôi). Hiện tượng này được gọi là Double Injection. Các hạt tải điện loại P dư thừa từ anốt và các hạt tải điện loại n dư thừa từ catốt làm giảm bớt và tái kết hợp trong vùng n – (vùng trôi). Hệ quả của điều này là Điều chế độ dẫn trong đó độ dẫn của vùng trôi tăng lên đáng kể. Điều này làm cho các đặc tính I-V của diode công suất phân cực thuận tuyến tính hơn.
Diode công suất trong phân cực ngược
Giống như một diode bình thường, một diode công suất cũng không dẫn điện khi phân cực ngược. Chỉ có một lượng nhỏ dòng điện rò ngược lại chạy theo hướng ngược lại. Đối với một diode công suất có dòng điện thuận là 1000 A, chỉ có dòng điện ngược 100 m A chạy qua. Ở điện áp đánh thủng, dòng điện ngược tăng nhanh do sự ion hóa va chạm và sự nhân lên của hiệu ứng tuyết lở.
Đặc tính I-U của diode công suất được biểu diễn trong đồ thị sau.
Điốt điện chủ yếu được sản xuất bằng Silicon nhưng đôi khi cũng được sử dụng arsenide Gali. Các vật liệu như Phốt pho, Asen và Gecmani được sử dụng làm chất pha tạp để tạo ra cực dương (n +) trong khi Boron, Nhôm và Gali được sử dụng làm chất pha tạp để tạo ra cực âm (p +).
Điốt điện được thiết kế để cung cấp khả năng chỉnh lưu điện không điều khiển và có thể được sử dụng trong các ứng dụng như sạc pin, nguồn điện một chiều và hệ thống truyền tải điện một chiều điện áp cao cũng như trong các bộ chỉnh lưu của mạch điện xoay chiều và trong bộ biến tần. Do đặc tính dòng điện cao và điện áp cao của chúng, chúng cũng được sử dụng làm điốt bánh xe bay và trong các mạng dạng sóng. Vì diode công suất có diện tích tiếp giáp PN rất lớn, nó có thể không phù hợp với các ứng dụng tần số cao, tức là đối với tần số lớn hơn 1 Mega Hertz; tuy nhiên cần thiết kế điốt tần số cao và dòng điện lớn. Điốt Schottky thường được sử dụng cho các ứng dụng như chỉnh lưu tần số cao. Lý do là thời gian phục hồi ngược thấp của chúng và giảm điện áp khi phân cực thuận.
Nếu một diode công suất duy nhất được sử dụng để chuyển đổi AC sang DC, thì nó tạo ra một nửa sóng DC thay đổi. Nếu nhiều hơn một diode được sử dụng trong một mạch, nó tạo ra dòng điện một chiều thay đổi toàn sóng vì nó chuyển đổi cả hai nửa âm và dương của sóng xoay chiều thay đổi thành một chiều khác nhau, do đó tạo ra dòng điện chỉnh lưu toàn sóng. Bộ chỉnh lưu cầu là một loại mạch điện một chiều thay đổi toàn sóng, trong đó bốn điốt được kết nối. Nó cung cấp một đầu ra phân cực tương tự cho một trong hai cực đầu vào. Bộ chỉnh lưu toàn sóng hoặc cầu không cung cấp dòng điện một chiều ở điện áp không đổi cần thiết để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện và điện tử hiện đại ngày nay. Kết quả là, một tụ điện làm phẳng thường được kết nối ở đầu ra của bộ chỉnh lưu để làm phẳng điện áp gợn được tạo ra.
Điốt điện sử dụng các loại gói IC khác nhau. Ví dụ điển hình có thể bao gồm những điều sau
- DO – Diode outline
- SOD – Small outline diode
- TO – Transistor outline
- SOT -Small outline transistor
- Điện cực kim loại mặt không chì.
D2PAK – Gói rời rạc là một gói được gắn trên bề mặt rất lớn cũng bao gồm một bộ tản nhiệt trong đó.
Bảng dữ liệu của một diode công suất bao gồm những thông tin sau.
