Giáo trình Kỹ thuật điện tử - Chương 8: Diode và các mạch ứng dụng

vào tức thời có dạng    v t 5.sin 100 .t V     áp tức thời trên ngõ ra có dạng:    Lv t 5 sin 100 .t 0,7V   Các dạng áp tức thời  inv t và  Lv t được trình bày trong hình H8.38 như sau: HÌNH H8.37 HÌNH H8.38: Áp tức thời ngõ vào và ngõ ra mạch chỉnh lưu khi xét đến ảnh hường của điện thế rào cản. Áp vào mạch chỉnh lưu Áp trên ngõ ra mạch chỉnh lưu Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 280 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 8.4.6.ĐIỆN ÁP NGƯỢC ĐỈNH TRÊN DIODE (PIV - PEAK INVERSE VOLTAGE): Điện áp ngược đỉnh là giá trị tối đa của điện áp ngược đặt lên hai đầu diode lúc phân cực nghịch. Giá trị này bằng với biên độ của áp sin trên ngõ vào của mạch chỉnh lưu. Ký hiệu cho điện áp ngược đỉnh là PIV, giả sử áp tức thời trên ngõ vào mạch chỉnh lưu có dạng    in mv t V .sin t V     , ta có: mPIV V (8.23) 8.4.7.CHỈNH LƯU BÁN KỲ PHỐI HỢP VỚI BIẾN ÁP CÁCH LY GIẢM ÁP: Máy biến áp 1 pha với dây quấn sơ và thứ cấp độc lập còn được gọi là biến áp cách ly hay biến áp 1 pha hai dây quấn. Nguồn áp xoay chiều được cấp vào sơ cấp của biến áp, áp xoay chiều trên thứ cấp biến áp được cấp vào mạch chỉnh lưu, xem hình H8.39. Khi sử dụng phối hợp biến áp với mạch chỉnh lưu, chúng ta có được các lợi điểm như sau: Có thể điều chỉnh tăng hay giảm điện áp cấp vào mạch chỉnh lưu. Nguồn áp xoay chiều được cách ly với mạch chỉnh lưu đảm bảo được các sự cố nguy hiểm trên phía thứ cấp biến áp. Các thông số tính toán cho mạch chỉnh lưu trong trường hợp này thực hiện theo các nội dung trên, tuy nhiên cần chú ý thêm thông số tỉ số biến áp để phối hợp các giá trị tính toán. Với các mạch chỉnh lưu có công suất thấp, trong các trường hợp tính toán ta giả thiết biến áp 1 pha có hiệu suất 100 % (biến áp lý tưởng); áp thứ cấp lúc không tải và khi mang tải xem như không thay đổi giá trị. Với những bài toán thực tế cần phối hợp kiến thức của máy biến áp để hiệu chỉnh các giá trị tính toán đặc biệt là trong các trường hợp mạch chỉnh lưu có công suất lớn. THÍ DỤ 8.4: Cho mạch chỉnh lưu bán kỳ lắp tại thứ cấp của máy biến áp 1 pha có tỉ số biến áp và áp ngõ vào sơ cấp theo hình H8.40. Giả sử không quan tâm đến độ thay đổi áp ở thứ cấp khi mang tải, xác định các thông số của tải trên ngõ ra của mạch chỉnh lưu. GIẢI Theo giả thiết ta có tỉ số biến áp là : 1dm1ba 2 2dm VE 2K 2 E V 1     Biên độ áp ngõ vào biến áp : 1mV 156V Biên độ áp ngõ ra thứ cấp: 1m2m ba V 156V 78V K 2    HÌNH H8.39 1V 2V HÌNH H8.40 Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 281 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 Điện áp trung bình trên tải: 2mAVG V 78V 24,83V    Dòng trung bình qua tải: AVGAVG L V 24,83VI 24,83mA R 1K    Công suất DC tiêu thụ trên tải: DC AVG AVGP V I 24,83 0,02483 0,616 W     Điện áp ngược đỉnh trên diode: 2mPIV