The Engineering Mindset
Cuộn xuống dưới cùng để xem hướng dẫn trên YouTube.
Đây là một bộ chỉnh lưu cầu toàn sóng. Nó được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các mạch điện tử của chúng ta, vì vậy chúng ta sẽ tìm hiểu chi tiết cách chúng hoạt động trong bài viết này.
Điện rất nguy hiểm và có thể gây tử vong, bạn phải có đủ trình độ và năng lực để thực hiện bất kỳ công việc điện nào .
Bộ chỉnh lưu toàn cầu là gì
Chỉnh lưu toàn cầu trông như thế này, có nhiều hình dạng và kích thước nhưng về bản chất chúng bao gồm 4 điốt theo một cách sắp xếp nhất định. Chúng thường được căn chỉnh theo cấu hình Dimond, nhưng chúng cũng có thể được căn chỉnh theo những cách khác như thế này.
Chúng tôi thường thấy chúng được thể hiện trên các bản vẽ kỹ thuật như thế này.
Đây là biểu tượng cho một diode. Mũi tên chỉ theo hướng của dòng điện thông thường. Điều này cho thấy điện xoay chiều là đầu vào và điện một chiều là đầu ra.
Bộ chỉnh lưu toàn cầu biến đổi dòng điện xoay chiều AC, thành dòng điện một chiều DC. Tại sao điều đó lại quan trọng? Bởi vì các ổ cắm điện trong nhà của chúng ta cung cấp AC nhưng các thiết bị điện tử của chúng ta sử dụng DC, vì vậy chúng ta cần chuyển đổi AC thành điện DC.
Ví dụ: bộ sạc máy tính xách tay lấy nguồn AC từ ổ cắm điện và chuyển nguồn này thành DC để cấp nguồn cho máy tính xách tay. Nếu bạn nhìn vào bộ chuyển đổi nguồn cho máy tính xách tay và các thiết bị điện tử của mình, nhãn của nhà sản xuất cho bạn biết nó đang chuyển đổi AC thành DC. Trong ví dụ này, nó nói rằng nó cần một đầu vào từ 100 đến 240V, với biểu tượng cho điện xoay chiều và nó sẽ tạo ra dòng điện 1,5Amps. Sau đó, nó sẽ tạo ra 19,5V điện DC và 3,33 Amps dòng điện. Lưu ý rằng nó cũng cho biết 50-60 Hz, đây là tần số AC và chúng ta sẽ xem xét điều đó chỉ trong giây lát.
Trong điện xoay chiều, điện áp và cường độ dòng điện liên tục đổi chiều theo chiều thuận và chiều ngược lại. Đó là bởi vì có một từ trường trong máy phát điện xoay chiều, về cơ bản là đẩy và kéo các electron trong dây dẫn. Do đó, điều này thay đổi giữa các giá trị dương và âm khi nó chạy tới và ngược, điện áp không đổi, mặc dù đồng hồ vạn năng làm cho nó giống như vậy. Nếu chúng ta vẽ biểu đồ này, chúng ta sẽ có một mô hình sóng sin. Hiệu điện thế thay đổi giữa giá trị cực đại và giá trị âm cực đại khi cường độ cực đại của từ trường đi qua các cuộn dây.
Ví dụ này đạt tới 170V tại các đỉnh của nó, vì vậy nếu chúng tôi vẽ biểu đồ các giá trị này, chúng tôi có các đỉnh âm và dương là 170V. Nếu chúng tôi lấy giá trị trung bình của những giá trị này, chúng tôi nhận được 0 vôn. Điều đó không hữu ích lắm, vì vậy một kỹ sư thông minh đã quyết định sử dụng điện áp bình phương trung bình gốc. Đó là những gì vạn năng của chúng tôi tính toán khi chúng tôi kết nối chúng với các ổ cắm điện.