1. Dòng Chuyển tiếp trung bình
2. Dòng Chuyển tiếp RMS
3. Tổn thất điện năng chuyển tiếp trung bình
Trong khi thiết kế bộ chỉnh lưu sử dụng điốt công suất, chúng ta không bao giờ được vượt quá các thông số này.
Bộ chỉnh lưu diode
Về mặt cấu tạo, bộ chỉnh lưu có thể có nhiều dạng, bao gồm điốt ống chân không ngày xưa, bộ chỉnh lưu oxit đồng và kim loại khác và van hồ quang thủy ngân. Với sự ra đời của thiết bị điện tử bán dẫn trong những ngày gần đây, các bộ chỉnh lưu hầu hết được chế tạo từ điốt bán dẫn, thyristor hoặc bộ chỉnh lưu điều khiển bằng silicon (SCR) (một loại thyrister) và các công tắc bán dẫn dựa trên silicon khác. Quá trình Chỉnh lưu cũng có thể đóng vai trò như một nguồn điện bên cạnh việc tạo ra dòng điện một chiều. Như một điểm lưu ý, bộ dò tín hiệu vô tuyến cũng đóng vai trò như bộ chỉnh lưu. Do tính chất nhấp nháy và thay đổi của sóng sin xoay chiều, bản thân quá trình chỉnh lưu tạo ra dòng điện một chiều một chiều cũng bao gồm các xung dòng điện. Nhiều ứng dụng của bộ chỉnh lưu bao gồm cung cấp điện cho đài phát thanh, truyền hình, máy tính và thiết bị liên lạc điện tử khác yêu cầu dòng điện một chiều ổn định và không đổi. Trong các ứng dụng điện tử này, đầu ra của bộ chỉnh lưu được làm mịn bằng bộ lọc làm mịn điện tử hoặc tụ điện để tạo ra một dạng dòng điện không đổi.
Trong việc chỉnh lưu dòng điện từ rất thấp đến cao, các loại điốt bán dẫn khác nhau như điốt tiếp giáp và điốt Schottky, v.v., được sử dụng rộng rãi. Nhiều loại thiết bị bán dẫn dựa trên silicon khác nhau được sử dụng trong bộ chỉnh lưu công suất cao, chẳng hạn như được sử dụng trong hệ thống truyền tải điện một chiều có điện áp cao hơn. Các thiết bị bán dẫn dựa trên silicon bao gồm các thyristor và nhiều công tắc trạng thái rắn được điều khiển khác hoạt động hiệu quả như các điốt để truyền dòng điện một chiều chỉ theo một hướng.
Mạch chỉnh lưu có thể được phân loại là một pha hoặc nhiều pha dựa trên loại dòng điện xoay chiều. Hầu hết các bộ chỉnh lưu công suất thấp đến trung bình cho các thiết bị gia đình là một pha trong khi bộ chỉnh lưu ba pha rất quan trọng đối với các ứng dụng công nghiệp và cả trong quá trình truyền năng lượng dưới dạng DC.
Ngày nay có rất nhiều loại mạch chỉnh lưu. Chúng có thể là Half Wave, Full Wave và / hoặc Bridge Rectifier. Mỗi loại mạch chỉnh lưu này có thể được phân loại là không điều khiển, thiết bị điều khiển một nửa hoặc thiết bị điều khiển hoàn toàn.
Đặc điểm của bộ chỉnh lưu điện
- Thiết kế cơ khí đơn giản và lắp ráp nhanh chóng
- Khả năng tăng cao
- Khoảng cách creepage lớn
- Được thiết kế và đào tạo cho các ứng dụng công nghiệp
Chỉnh lưu nửa sóng
Chỉnh lưu có thể được định nghĩa là quá trình biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Nguồn cung cấp cho bộ chỉnh lưu có thể là dòng điện xoay chiều một pha hoặc nhiều pha. Hãy xem xét trường hợp đơn giản của Bộ chỉnh lưu nửa sóng của nguồn cung cấp một pha. Nếu sóng hình sin AC được áp dụng cho nó làm đầu vào, thì nửa âm hoặc dương của sóng hình sin AC sẽ được truyền qua (tùy thuộc vào điều kiện phân cực thuận của diode) bằng cách chặn nửa kia của sóng hình sin. Vì chỉ một nửa của dạng sóng đầu vào đạt đến đầu ra trong quá trình phân cực thuận, nên điện áp trung bình trên điện trở thấp hơn bình thường.