V 78V  8.5.CHI ̉NH LƯU TOA ̀N KY ̀ (FULL- WAVE RECTIFIERS) : 8.5.1.TỔNG QUAN: Mặc dù chỉnh lưu bán kỳ cũng có một số ứng dụng nhưng chỉnh lưu toàn kỳ (chỉnh lưu hai bán kỳ) thường được sử dụng nhiều hơn trong các bộ nguồn DC. Chỉnh lưu toàn kỳ có hai dạng: chỉnh lưu dùng hai diode phối hợp máy biến áp có điểm giữa và chỉnh lưu cầu Graetz. Chỉnh lưu toàn kỳ cho phép dòng điện qua tải chỉ theo duy nhất một hướng trong suốt chu kỳ của áp ngõ vào hình sin, trong khi đó chỉnh lưu bán kỳ chỉ cho dòng qua tải theo hướng định trước chỉ trong bán kỳ dương của điện áp ngõ vào chỉnh lưu. Mạch chỉnh lưu toàn kỳ cho áp ngõ ra có tần số cao hơn 2 lần tần số của áp ngõ vào. Với áp xoay chiều  in maxv (t) V sin t V     sin cấp vào mạch chỉnh lưu toàn kỳ cho áp tức thời trên điện trở tải được xác định theo quan hệ sau, xem hình H8.41:  out maxv (t) V sin t V 0 t        với chu kỳ T 2   (8.24) Áp dụng quan hệ (8.20) giá trị trung bình áp trên ngõ ra chỉnh lưu toàn kỳ là:       0m mAVG m0 V 2V1V V sin t .d t cos t           Hay: mAVG 2V V   (8.25) Tương tự gọi RMSV là áp hiệu dụng của áp ngõ vào ta viết lại quan hệ (8.25) như sau: RMSAVG RMS 2 2.V V 0,9.V  (8.26) HÌNH H8.41 CHỈNH LƯU TOÀN KỲ Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 282 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 8.5.2.CHỈNH LƯU TOÀN KỲ DÙNG 2 DIODE VÀ MÁY BIẾN ÁP CÓ ĐIỂM GIỮA: Máy biến áp có điểm giữa là máy biến áp 1 pha cách ly, dây quấn sơ và thứ cấp độc lập nhau; dây quấn thứ cấp có 3 đầu ra dây : a,n và b . Số vòng dây quấn tứ a đến n bằng số vàng dây quấn từ n đến b. Điểm n là trung điểm của đoạn ab, các bộ dây an và nb có cùng chiều quấn. Mạch chỉnh lưu toàn kỳ dùng 2 diode phối hợp với biến áp có điểm giữa trình bày trong hình H8.42. Gọi áp tức thời phía thứ cấp biến áp là:      2 ab 2mv t v t V .sin t V      điện áp tức thời của các đoạn dây quấn an và nb được xác định như sau:        2 2man nb v t Vv t v t sin t2 2        (8.27) Suy ra:      2mbn nb Vv t v t sin t2          (8.28) NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG Tại bán kỳ dương của áp cấp vào sơ cấp biến áp , với cực tính của các bộ dây sơ và thứ cấp theo hình H8.43, áp thứ cấp  abv t cũng xãy ra bán kỳ dương . Nói khác hơn điện thế tại các điểm a, n và b có giá trị tương ứng như sau: b n av v v  . Các điện thế này lần lượt đặt lên các đầu A và K của các diode D1 và D2. Ta rút ra nhận xét sau: a n 1v v D daãn  n b 2v v D ngöng daãn  Như vậy dòng điện từ a qua D1 đến tải RL và theo n về thứ cấp. HÌNH H8.42 b a  anv t  bnv t  Lv t + - n n HÌNH H8.43 b./ Trong suốt bán kỳ âm, D1 phân cực nghịch và D2 phân cực thuận. a./ Trong suốt bán kỳ dương, D1 phân cực thuận và D2 phân cực nghịch. a a b b n n n n Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 283 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 Điện áp trên tải