Làm thế nào nó hoạt động
Bộ chỉnh lưu bao gồm các điốt. Diode là một linh kiện bán dẫn cho phép dòng điện chạy qua nó, nhưng chỉ theo một hướng. Vì vậy, nếu chúng ta kết nối đèn này với nguồn điện một chiều, nó sẽ sáng. Chúng ta có thể đảo ngược các đạo trình và nó sẽ vẫn sáng. Nếu tôi đặt một diode trên dây màu đỏ và kết nối nó với cực dương, nó sẽ lại sáng. Nhưng bây giờ, khi tôi đảo ngược các dây dẫn, diode chặn dòng điện và đèn vẫn tắt. Vì vậy, nó chỉ cho phép dòng điện chạy theo một hướng và chúng ta có thể sử dụng điều này để điều khiển hướng của dòng điện trong mạch để tạo thành điện một chiều.
Bộ chỉnh lưu nửa sóng
Nếu chúng ta nhìn vào nguồn cung cấp xoay chiều, với một máy biến áp hạ bậc làm giảm điện áp, thì các electron đang chảy về phía trước và ngược lại. Vì vậy, tải trải qua một sóng hình sin. Tải có thể là bất cứ thứ gì từ điện trở, đèn, động cơ, v.v.
Nếu chúng ta lắp một diode, diode sẽ chỉ cho phép dòng điện chạy theo một hướng, do đó, tải bây giờ trải qua một dạng sóng xung. Nửa âm của sóng sin bị chặn. Chúng ta có thể đảo ngược diode để chặn nửa dương và chỉ cho phép nửa âm. Do đó, đây là một bộ chỉnh lưu nửa sóng. Đầu ra nó về mặt kỹ thuật là DC, bởi vì các electron chỉ chạy theo một hướng, nó chỉ là một đầu ra DC không tốt lắm vì nó không hoàn toàn phẳng.
Ở đây, tôi có một điện trở được kết nối với nguồn điện xoay chiều điện áp thấp. Chúng ta thấy trên kính hiển vi osciliscope, sóng hình sin AC. Khi tôi kết nối một diode nối tiếp với cái này, kính hiển thị osciliscope hiển thị một mẫu dao động trong vùng tích cực. Nếu tôi đảo ngược diode, kính hiển thị osciliscope hiển thị một mô hình xung trong vùng âm.
Nếu tôi kết nối song song hai đèn, một đèn có diode, chúng ta thấy đèn không có diode sáng hơn vì nó đang sử dụng dạng sóng đầy đủ. Đèn còn lại mờ hơn vì nó chỉ sử dụng một nửa số này. Nếu chúng ta xem điều này trong chuyển động chậm, chúng ta sẽ thấy đèn được kết nối với diode nhấp nháy nhiều hơn do các khoảng trống trong nguồn điện.
Do đó, chúng ta có thể sử dụng nó cho các mạch điện đơn giản như chiếu sáng hoặc sạc một số pin nhưng chúng ta không thể sử dụng nó cho các thiết bị điện tử vì các thành phần cần nguồn điện liên tục, nếu không chúng sẽ không hoạt động chính xác.
Chúng ta có thể thêm một tụ điện song song với tải để cải thiện sản lượng này. Chúng ta sẽ xem xét điều đó sau trong bài viết này. Một cải tiến tốt hơn là sử dụng bộ chỉnh lưu toàn sóng, và có hai cách chính để làm điều đó.
Bộ chỉnh lưu toàn sóng
Chúng ta có thể tạo ra một bộ chỉnh lưu toàn sóng đơn giản bằng cách sử dụng một máy biến áp khai thác trung tâm và hai điốt. Một máy biến áp chạm tâm chỉ có một dây khác ở phía thứ cấp, được nối với tâm của cuộn dây biến áp, cho phép chúng ta sử dụng toàn bộ chiều dài của máy biến áp hoặc chỉ một nửa của nó.
Bởi vì dòng điện liên tục đổi chiều trong điện xoay chiều, trong khi theo chiều dương hoặc nửa thuận, dòng điện chạy qua diode 1 và đi vào tải, sau đó quay trở lại máy biến áp qua dây nối ở giữa. Diode 2 đang chặn dòng điện nên nó không thể quay trở lại đây. Do đó, chỉ một nửa cuộn dây biến áp được sử dụng. Ở nửa ngược hoặc nửa âm, dòng điện chạy qua diode 2, qua tải rồi trở lại máy biến áp. Diode 1 đang chặn dòng điện.
