Mạch chỉnh lưu điện tử

Mạch chỉnh lưu điện tử là một thiết bị điện tử có chức năng chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Nó được ứng dụng phổ biến trong các nguồn cung cấp điện một chiều hoặc trong các hệ thống tách sóng tín hiệu vô tuyến. Mạch này thường bao gồm các diode bán dẫn để điều khiển dòng điện, cùng với các đèn chỉnh lưu thủy ngân hoặc các linh kiện khác.

Khi sử dụng một diode đơn lẻ để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều, bằng cách chặn một nửa của sóng điện, ta có mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ hay chỉnh lưu nửa sóng. Trong các nguồn điện một chiều, thường sử dụng mạch chỉnh lưu với nhiều diode (2 hoặc 4 diode) với các cấu hình khác nhau để có dòng điện một chiều mịn hơn so với sử dụng một diode đơn. Trước khi các diode bán dẫn phổ biến, các mạch chỉnh lưu thường dùng đèn chân không, đèn chỉnh lưu thủy ngân, hoặc các dãy bán dẫn seleni.

Những máy thu thanh vô tuyến đầu tiên, được gọi là máy tinh thể, sử dụng một sợi 'râu mèo' hoặc kim nhọn tiếp xúc nhẹ vào một điểm trên khối tinh thể galena (sunphát chì) để tạo ra một diode tiếp điểm. Trong các hệ thống sấy đốt khí, có thể dùng các bộ phát hiện lửa với hai điện cực trong vỏ bọc kín để tạo ra dòng điện và chỉnh lưu dòng điện xoay chiều khi phát hiện ngọn lửa.

Mạch chỉnh lưu một nửa sóng

Một mạch chỉnh lưu nửa sóng chỉ cho phép một nửa chu kỳ dương hoặc âm đi qua diode, trong khi nửa còn lại bị chặn, tùy thuộc vào hướng lắp đặt của diode. Vì chỉ có một nửa chu kỳ được chỉnh lưu, mạch chỉnh lưu nửa sóng có hiệu suất truyền công suất thấp. Mạch này có thể được lắp đặt với chỉ một diode bán dẫn trong các hệ thống nguồn một pha.

Chỉnh lưu toàn sóng

Mạch chỉnh lưu toàn sóng chuyển đổi cả hai thành phần cực tính của sóng đầu vào thành một chiều duy nhất, mang lại hiệu suất cao hơn. Tuy nhiên, trong các mạch không có điểm giữa của biến áp, cần đến 4 diode thay vì một như trong mạch chỉnh lưu nửa sóng. Điều này có nghĩa là mỗi đầu cực của điện áp ra yêu cầu 2 diode để chỉnh lưu, ví dụ như một diode cho phần dương và một diode cho phần âm. Do đó, kết quả là cần 4 diode tổng cộng. Các diode này thường được kết nối theo kiểu cầu chỉnh lưu.

Bộ chỉnh lưu toàn sóng chuyển đổi cả hai nửa chu kỳ của sóng đầu vào thành một điện áp một chiều duy nhất: dương (hoặc âm), vì nó đảo chiều dòng điện của nửa chu kỳ âm (hoặc dương) của sóng xoay chiều. Nửa chu kỳ còn lại sẽ kết hợp với nửa kia để tạo ra một điện áp chỉnh lưu hoàn chỉnh.

Đối với nguồn xoay chiều một pha, nếu sử dụng biến áp có điểm giữa, chỉ cần 2 diode nối lưng với nhau (tức là anode với anode hoặc cathode với cathode) là có thể tạo thành một mạch chỉnh lưu toàn sóng.

Một mạch chỉnh lưu phổ biến với đèn chân không có một cực âm và hai cực dương trong cùng một vỏ. Trong trường hợp này, chỉ cần một bóng chân không cho hai diode. Các mẫu đèn 5U4 và 5Y3 là những ví dụ điển hình của kiểu mạch này.