trong suốt giai đoạn diode D1 dẫn là bán kỳ dương của áp  anv t Tại bán kỳ âm của áp cấp vào sơ cấp biến áp , áp thứ cấp  abv t cũng xãy ra bán kỳ âm. Nói khác hơn điện thế tại các điểm a, n và b có giá trị tương ứng tại lúc này là: b n av v v  . Ta rút ra nhận xét sau: a n 1v v D ngöng daãn  và n b 2v v D daãn  . Như vậy dòng điện từ b qua D2 đến tải RL và theo n về thứ cấp. Điện áp trên tải trong suốt giai đoạn diode D2 dẫn là bán kỳ dương của áp  bnv t . Chú ý vì các áp  anv t và  bnv t đảo pha nhau, nên lúc  anv t diễn ra bán kỳ âm thì áp  bnv t đang diễn ra bán kỳ dương. Với quá trình hoạt động vừa trrình bày, ta có thể thấy mạch chỉnh lưu toàn ky dùng 2 diode xem tương đương hai mạch chỉnh lưu bán kỳ vận hành lệch pha nhau 180o theo thời gian. Mỗi nửa bộ dây thứ cấp chỉ hoạt động trong mỗi bán kỳ của áp cấp vào sơ cấp biến áp. Nguyên lý hoạt động của mạch chỉnh lưu toàn kỳ vừa trình bày đã giả thiết các diode là lý tưởng. Trường hợp áp dụng mô hình thực nghiệm của diode; các diode chỉ bắt đầu dẫn khi các áp tại thứ cấp:  anv t hay  bnv t có giá trị lớn hơn điện thế rào cản 0,7V; phương pháp tính toán được thực hiện tương tự như trường hợp chỉnh lưu bán kỳ. ÁP NGƯỢC ĐỈNH TÁC DỤNG LÊN DIODE LÚC NGƯNG DẪN: Trong hình H8.43 lúc diode D2 ngưng dẫn, ta có phương trình cân bằng áp sau:      nb L R D2v t v t v t  (8.29) Trong đó  Lv t là áp tức thời đặt ngang qua hai đầu tải RL. Tương tự lúc diode D1 ngưng dẫn, ta có phương trình cân bằng áp sau:      na L R D1v t v t v t  (8.30) Từ các quan hệ (8.29) và (8.30) giá trị điện áp ngược đỉnh tác động lên mỗi diode lúc ngưng dẫn xác định theo quan hệ sau: 2m 2mD1 D2 V PIV PIV 2. V 2        (8.31) Quan hệ (8.31) xác định theo mô hình diode lý tưởng. Trong trường hợp xét theo mô hình thực nghiệm của diode biên độ của áp  Lv t nhỏ hơn biên độ của các áp  nbv t và  nav t một giá trị bằng điện thế rào cản 0,7V; tại lúc này ta có: 2m 2mD1 D2 V PIV PIV 2. 0,7V V 0,7V 2          (8.32) THÍ DỤ 8.5: Cho mạch chỉnh lưu toàn kỳ dùng 2 diode và biến áp có điểm giữa phía thứ cấp, với điện áp xoay chiều cấp vào sơ cấp và tỉ số biến áp như trong hình H8.44. Xác định: a./ Áp và dòng trung bình trên tải, công suất DC tiêu thụ trên tải khi xem các diode là lý tưởng. b./ Áp ngược đỉnh tác động lên các diode lúc phân cực nghịch. Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 284 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 GIÀI Biên độ áp sơ cấp: 1mV 100V Áp hiệu dụng sơ cấp: 1m1 V 100V 50 2 V 2 2    Tỉ số biến áp : 1 1ba 2 2 E V K 2 E V    Áp hiệu dụng thứ cấp biến áp: 12 ba V 50 2V 25 2 35,36V K 2     Khi xem diode lý tưởng, áp cực đại trên tải là:  2Lmax 25 2 . 2V . 