Bộ chỉnh lưu nửa sóng là gì?
Bộ chỉnh lưu nửa sóng là gì?
Một bộ chỉnh lưu nửa sóng được định nghĩa là một loại chỉnh lưu mà chỉ cho phép một nửa chu kỳ của một AC điện áp dạng sóng để vượt qua, chặn người kia nửa chu kỳ. Bộ chỉnh lưu nửa sóng được sử dụng để chuyển đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều và chỉ yêu cầu một diode duy nhất để cấu tạo.
Bộ chỉnh lưu là một thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC). Nó được thực hiện bằng cách sử dụng một điốt hoặc một nhóm điốt. Bộ chỉnh lưu nửa sóng sử dụng một điốt, trong khi bộ chỉnh lưu toàn sóng sử dụng nhiều điốt.
Hoạt động của bộ chỉnh lưu nửa sóng tận dụng lợi thế của thực tế là điốt chỉ cho phép dòng điện chạy theo một hướng.
Lý thuyết chỉnh lưu nửa sóng
Bộ chỉnh lưu nửa sóng là dạng chỉnh lưu đơn giản nhất hiện có. Chúng ta sẽ xem xét một mạch chỉnh lưu nửa sóng hoàn chỉnh sau – nhưng trước tiên chúng ta hãy hiểu chính xác loại chỉnh lưu này đang làm gì.
Sơ đồ dưới đây minh họa nguyên tắc cơ bản của bộ chỉnh lưu nửa sóng. Khi một dạng sóng AC tiêu chuẩn được đưa qua bộ chỉnh lưu nửa sóng, chỉ còn lại một nửa dạng sóng AC. Bộ chỉnh lưu nửa sóng chỉ cho phép một nửa chu kỳ (nửa chu kỳ dương hoặc âm) của điện áp xoay chiều đi qua và sẽ chặn nửa chu kỳ còn lại ở phía DC, như hình dưới đây.
Chỉ cần một diode để cấu tạo bộ chỉnh lưu nửa sóng. Về bản chất, đây là tất cả những gì mà bộ chỉnh lưu nửa sóng đang làm.
Vì hệ thống DC được thiết kế để có dòng điện chạy theo một hướng (và điện áp không đổi – mà chúng ta sẽ mô tả sau), việc đặt dạng sóng AC với các chu kỳ dương và âm qua thiết bị DC có thể gây ra hậu quả phá hoại (và nguy hiểm). Vì vậy chúng ta sử dụng bộ chỉnh lưu nửa sóng để chuyển đổi nguồn điện đầu vào AC thành nguồn điện đầu ra DC.
Nhưng diode chỉ là một phần của nó – một mạch chỉnh lưu nửa sóng hoàn chỉnh bao gồm 3 phần chính:
- Một máy biến áp
- Một tải điện trở
- Một diode
Sơ đồ mạch chỉnh lưu nửa sóng có dạng như sau:
Bây giờ chúng ta sẽ đi qua quá trình làm thế nào một bộ chỉnh lưu nửa sóng chuyển đổi điện áp AC thành đầu ra DC.
Đầu tiên, một điện áp xoay chiều cao được đặt vào phía sơ cấp của máy biến áp bước xuống và chúng ta sẽ nhận được điện áp thấp ở cuộn thứ cấp sẽ được áp dụng cho điốt.
Trong nửa chu kỳ dương của điện áp xoay chiều, diode sẽ được phân cực thuận và dòng điện chạy qua diode. Trong nửa chu kỳ âm của điện áp xoay chiều, diode sẽ bị phân cực ngược và dòng điện sẽ bị chặn. Dạng sóng điện áp đầu ra cuối cùng ở phía thứ cấp (DC) được thể hiện trong hình 3 ở trên.
Điều này có thể gây nhầm lẫn ngay từ cái nhìn đầu tiên – vì vậy chúng ta hãy tìm hiểu lý thuyết về điều này thêm một chút.
Chúng tôi sẽ tập trung vào phía thứ cấp của mạch. Nếu thay cuộn thứ cấp của máy biến áp bằng một điện áp nguồn, ta có thể đơn giản hóa sơ đồ mạch của bộ chỉnh lưu nửa sóng như sau:
Bây giờ chúng ta không có phần biến áp của mạch làm chúng ta mất tập trung.