Mạch ba pha yêu cầu 6 diode, thường là 3 cặp nhưng không giống như loại diode đôi dùng cho chỉnh lưu một pha toàn sóng. Thay vào đó, người ta sử dụng cặp diode nối tiếp (cathode nối với anode). Thông thường, các diode đôi được bố trí thành 4 chân để có thể dễ dàng kết nối cho mạch chỉnh lưu toàn sóng một pha hoặc mạch cầu ba pha.

Hầu hết các thiết bị phát điện xoay chiều, như máy phát điện xoay chiều, đều cung cấp điện ba pha. Trên xe ô tô, máy phát điện sử dụng 6 diode theo kiểu chỉnh lưu cầu ba pha để chuyển đổi sang dòng điện một chiều, nhằm nạp điện cho bình ắc quy.

Mất mát đỉnh sóng.

Một nhược điểm của mạch chỉnh lưu là mất mát điện áp từ đỉnh sóng đầu vào đến đỉnh sóng đầu ra, do điện áp ngưỡng của diode. Điện áp này khoảng 0,7 vôn đối với diode thông thường và 0,1 vôn đối với diode Schottky. Mạch chỉnh lưu nửa sóng và chỉnh lưu toàn sóng với 2 cuộn dây sẽ mất điện áp bằng điện áp rơi trên một diode, trong khi mạch chỉnh lưu cầu mất điện áp bằng điện áp rơi trên hai diode. Mất mát này có thể trở nên đáng kể với mạch có điện áp cung cấp rất thấp. Hơn nữa, vì diode không dẫn khi điện áp dưới mức ngưỡng, dòng điện chỉ đi qua một phần của nửa chu kỳ, dẫn đến một phần nhỏ điện áp bằng 0 xen kẽ với các đoạn có điện áp.

Điều chỉnh điện áp ra của mạch chỉnh lưu

Các mạch chỉnh lưu nửa sóng và toàn sóng đều có nhược điểm là điện áp ra thay đổi theo dạng sóng đầu vào và không cung cấp điện áp ổn định. Để tạo ra điện áp một chiều ổn định từ đầu ra của bộ chỉnh lưu, cần có một mạch 'san bằng' hoặc mạch lọc. Mạch lọc đơn giản nhất sử dụng một tụ điện, gọi là tụ lọc hoặc tụ san bằng, được kết nối ở đầu ra của mạch chỉnh lưu. Mạch này vẫn để lại một phần thành phần điện áp xoay chiều (gợn sóng) vì điện áp không hoàn toàn bằng phẳng.

Kích thước của tụ điện phản ánh tính kinh tế. Tụ điện lớn giúp giảm độ gợn sóng cho tải đã định sẵn, nhưng đồng thời làm tăng chi phí và dòng điện đỉnh trên cuộn dây thứ cấp của máy biến áp và mạch cấp nguồn. Trong những trường hợp đặc biệt, khi nhiều bộ chỉnh lưu được kết nối tại một điểm phân phối nguồn, việc duy trì dạng sóng hình sin của điện áp sẽ trở nên khó khăn hơn.

Với một mức độ gợn sóng xác định, kích thước của tụ lọc tỷ lệ thuận với dòng điện tải, tỷ lệ nghịch với tần số chỉnh lưu và số đỉnh của dạng sóng trong mỗi chu kỳ. Dòng điện tải và tần số nguồn thường không thể điều chỉnh được bởi người thiết kế mạch, nhưng số đỉnh trong mỗi chu kỳ có thể được kiểm soát bằng cách chọn sơ đồ chỉnh lưu phù hợp.

Mạch chỉnh lưu nửa sóng chỉ có một đỉnh điện áp trên mỗi chu kỳ, do đó thường chỉ được sử dụng cho các ứng dụng có dòng điện nhỏ. Mạch chỉnh lưu toàn sóng một pha tạo ra hai đỉnh trên mỗi chu kỳ, là lựa chọn tốt nhất cho mạch chỉnh lưu một pha. Đối với chỉnh lưu ba pha, có thể có đến 6 đỉnh trên mỗi chu kỳ và số đỉnh có thể tăng lên nếu sử dụng các biến áp thích hợp để tăng số pha.