2V 25V2 2   Áp trung bình trên tải: LmaxAVG 2.V 2 25V 15,915V    Dòng trung bình qua tải: AVGAVG L V 15,916VI 1,59mA R 10k    Công suất DC tiêu thụ trên tải: DC AVG AVGP V .I 15,915V 1,59mA 25,33 mW    Áp ngược đỉnh tác động trên mỗi diode lúc phân cực nghịch:  2m 2PIV V V 2 25 2 2 50V     Nếu áp dụng mô hình thực nghiệm, áp ngược đỉnh xác định theo quan hệ sau: 2mPIV V 0,7V 49,3V   8.5.3.CHỈNH LƯU TOÀN KỲ DÙNG MẠCH CẦU DIODE (CẦU GRAETZ) : Gọi áp tức thời ở sơ cấp biến áp là:    1 1mv t V .sin t V     và áp tức thời ở phía thứ cấp biến áp là:      2 ab 2mv t v t V .sin t V      . Tại bán kỳ dương của áp thứ cấp , ta có điện thế tại các nút a và b là: a c n bV V V V   suy ra diode D1 và D2 phân cực thuận, hay các diode D1 và D2 dẫn và các diodeD3 và D4 ngưng dẫn. Dòng điện từ nút a thứ cấp qua diode D1 đến c qua tải đến n qua diode D2 đến nút b quay về thứ cấp, xem hình H8.45. Ta có phương trình cân bằng lúc này là: HÌNH H8.44 HÌNH H8.45 b./ Trong bán kỳ âm, diode D1 và D2 ngưng dẫn, diode D3 và D4 dẫn a./ Trong bán kỳ dương, diode D1 và D2 dẫn, diode D3 và D4 ngưng dẫn c a a b b n n c Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 285 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8      2 ac L nb F L FD1 D2v t v v t v V v t V      (8.33) Trong đó,  Lv t là áp tức thời đặt ngang qua hai đầu tải, F D1V và F D2V là các điện áp đặt ngang 2 đầu mỗi diode lúc phân cực thuận. Với mô hình diode lý tưởng, quan hệ (8.33) viết lại là:    L 2v t v t (8.34) Tóm lại tại bán kỳ dương của áp thứ cấp , áp trên tải cùng dạng với áp thứ cấp biến áp. Với mô hình thực nghiệm của diode quan hệ (8.33) viết lại là:      L 2 2v t v t 2 0,7V v t 1,4V     (8.35) Tại bán kỳ âm của áp thứ cấp , ta có điện thế tại các nút a và b là: a c n bV V V V   suy ra diode D1 và D2 phân cực nghịch và các diode D3 và D4 dẫn. Dòng điện từ nút b thứ cấp qua diode D4 đến c qua tải đến n qua diode D3 đến nút a quay về thứ cấp, xem hình H8.45. Tại lúc này dòng qua tải không đổi hướng khi so với trường hợp đã phân tích ở trên.      2 bc L na F L FD4 D3v t v v t v V v t V       (8.36) Trong đó,  Lv t là áp tức thời đặt ngang qua hai đầu tải, F D3V và F D4V là các điện áp đặt ngang 2 đầu mỗi diode lúc phân cực thuận. Với mô hình diode lý tưởng, quan hệ (8.36) viết lại là:    L 2v t v t  (8.37) Tóm lại tại bán kỳ dương của áp thứ cấp , áp trên tải cùng dạng với áp thứ cấp biến áp. Với mô hình thực nghiệm của diode quan hệ (8.36) viết lại là:      L 2 2v t v t 2 0,7V v t 1,4V       (8.38) Với các quan hệ (8.37) và (8.38) cho thấy khi tại bán kỳ âm điện áp trên tải vẫn có giá trị dương, nói khác hơn dạng áp trên tải luôn mang giá trị dương khi áp  2v t diễn ra bán kỳ dương lẫn bán kỳ âm. ÁP NGƯỢC ĐỈNH TÁC DỤNG LÊN MỖI DIODE LÚC DIODE NGƯNG DẪN: Tại bán kỳ dương của áp thứ cấp , ta có điện thế tại các nút a và b là: a c n bV V V V   . Lúc các diodeD3 và D4 ngưng dẫn ta có phương trình cân bằng áp như sau:  an R F LD3 D1v V V v t   (8.39) Và:  CB R F LD4 D2v V V v t   (8.40) Với mô hình diode lý tưởng điện áp trên các diode khi phân cực thuận có giá trị là 0V, từ các quan hệ (8.39) và (8. 