Để nửa chu kỳ dương của điện áp nguồn xoay chiều thì hiệu dụng của đoạn mạch tương đương trở thành:
Điều này là do diode được phân cực thuận, và do đó cho phép dòng điện đi qua. Vì vậy, chúng ta có một mạch kín.
Nhưng với nửa chu kỳ âm của điện áp nguồn xoay chiều thì mạch tương đương trở thành:
Bởi vì diode bây giờ ở chế độ phân cực ngược , không có dòng điện nào có thể đi qua nó. Như vậy, bây giờ chúng ta có một mạch hở. Vì dòng điện không thể chạy qua tải trong thời gian này, nên điện áp đầu ra bằng không.
Tất cả điều này xảy ra rất nhanh – vì một dạng sóng AC sẽ dao động giữa dương và âm nhiều lần trong mỗi giây (tùy thuộc vào tần số).
Dưới đây là dạng sóng của bộ chỉnh lưu nửa sóng trông như thế nào ở phía đầu vào (V in ) và nó trông như thế nào ở phía đầu ra (V ra ) sau khi chỉnh lưu (tức là chuyển đổi từ AC sang DC):
Đồ thị trên thực tế cho thấy một bộ chỉnh lưu nửa sóng dương. Đây là bộ chỉnh lưu nửa sóng chỉ cho phép nửa chu kỳ dương đi qua diode và chặn nửa chu kỳ âm.
Dạng sóng điện áp trước và sau khi chỉnh lưu nửa sóng dương được thể hiện trong hình 4 dưới đây.
Ngược lại, bộ chỉnh lưu nửa sóng âm sẽ chỉ cho phép nửa chu kỳ âm qua diode và sẽ chặn nửa chu kỳ dương. Sự khác biệt duy nhất giữa bộ chỉnh lưu nửa sóng âm và dương là hướng của diode.
Như bạn có thể thấy trong hình 5 bên dưới, diode bây giờ theo hướng ngược lại. Do đó, diode bây giờ sẽ chỉ được phân cực thuận khi dạng sóng AC ở nửa chu kỳ âm của nó.
Bộ lọc tụ điện chỉnh lưu nửa sóng
Dạng sóng đầu ra mà chúng ta thu được từ lý thuyết trên là dạng sóng DC xung. Đây là những gì thu được khi sử dụng bộ chỉnh lưu nửa sóng không có bộ lọc.
Bộ lọc là các thành phần được sử dụng để chuyển đổi (làm mịn) các dạng sóng DC xung thành các dạng sóng DC không đổi. Họ đạt được điều này bằng cách triệt tiêu các gợn DC ở dạng sóng.
Mặc dù về mặt lý thuyết, bộ chỉnh lưu nửa sóng không có bộ lọc là có thể thực hiện được, nhưng chúng không thể được sử dụng cho bất kỳ ứng dụng thực tế nào. Vì thiết bị DC yêu cầu dạng sóng không đổi, chúng ta cần ‘làm mịn’ dạng sóng xung này để nó có thể sử dụng được trong thế giới thực.
Đây là lý do tại sao trong thực tế chúng ta sử dụng bộ chỉnh lưu nửa sóng với một bộ lọc. Một tụ điện hoặc một cuộn cảm có thể được sử dụng như một bộ lọc – nhưng chỉnh lưu sóng nửa với bộ lọc tụ điện được sử dụng phổ biến nhất.
Sơ đồ mạch bên dưới cho thấy cách sử dụng bộ lọc điện dung để làm mịn dạng sóng DC xung thành dạng sóng DC không đổi.
Công thức chỉnh lưu nửa sóng
Bây giờ chúng ta sẽ suy ra các công thức khác nhau cho bộ chỉnh lưu nửa sóng dựa trên lý thuyết và đồ thị ở trên.
Hệ số gợn của bộ chỉnh lưu nửa sóng
‘Ripple’ là thành phần AC không mong muốn còn lại khi chuyển đổi dạng sóng điện áp AC thành dạng sóng DC. Mặc dù chúng tôi đã cố gắng hết sức để loại bỏ tất cả các thành phần AC, vẫn còn một số lượng nhỏ ở phía đầu ra làm xung dạng sóng DC. Thành phần AC không mong muốn này được gọi là ‘gợn’.