Để giảm độ gợn sóng thêm nữa, người ta sử dụng bộ lọc gồm tụ hóa có điện dung lớn và cuộn cảm có từ dung cao, kết nối theo kiểu chữ N.

Tuy nhiên, để đơn giản hóa, chỉ cần sử dụng một tụ lọc là đủ.

Nếu dòng điện tải rất nhạy cảm với độ gợn sóng của nguồn, có thể thay thế các tụ lọc lớn bằng một bộ ổn áp. Cả hai phương pháp đều nhằm mục đích giảm độ gợn sóng và duy trì sự ổn định của điện áp đầu ra bất kể sự thay đổi của điện áp nguồn và dòng tải.

Bộ chỉnh lưu tăng gấp đôi điện áp

Một mạch chỉnh lưu nửa sóng đơn giản có thể được thiết kế theo hai cách: một kiểu sử dụng hai diode đối kháng để tạo ra điện áp dương và một kiểu nối để tạo ra điện áp âm. Nếu kết hợp cả hai kiểu này với hai bộ lọc san bằng riêng biệt, có thể đạt được điện áp đầu ra gần gấp đôi điện áp đỉnh của mạch xoay chiều. Điều này cũng có thể thực hiện bằng cách sử dụng biến áp có điểm giữa để mỗi mạch hoạt động như một nguồn cấp riêng biệt.

Một biến thể khác của mạch này là sử dụng các tụ điện nối tiếp để làm mạch san bằng dòng ra của cầu chỉnh lưu. Sau đó, lắp một công tắc từ điểm giữa của hai tụ điện đến một đầu vào AC. Khi công tắc mở, mạch hoạt động như một mạch chỉnh lưu cầu thông thường. Khi đóng công tắc, mạch sẽ hoạt động như một mạch tăng gấp đôi điện áp. Nói cách khác, có thể dễ dàng tạo ra điện áp một chiều khoảng 320V từ bất kỳ nguồn nào để cung cấp cho các mạch ổn áp kiểu đóng cắt.

Ứng dụng

Chức năng cơ bản của mạch chỉnh lưu là chuyển đổi điện xoay chiều thành điện một chiều sử dụng được. Hầu hết các thiết bị điện tử đều cần nguồn điện một chiều, mặc dù nguồn cung cấp thường là điện xoay chiều. Do đó, mạch chỉnh lưu đóng vai trò quan trọng trong các mạch cấp nguồn của nhiều thiết bị điện tử.

Việc chuyển đổi điện một chiều từ mức điện áp này sang mức điện áp khác thường phức tạp hơn. Một phương pháp phổ biến là chuyển điện một chiều thành xoay chiều trước (bằng mạch nghịch lưu), sau đó sử dụng máy biến áp để thay đổi điện áp, và cuối cùng chỉnh lưu lại thành điện một chiều.

Mạch chỉnh lưu cũng được sử dụng trong việc tách sóng các tín hiệu vô tuyến điều chế biên độ. Tín hiệu có thể cần hoặc không cần khuếch đại trước khi tách sóng. Nếu tín hiệu quá nhỏ, cần dùng các diode có điện áp rơi thấp. Trong trường hợp này, các tụ điện và điện trở tải phải được chọn lựa kỹ lưỡng. Tụ điện có giá trị quá thấp có thể để sóng cao tần lọt qua, trong khi giá trị quá cao có thể dẫn đến việc tụ điện bị nạp đầy và giữ điện áp đã nạp.

Mạch chỉnh lưu cũng được dùng để cung cấp điện có cực tính cho máy hàn điện. Trong những mạch này, đôi khi các diode trong cầu chỉnh lưu sẽ được thay thế bằng thyristor. Điện áp đầu ra của những mạch này phụ thuộc vào góc kích hoạt.

Chỉnh lưu công suất cao

Các đèn chân không, dãy chỉnh lưu ô-xít kim loại và các diode bán dẫn có thể xử lý dòng từ miliampere đến hàng nghìn ampere cho mỗi linh kiện đơn lẻ.