40) suy ra áp ngược đặt lên các diode đang phân cực nghịch là:    R R L 2 2mD3 D4 max maxV V v t v t V    (8.41) Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 286 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 Với mô hình thực nghiệm của diode điện áp trên các diode khi phân cực thuận có giá trị là 0,7V ; áp ngược đặt lên các diode đang phân cực nghịch là:  R R LD3 D4 maxV V v t 0,7V   (8.42) Thế (8.35) vào (8.42) suy ra:  R R 2 2mD3 D4 maxPIV V V v t 1,4 0,7 V 0,7V       (8.43) Tương tự tại bán kỳ âm của áp thứ cấp, điện thế tại các nút a và b là: a c n bV V V V   . Lúc các diode D1 và D2 phân cực nghịch ta có các phương trình cân bằng áp như sau:  ca R F LD1 D3v V V v t   (8.44) Và:  bn R F LD2 D4v V V v t   (8.45) Với mô hình diode lý tưởng điện áp trên các diode khi phân cực thuận có giá trị là 0V, từ các quan hệ (8.44) và (8. 45) suy ra áp ngược đặt lên các diode đang phân cực nghịch là:    R R L 2 2mD3 D4 max maxV V v t v t V     (8.46) Với mô hình thực nghiệm của diode điện áp trên các diode khi phân cực thuận có giá trị là 0,7V ; áp ngược đặt lên các diode đang phân cực nghịch là:  R R LD3 D4 maxV V v t 0,7V   (8.47) Thế (8.38) vào (8.47) suy ra:  R R 2 2mD3 D4 maxPIV V V v t 1,4 0,7 V 0,7V        (8.48) THÍ DỤ 8.6: Cho mạch chỉnh lưu toàn kỳ dùng mạch cầu với mô hình diode lý tưởng; biết áp hiệu dụng thứ cấp biến áp là 2V 12V . Xác định : a./ Áp và dòng trung bình, công suất tiêu thụ trên tải. b./ Áp ngược tác động lên mỗi diode trong sơ đồ cầu khi áp dụng mô hình thực nghiệm diode GIẢI Biên độ áp thứ cấp: 2mV 12 2 V 16,97V  Khi xem diode lý tưởng , áp trung bình trên tải: AVG 2V 0,9 V 0,9 12 10,8V     Dòng trung bình qua tải: AVGAVG L V 10,8VI 1,08mA R 10k    Công suất DC tiêu thụ trên tải: DC AVG AVGP V .I 10,8V 1,08mA 11,66 mW    HÌNH H8.46 LV 2V Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 287 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 Áp ngược đỉnh tác động trên mỗi diode lý tưởng lúc phân cực nghịch : 2mPIV V 16,97V  Nếu áp dụng mô hình thực nghiệm, áp ngược đỉnh xác định theo quan hệ sau: 2mPIV V 0,7V 16,97 0,7 16,27V     Dạng tín hiệu áp tức thời tại thứ cấp biến áp và trên tải trình bày trong hình H8.47. 8.6. MẠCH LO ̣C (FILTER): Với bộ nguồn DC lý tưởng, yêu cầu khử độ nhấp nhô trên áp ngõ ra từ các mạch chỉnh lưu bán kỳ hay toàn kỳ được quan tâm đến để đạt được áp DC trên ngõ ra của bộ nguồn có dạng hoàn toàn phẳng. Trong trường hợp này chúng ta cần dùng các mạch lọc, vì các mạch điện tử cần được cung cấp áp và dòng DC phẳng ổn định để cung cấp công suất và phân cực cho các linh kiện điện tử khác hoạt động theo yêu cầu riêng. Mạch lọc đơn giản chỉ bao gồm tụ điện. Trong trường hợp muốn ổn định một cách tuyệt đối áp DC trên ngõ ra , cần sử dụng thêm mạch tích hợp (IC) ổn định điện áp . Sơ đồ khối tổng quát của bộ nguồn đã trình bày trong hình H8.34. 