Để định lượng mức độ tốt mà bộ chỉnh lưu nửa sóng có thể chuyển đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều, chúng tôi sử dụng cái được gọi là hệ số gợn (được biểu thị bằng γ hoặc r). Hệ số gợn là tỷ số giữa giá trị RMS của điện áp xoay chiều (ở phía đầu vào) và điện áp một chiều (ở phía đầu ra) của bộ chỉnh lưu.
Công thức cho hệ số gợn là:
Mà cũng có thể được sắp xếp lại cho bằng nhau:
Hệ số gợn của bộ chỉnh lưu nửa sóng bằng 1,21 (tức là γ = 1,21).
Lưu ý rằng để xây dựng một bộ chỉnh lưu tốt, chúng ta muốn giữ hệ số gợn càng thấp càng tốt. Đây là lý do tại sao chúng tôi sử dụng tụ điện và cuộn cảm làm bộ lọc để giảm gợn trong mạch.
Hiệu quả của bộ chỉnh lưu nửa sóng
Hiệu suất bộ chỉnh lưu (η) là tỷ số giữa nguồn DC đầu ra và nguồn AC đầu vào. Công thức cho hiệu suất bằng:
Hiệu suất của bộ chỉnh lưu nửa sóng bằng 40,6% (tức là η max = 40,6%)
Giá trị RMS của Bộ chỉnh lưu nửa sóng
Để tính được giá trị RMS của bộ chỉnh lưu nửa sóng, chúng ta cần tính dòng điện qua tải. Nếu dòng tải tức thời bằng i L = I m sinωt thì giá trị trung bình của dòng tải (I DC ) bằng:
Trong đó I m bằng cường độ dòng điện tức thời đỉnh qua tải (I max ). Do đó dòng điện một chiều đầu ra (I DC ) thu được trên tải là:
Đối với bộ chỉnh lưu nửa sóng, dòng tải RMS (I rms ) bằng dòng điện trung bình (I DC ) bội số bởi π / 2. Do đó giá trị RMS của dòng tải (I rms ) đối với bộ chỉnh lưu nửa sóng là:
Trong đó I m = I max bằng cường độ dòng điện tức thời cực đại trên tải.
Nghịch đảo điện áp cao điểm của làn sóng chỉnh lưu một nửa
Điện áp nghịch đảo đỉnh (PIV) là điện áp tối đa mà diode có thể chịu được trong điều kiện phân cực ngược. Nếu một điện áp được áp dụng nhiều hơn PIV, diode sẽ bị phá hủy.
Hệ số hình thức của bộ chỉnh lưu nửa sóng
Hệ số hình thức (FF) là tỷ số giữa giá trị RMS và giá trị trung bình, như thể hiện trong công thức dưới đây:
Hệ số dạng của bộ chỉnh lưu nửa sóng bằng 1,57 (tức là FF = 1,57).
Điện áp DC đầu ra
Điện áp đầu ra (V DC ) trên điện trở tải được ký hiệu là:
Các ứng dụng của bộ chỉnh lưu nửa sóng
Bộ chỉnh lưu nửa sóng không được sử dụng phổ biến như bộ chỉnh lưu toàn sóng . Mặc dù vậy, chúng vẫn có một số công dụng:
- Đối với các ứng dụng cải chính
- Đối với các ứng dụng giải điều chế tín hiệu
- Đối với các ứng dụng tín hiệu đỉnh cao
Ưu điểm của bộ chỉnh lưu nửa sóng
Ưu điểm chính của bộ chỉnh lưu nửa sóng là tính đơn giản của chúng. Vì chúng không yêu cầu nhiều thành phần, chúng đơn giản hơn và rẻ hơn để thiết lập và xây dựng.
Như vậy, những ưu điểm chính của bộ chỉnh lưu nửa sóng là:
- Đơn giản (số lượng thành phần thấp hơn)
- Chi phí trả trước rẻ hơn (vì chúng ít thiết bị hơn. Mặc dù có chi phí cao hơn theo thời gian do tổn thất điện năng tăng lên)
Nhược điểm của bộ chỉnh lưu nửa sóng
Nhược điểm của bộ chỉnh lưu nửa sóng là:
- Chúng chỉ cho phép một nửa chu kỳ qua mỗi sinewave, và nửa chu kỳ còn lại bị lãng phí. Điều này dẫn đến tình trạng hao phí điện năng.