Dòng điện chạy theo một hướng qua tải, vì vậy nó được coi là một chiều, nhưng nó vẫn phát xung, mặc dù không có khoảng trống. Nửa âm đã được chuyển thành nửa dương. Dạng sóng không mịn, vì vậy chúng ta cần áp dụng một số biện pháp lọc, chẳng hạn như tụ điện. Chúng ta sẽ xem xét điều đó một cách chi tiết, ở phần sau của bài viết này.
Bộ chỉnh lưu cầu toàn sóng
Phương pháp phổ biến nhất được sử dụng là chỉnh lưu cầu toàn sóng. Điều này sử dụng 4 điốt. Nguồn cung cấp AC được kết nối giữa điốt 1 và 2, với trung tính giữa 3 và 4. Đầu ra dương DC được kết nối giữa điốt 2 và 3, và cực âm giữa điốt 1 và 4.
Trong nửa dương của sóng sin, dòng điện chạy qua diode 1, qua tải, qua diode 2 rồi quay trở lại máy biến áp. Trong nửa âm, dòng điện chạy qua diode 3, mặc dù tải, qua diode 1 và trở lại máy biến áp. Vì vậy, máy biến áp đang cung cấp một sóng hình sin AC, nhưng tải đang trải qua một dạng sóng DC gợn sóng vì dòng điện chạy theo một hướng.
Trong mạch này ở đây chúng ta có thể thấy dạng sóng chỉnh lưu đó trên máy hiện sóng. Nhưng nó không phải là đầu ra DC phẳng, vì vậy chúng ta cần cải thiện điều này bằng cách thêm bộ lọc.
Lọc
Sử dụng bộ chỉnh lưu sẽ tạo ra gợn sóng ở dạng sóng. Để giải quyết vấn đề này, chúng ta cần thêm một số bộ lọc.
Phương pháp cơ bản là chỉ cần thêm một tụ điện song song với tải. Tụ điện tích điện trong quá trình tăng hiệu điện thế và tích trữ các electron. Sau đó, nó giải phóng chúng trong quá trình giảm, do đó làm giảm gợn sóng. Máy hiện sóng sẽ hiển thị các đỉnh của mỗi xung, nhưng bây giờ điện áp không giảm về 0, nó từ từ giảm cho đến khi xung sạc lại tụ điện. Chúng ta có thể giảm điều này hơn nữa bằng cách sử dụng một tụ điện lớn hơn hoặc bằng cách sử dụng nhiều tụ điện.
Trong ví dụ đơn giản này, bạn có thể thấy đèn LED tắt ngay khi nguồn điện bị ngắt. Nhưng, nếu tôi đặt một tụ điện song song với đèn LED, nó vẫn sáng vì lúc này tụ điện đang phóng điện và cấp nguồn cho đèn LED.
Trong mạch này tôi có một đèn được kết nối như tải. Máy hiện sóng cho thấy dạng sóng gợn sóng. Khi tôi thêm một tụ điện 10 microfarrad nhỏ, chúng tôi thấy nó tạo ra rất ít sự khác biệt đối với dạng sóng. Khi tôi sử dụng một tụ điện 100 microfarrad, chúng tôi thấy mức nhúng không còn xuống 0 volt nữa. Ở 1000 microfarrads, độ gợn sóng là rất nhỏ. Ở 2200 microfarrads, nó gần như hoàn toàn trơn tru, mặc dù vậy, điều này sẽ tốt để sử dụng cho nhiều mạch. Chúng tôi cũng có thể sử dụng nhiều tụ điện, ở đây chúng tôi có một tụ điện 470 microfarrad đã tạo ra một số khác biệt, nhưng nếu tôi sử dụng hai tụ điện song song, chúng tôi thấy dạng sóng đã được cải thiện nhiều.