8.6.1.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH LỌC: Trong hình H8.48 trình bày mạch chỉnh lưu bán kỳ phối hợp với bộ lọc tụ điện trước khi cấp đến tải. Trong suốt bán kỳ dương của điện áp xoay chiều    in mv t V .sin t  cấp vào mạch chỉnh lưu, diode phân cực thuận cho phép tụ lọc nạp điện trong phạm vi  in inmax0,7V v t V  . HÌNH H8.47: Áp tức thời trên tải và tại thứ cấp biến áp khi áp dụng mô hình thực nghiệm của diode. Áp tức thời  2v t tại thứ cấp biến áp Áp trên tải  Lv t AVGV Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 288 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 Gọi áp đặt ngang qua hai đầu tụ C là  Cv t ; khi áp vào đạt đến giá trị đỉnh  in mv t V áp trên tụ là  C mv t V 0,7V  (khi áp dụng mô hình thực nghiệm của diode). Cần chú ý trong khoảng thời gian này, áp tức thời trên tải và áp tức thời trên tụ hoàn toàn giống nhau. Sau khi đạt đến mức đỉnh áp vào bắt đầu giảm thấp giá trị (ở nửa giai đoạn còn lại trong bán kỳ dương). Bây giờ áp trên tụ C cao hơn áp vào, diode bị phân cực ngược; tụ ngừng nạp điện. Vì tụ đấu song song với điện trở tải, điện tích đang tích trên các cực dương của tụ sẽ đi qua tải để đến cực âm của tụ để trung hòa các điện tích ở cực âm; quá trình này được gọi là quá trình phóng điện của tụ. Thời gian phóng điện nhanh hay chậm phụ thuộc vào giá trị điện dung C và trị số điện trở tải RL. Tại bán kỳ âm của áp vào, nếu tụ chưa xả hết điện tích trên các bản cực, áp trên tụ lớn hơn áp vào nên diode vẫn tiếp tục phân cực nghịch. Tụ tiếp tục duy trì quá trình phóng điện. Khi áp vào bắt đầu bán kỳ dương kế tiếp diode tiếp tục phân cực nghịch ; khi áp vào tức thời lớn hơn áp tức thời trên tụ C 0,7V tụ chấm dứt quá trình phóng điện và diode bắt đầu phân cực thuận. Quá trình nạp điện tích cho tụ tiếp diển. 8.6.2. ÁP TỨC THỜI TRÊN TẢI KHI CHỈNH LƯU TOÀN KỲ CÓ MẠCH LỌC TỤ : Với mạch chỉnh lưu toàn kỳ có mạch lọc tụ điện, nguyên lý hoạt động được giải thích tương tự như trường hợp chỉnh lưu bán kỳ. Cho mạch chỉnh lưu dùng cầu diode theo hình H8.49. Tại bán kỳ dương của áp vào  1v t giả sử tụ chưa nạp điện tích ban đầu, các diode D1 và D2 dẫn cấp dòng nạp điện tích cho tụ và đồng thời cấp dòng qua tải R1. Trong khoảng thời gian này áp trên hai đầu tải cũng là áp trên hai đầu tụ C1 ; điện áp này có dạng giống như điện áp  1v t (khi xem các diode D1 và D3 là lý tưởng). Nếu áp dụng mô hình thực nghiệm của diode , áp trên tải và tụ có dạng giống như áp  1v t 1,4V   . Xem hình H8.50, đoạn từ gốc tọa độ đến a. HÌNH H8.48 c./ Khi giá trị tức thời áp vào cao hơn áp VC, diode phân cực thuận trở lại. Tụ nạp điện trở lại a./ Khi diode phân cực thuận, tụ bắt đầu nạp điện tích và tăng dần điện áp b./ Khi áp vào đạt đến