- Chúng tạo ra một điện áp đầu ra thấp.
- Dòng điện đầu ra mà chúng tôi thu được không hoàn toàn là DC và nó vẫn chứa rất nhiều gợn (tức là nó có hệ số gợn cao)
Bộ chỉnh lưu nửa sóng 3 pha
Tất cả các lý thuyết trên đã đề cập đến một bộ chỉnh lưu nửa sóng một pha. Tuy nguyên lý của bộ chỉnh lưu nửa sóng 3 pha là giống nhau nhưng các đặc điểm lại khác nhau. Các giá trị đầu ra dạng sóng, hệ số gợn, hiệu quả và RMS không giống nhau.
Bộ chỉnh lưu nửa sóng ba pha được sử dụng để chuyển đổi nguồn điện xoay chiều ba pha thành nguồn điện một chiều. Ở đây các công tắc là điốt, và do đó chúng là công tắc không điều khiển được. Có nghĩa là, không có cách nào để kiểm soát thời gian bật và tắt của các công tắc này.
Bộ chỉnh lưu diode nửa sóng 3 pha thường được cấu tạo với nguồn cung cấp ba pha được kết nối với máy biến áp ba pha trong đó cuộn thứ cấp của máy biến áp luôn được kết nối thông qua đấu nối hình sao . Điều này là do điểm trung tính được yêu cầu để kết nối tải trở lại các cuộn dây thứ cấp của máy biến áp , cung cấp một đường trở lại cho dòng điện.
Cấu hình điển hình của bộ chỉnh lưu nửa sóng ba pha cung cấp tải điện trở thuần túy được trình bày dưới đây. Ở đây, mỗi pha của máy biến áp được coi như một nguồn xoay chiều riêng. Mô phỏng và đo điện áp được hiển thị trong mạch bên dưới. Ở đây chúng tôi đã kết nối một vôn kế riêng lẻ trên từng nguồn cũng như trên tải.
Điện áp ba pha được hiển thị bên dưới.
Điện áp trên tải điện trở được hiển thị bên dưới. Điện áp được hiển thị bằng màu đen.
Vì vậy, chúng ta có thể thấy từ hình trên rằng điốt D1 dẫn điện khi pha R có giá trị của điện áp lớn hơn giá trị của điện áp của hai pha còn lại và điều kiện này bắt đầu khi pha R ở 30 o. và lặp lại sau mỗi chu kỳ hoàn chỉnh. Có nghĩa là, thời gian tiếp theo diode DI bắt đầu dẫn điện là ở 390 o . Diode D2 tiếp nhận quá trình dẫn từ D1 ngừng dẫn ở góc 150 o vì lúc này giá trị của điện áp ở pha B trở nên cao hơn điện áp ở hai pha còn lại. Vì vậy, mỗi diode dẫn cho một góc 150 o – 30 o = 120 o .
Ở đây, dạng sóng của tín hiệu điện áp một chiều thu được không hoàn toàn là một chiều vì nó không phẳng, mà nó chứa một gợn. Và tần số của gợn là 3 × 50 = 150 Hz.
Giá trị trung bình của điện áp đầu ra trên tải điện trở được cho bởi
Ở đây,
Giá trị RMS của điện áp đầu ra được cho bởi
Điện áp gợn bằng,
Và hệ số gợn điện áp bằng,
Phương trình trên cho thấy rằng độ gợn điện áp là đáng kể. Đây là điều không mong muốn vì điều này dẫn đến hao phí điện năng không đáng có.
Công suất đầu ra DC,
Nguồn điện đầu vào AC,
Hiệu quả,
Mặc dù hiệu suất của bộ chỉnh lưu nửa sóng 3 pha có vẻ cao, nó vẫn kém hơn hiệu suất mà bộ chỉnh lưu diode 3 pha cung cấp . Mặc dù bộ chỉnh lưu ba pha nửa sóng rẻ hơn, nhưng việc tiết kiệm chi phí này là không đáng kể so với số tiền bị mất khi tổn thất điện năng cao hơn của chúng. Do đó, các bộ chỉnh lưu nửa sóng ba pha không được sử dụng phổ biến trong công nghiệp.