Khi sử dụng tụ điện, chúng ta cần đặt một điện trở chảy trên đầu ra. Đây là một điện trở có giá trị cao sẽ tiêu hao tụ điện khi ngắt mạch để giữ an toàn cho chúng ta. Lưu ý với mạch này, khi tôi bật nó lên, tụ điện tích điện nhanh chóng đến hơn 15V. Khi tôi tắt nó, đầu ra DC vẫn ở mức 15V vì không có tải, vì vậy năng lượng vẫn được lưu trữ. Điều này có thể nguy hiểm nếu điện áp cao. Trong ví dụ này, tôi đặt một điện trở 4,7kohm trên đầu ra, chúng tôi thấy tụ điện tích điện lên đến 15V, và khi tôi tắt nó, tụ điện nhanh chóng phóng điện. Các electron đang chạy qua điện trở làm phóng điện tụ điện.
Chúng ta cũng thấy rằng nếu không có tụ điện, điện áp đầu ra thấp hơn điện áp đầu vào vì sự sụt giảm điện áp của các điốt.
Ở đây chúng ta có một bộ chỉnh lưu cầu toàn sóng đơn giản. Trên đầu vào chúng ta thấy có 12V AC, trên đầu ra chúng ta có 10,5V DC. Điện áp trên đầu ra thấp hơn vì điốt. Mỗi diode có điện áp rơi vào khoảng 0,7V. Nếu chúng ta nhìn vào mạch này, với một diode và một đèn LED. Chúng ta có thể đo trên diode để thấy điện áp giảm khoảng 0,7V. Dòng điện trong bộ chỉnh lưu toàn cầu của chúng ta phải đi qua 2 điốt trên nửa dương và 2 điốt ở nửa âm. Vì vậy, điện áp giảm kết hợp và khoảng 1,4 đến 1,5V. Vì vậy sản lượng bị giảm.
Tuy nhiên, nếu chúng ta kết nối một tụ điện qua đầu ra, chúng ta thấy điện áp đầu ra hiện cao hơn điện áp đầu vào. Làm thế nào là điều đó có thể? Đó là bởi vì đầu vào AC đang đo điện áp RMS, không phải điện áp đỉnh. Điện áp Đỉnh cao gấp 1,41 lần điện áp RMS. Các tụ điện được tích điện đến điện áp cực đại và sau đó giải phóng. Vẫn có một sự sụt giảm điện áp nhỏ vì điốt nên đầu ra nhỏ hơn đầu vào đỉnh, nhưng nó vẫn sẽ cao hơn đầu vào RMS.
Ví dụ: nếu chúng tôi có 12Vrms trên đầu vào, điện áp cao nhất sẽ là 12V nhân với 1,41 là 16,9V
Có 0,7v giảm ở đây và ở đây. Vậy 16,9 trừ 1,4V được 15,5V. Các tụ điện được tích điện đến hiệu điện thế này. Đây chỉ là câu trả lời gần đúng, lượng gợn sóng và độ sụt điện áp thực tế của các điốt sẽ khiến nó hơi khác trong thực tế, nhưng chúng ta có thể thấy đầu ra cao hơn đầu vào.
Một bộ lọc phổ biến khác là đặt hai tụ điện song song với một cuộn cảm nối tiếp giữa chúng. Điều này được sử dụng cho các mạch có tải lớn hơn. Tụ điện đầu tiên làm phẳng các gợn sóng. Cuộn cảm phản đối sự thay đổi của dòng điện và cố gắng giữ cho nó không đổi và tụ điện thứ hai, nhỏ hơn nhiều, sau đó sẽ làm phẳng vết gợn cuối cùng còn lại.
Ngoài ra, chúng ta cũng có thể kết nối bộ điều chỉnh điện áp với đầu ra. Điều này rất phổ biến và cho phép một số thay đổi trên đầu vào, nhưng sẽ cung cấp điện áp đầu ra không đổi. Điều này một lần nữa có các tụ điện ở hai bên của bộ điều chỉnh để đảm bảo đầu ra DC thông suốt. Đây là phiên bản thực được kết nối với nguồn điện xoay chiều 12V và chúng tôi thấy nó có đầu ra khoảng 5V DC.
Bạn có thể tìm hiểu để xây dựng bộ điều chỉnh điện áp của riêng bạn trong bài viết trước của chúng tôi TẠI ĐÂY .