Chỉnh lưu nửa sóng với nguồn cung cấp một pha hoặc nguồn cung cấp nhiều pha chỉ cần một diode duy nhất. Bộ chỉnh lưu sẽ tạo ra dòng điện một chiều và xung động. Bộ chỉnh lưu nửa sóng tạo ra nhiều gợn hơn bộ chỉnh lưu toàn sóng và cần có tụ điện làm mịn để loại bỏ tần số sóng hài AC khỏi đầu ra DC. Đi-ốt được sử dụng trong chỉnh lưu nửa sóng có thể là bất kỳ đi-ốt chỉnh lưu loạt 1N400X nào.
Tải một chiều hiện diện ở cuối mạch là một điện trở, do đó dòng điện chạy qua điện trở tải tỷ lệ với điện áp trên tải điện trở và điều này sẽ giống với điện áp cung cấp. Điện áp một chiều tạo ra trên tải là hình sin trong nửa chu kỳ đầu tức là V R = Vs.
Trong nửa chu kỳ âm của dạng sóng hình sin AC đầu vào, diode sẽ được phân cực ngược. Do đó, không có dòng điện đi qua diode hoặc trong mạch. Do đó, đối với đầu vào nửa chu kỳ âm, không có dòng điện nào chạy qua tải điện trở vì sẽ không có điện áp xuất hiện trên nó.
V out = 0
Khi điện trở tải nhận được một nửa dương thay thế của dạng sóng và 0 vôn thay thế, thì giá trị của điện áp không đều thay thế này có thể được xem như điện áp một chiều tương đương 0,318 * V PEAK của dạng sóng sin đầu vào hoặc có thể là 0,45 x V rms của dạng sóng sin đầu vào, trong đó
V rms = V PEAK / √2
Chỉnh lưu nửa sóng không được sử dụng nhiều vì tín hiệu đầu ra sẽ có sẵn từng đợt và không liên tục. Ứng dụng tốt nhất của bộ chỉnh lưu nửa sóng cho mục đích giữ nhà là bộ điều chỉnh độ sáng đèn hai cấp. Chỉnh lưu nửa sóng không hiệu quả nhiều trong việc tạo ra đầu ra DC từ đầu vào AC 50Hz hoặc 60Hz. Ngoài ra, khoảng cách giữa các xung đầu ra của dòng điện diode làm cho việc loại bỏ gợn AC còn lại sau quá trình chỉnh lưu trở nên khó khăn hơn.
Diode chỉnh lưu nửa sóng với Tụ làm mịn
Trong quá trình chỉnh lưu từ dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều, lượng gợn có trong đầu ra một chiều sẽ giảm đi đáng kể bằng cách đặt một tụ điện song song với tải điện trở. Điện dung của tụ điện phải rất cao để loại bỏ lượng lớn tần số hài AC ở đầu ra DC, nhưng chi phí và kích thước của tụ điện phải nhỏ hơn.
Đối với một giá trị điện dung cho trước, nếu dòng tải qua tải điện trở rất lớn, tụ phóng điện sẽ lớn hơn và gợn ở đầu ra DC cũng tăng lên. Do đó, mạch chỉnh lưu nửa sóng sử dụng một pha không thực tế lắm để giảm điện áp gợn ở đầu ra DC bằng cách sử dụng một tụ điện làm mịn đơn lẻ. Tại thời điểm này, thông thường hơn là sử dụng chỉnh lưu toàn sóng thay vì chỉnh lưu nửa sóng.
Trong bộ chỉnh lưu nửa sóng, biên độ đầu ra sẽ nhỏ hơn biên độ đầu vào và sẽ không có đầu ra trong nửa chu kỳ âm nên một nửa công suất bị lãng phí và đầu ra là xung DC, dẫn đến gợn quá mức. Trong thực tế, bộ chỉnh lưu nửa sóng được sử dụng thường xuyên nhất trong các ứng dụng công suất thấp vì nhược điểm lớn của chúng là hao phí điện năng. Để khắc phục điều này, một số điốt điện được kết nối với nhau để tạo ra Bộ chỉnh lưu toàn sóng.