Trước khi các linh kiện điện tử được phát minh, đã có những giải pháp cơ điện hấp dẫn được sử dụng. Ví dụ, trong các tàu hỏa, người ta có thể sử dụng bộ chỉnh lưu đồng bộ, bao gồm một động cơ đồng bộ kéo theo một dãy tải nặng. Động cơ này phải quay đồng bộ với tần số điện xoay chiều và chuyển mạch các tiếp điểm khi dòng điện hình sin giảm xuống 0. Các tiếp điểm không phải chuyển mạch ở dòng cao, nhưng phải chịu được dòng tải lớn khi đóng để cung cấp nguồn cho các động cơ kéo đầu máy. Ngày xưa, bộ rung sử dụng cho mạch cấp nguồn một chiều điện áp cao từ bình ắc quy thường bao gồm một bộ tiếp điểm thứ hai để thực hiện chỉnh lưu đồng bộ ở phía điện áp cao.

Gần đây, các bộ chỉnh lưu đồng bộ đã được thiết kế với tranzito MOSFET, cho phép chỉnh lưu với điện áp thuận cực thấp và mang lại nhiều lợi ích khác, giúp chúng trở thành các bộ chuyển mạch với tốc độ rất cao. Hiện nay, các bộ chỉnh lưu đồng bộ bán dẫn được ứng dụng rộng rãi trong các nguồn cấp điện áp thấp, nơi mà điện áp rơi trên linh kiện chỉnh lưu có thể gây ra nhiễu không mong muốn trên điện áp ra.

Các loại chỉnh lưu khác được sử dụng trong truyền dẫn dòng điện một chiều với điện áp cao, và trong các ứng dụng công nghiệp từ năm 1909 đến 1975 bao gồm các đèn chỉnh lưu thủy ngân, còn được biết đến là các đèn van hồ quang thủy ngân. Linh kiện này có thể được đặt trong bóng thủy tinh hoặc ống kim loại. Một điện cực, cathode, nằm dưới đáy đèn trong bầu thủy ngân. Một hoặc nhiều thanh than chì tinh khiết cao gọi là anode được lắp phía trên bầu. Có thể có một số điện cực phụ để kích thích và duy trì hồ quang. Khi hồ quang giữa bầu thủy ngân và điện cực than phát sinh, sẽ có dòng điện tử âm chảy từ Cathode đến anode nhờ vào hơi thủy ngân bị ion hóa, nhưng không thể chảy ngược lại. Linh kiện này có thể sử dụng ở công suất lên tới hàng trăm kilo watt và để chỉnh lưu nguồn xoay chiều sáu pha. Các đèn chỉnh lưu thủy ngân sau này đã được thay thế bằng các diode bán dẫn kể từ giữa thập niên 70. Các đèn công suất lớn nổi tiếng được lắp đặt trong các dự án truyền dẫn điện áp cao một chiều, như Manitoba Hydro Nelson River Bipole, với định mức lên tới hàng triệu kilowatt và 450.000 vôn.

Một dạng chỉnh lưu khác, là một bộ Động cơ - máy phát điện hoặc biến đổi quay, không phải là bộ chỉnh lưu theo nghĩa truyền thống. Trong cấu hình này, một động cơ xoay chiều được kết nối cơ học với một máy phát điện một chiều. Máy phát điện một chiều tạo ra dòng điện xoay chiều nhiều pha trong cuộn dây của nó. Một bộ cổ góp chuyển đổi dòng điện xoay chiều này thành một chiều đầu ra, hoặc một máy phát đơn cực, tạo ra dòng điện xoay chiều trực tiếp mà không cần cổ góp. Các bộ này có thể sản xuất dòng điện lên đến hàng nghìn ampere với điện áp từ vài chục đến hàng trăm volt.

Các bằng sáng chế

• Bằng sáng chế Hoa Kỳ số 1.640.335 — Copper oxide rectifiers (L.O. Grondahl [nhận giải] và P.H. Geiger phát triển thiết bị này; 1927)