Chỉnh lưu toàn sóng – Diode chỉnh lưu
Một mạch chỉnh lưu toàn sóng chuyển đổi toàn bộ dạng sóng hình sin đầu vào thành một trong các cực tính dương hoặc âm làm đầu ra của nó. Chỉnh lưu toàn sóng chuyển đổi cả hai cực của dạng sóng sin đầu vào thành dòng điện một chiều xung. Điện áp đầu ra trung bình ở tải điện trở rất cao. Cần hai điốt công suất với một máy biến áp điều chỉnh trung tâm hoặc bốn điốt điện trong cấu hình kiểu cầu không có bất kỳ biến áp điều chỉnh trung tâm nào để chỉnh lưu toàn sóng. Nếu sử dụng máy biến áp có cuộn thứ cấp với một vòi ở giữa thì có thể đạt được hiệu suất lớn hơn trong chỉnh lưu toàn sóng
Nếu mỗi đầu ra chống pha được chỉnh lưu một nửa sóng bởi một trong hai điốt, với mỗi điốt cho phép chúng dẫn điện trên các nửa chu kỳ thay thế, thì sẽ xảy ra hai xung dòng điện cho mỗi chu kỳ, ngược lại một xung trên một chu kỳ trong nửa chu kỳ. chỉnh lưu sóng. Do đó, tần số ở đầu ra của bộ chỉnh lưu toàn sóng gấp đôi tần số đầu vào và điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu toàn sóng cũng gấp đôi so với điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu nửa sóng tức là DC đầu ra tương đương với VPEAK x 0,637 thay vì VPEAK x 0,318, vì nửa chu kỳ sóng bị bỏ lỡ được chỉnh lưu ngay bây giờ, giảm lượng điện bị phá vỡ khi so sánh với mạch chỉnh lưu nửa sóng. Tần số đầu ra cao hơn của mạch chỉnh lưu toàn sóng cũng giúp làm mịn bất kỳ gợn AC còn lại nào trong dạng sóng đầu ra dễ dàng hơn. Vì đầu ra không phải là đầu ra DC thuần túy bắt buộc nên chất lượng của đầu ra có thể được đo lường bằng một đại lượng được gọi là Hệ số gợn . Nó có thể được định nghĩa là tỷ số của sự khác biệt về điện áp tối đa đến tối thiểu với điện áp trung bình của dạng sóng đầu ra DC.
Ripple Factor = (Max-Min)/Average
Cầu chỉnh lưu – Diode chỉnh lưu
Một loại mạch chỉnh lưu khác tạo ra dạng sóng đầu ra DC tương tự như mạch chỉnh lưu toàn sóng là mạch chỉnh lưu cầu toàn sóng. Như tên đã chỉ ra, bộ chỉnh lưu cầu toàn sóng yêu cầu bốn điốt công suất được bố trí như một mạch cầu như trong hình để chỉnh lưu toàn sóng mà không cần biến áp điều chỉnh trung tâm. Nó phải được quan sát trong mỗi và mỗi nửa chu kỳ, các điốt trong các cặp đối diện sẽ dẫn điện, trong khi lượng dòng điện chạy qua tải vẫn ở cùng một cực cho cả nửa chu kỳ dương và âm. Điốt D1 và D2 dẫn điện cho nửa chu kỳ dương của đầu vào (nguồn AC) trong khi D3 và D4 dẫn điện cho nửa chu kỳ âm.
Để loại bỏ các gợn hiện diện trong dạng sóng đầu ra DC, nên sử dụng tụ điện làm mịn có giá trị điển hình là 100 micro Farads trở lên. Trong việc lựa chọn tụ điện làm mịn, các thông số cần lưu ý là giá trị điện áp và điện dung làm việc. Giá trị của điện áp làm việc phải lớn hơn giá trị đầu ra của bộ chỉnh lưu khi không tải được kết nối.