giá trị cực đại, diode bị phân cực nghịch ngưng dẫn. Tụ phóng điện qua điện trở tải RL HÌNH H8.49 Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 289 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 Tại vị trí a, áp vào  1v t đạt cực đại và đang trên đà giảm biên độ , lúc đó áp ngang qua hai đầu tụ và tải đạt đến giá trị 1mV 1,4V   . Trong đó 1mV là biên độ áp  1v t . Bây giờ các diode D1 và D2 phân cực ngịch. Tụ C1 bắt đầu phóng điện sang tải trở R1, điện áp trên hai đầu tải bây giờ được xác định theo quan hệ (8.51) sau đây. Tại lúc tụ bắt đầu phóng điện, xét mắt lươi chứa tụ và điện trở tải ta có quan hệ:    C 1 pv t R .i t (8.49) Với dòng phóng điện  pi t xác định theo quan hệ như sau:    Cp 1 dv ti t C dt  (8.50) Suy ra:    CC 1 1 dv tv t R C . dt  (8.51) Giải phương trình vi phân bậc nhất ta có nghiệm như sau:   1 1tR CCv K.e   (8.52) Tại lúc tụ bắt đầu phóng điện, đặt thời điểm ban đầu ứng với t = 0 áp đang có trên tụ là 1mV 1,4V   , ta suy ra hằng số K có giá trị như sau: 1mK V 1,4V  (8.53) HÌNH H8.50 a b c Tụ phóng điện Tụ nạp điện  1v t  Cv t Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 290 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 Từ (8.52) và (8.53), suy ra áp tức thời trong khoảng thời gian tụ phóng điện, giai đoạn từ a đến b là:   1 1tR CC 1mv t (V 1,4).e    (8.54) Tại b, điện áp  1v t ở bán kỳ âm nhưng vì diode D3 và D4 ở trạng thái phân cực thuận và bắt đầu dẫn cấp áp đến tải và tụ C1. Tụ lọc bắt đầu nạp điện tích trở lại dạng điện áp trên tải có dạng của điện áp nguồn  1v t 1,4V    . Giai đoạn này xãy ra trong khoảng từ b đến c. Tại c các diode D2 và D3 bị phân cực nghịch và tụ C phóng điện qua tụ như quá trình đã diển ra trong khoảng thời gian từ a đến b. Quá trình tiếp tục diển tiến có tính chất tuần hoàn qua các giai đoạn như vừa trình bày. 8.6.3. HỆ SỐ NHẤP NHÔ ĐIỆN ÁP TRÊN TẢI : Qua các nội dung phân tích trên, tín hiệu trên tải của mạch chỉnh lưu có dạng phẳng hơn khi dùng thêm mạch lọc. Tùy thuộc vào giá trị điện dung của tụ lọc phạm vi chênh lệch giữa giá trị áp cao nhất và á thấp nhất trên tải sẽ thay đổi. Khoảng chênh lệch giữa mức thấp nhất và cao nhất trên áp tải gọi là độ nhấp nhô (Ripple). Gọi : r là hệ số nhấp nhô. rppV là phạm vi chênh lệch giữa mức cao nhất và thấp nhất của áp trên tải. PV là áp định hay giá trị cao nhất của áp trên tải. AVGV là áp trung bình hay áp DC trên tải Theo toán học với áp trên tải là  Lv t có tính tuần hoàn. Ta có thể khai triển áp  Lv t theo Fourier. Lúc đó  Lv t được xem như tổng hợp từ nhiều áp hình sin thành phần khác tần số và biên độ. Tần số của tín hiệu sin thành phần bằng tần số với áp  Lv t gọi là tần số cơ bản và các tín hiệu sin thành phần khác có tần số cao hơn được gọi là sóng bậc cao. Theo phương pháp này hệ số nhấp nhô được gọi xác định theo quan hệ sau AVG Giaù trò hieäu duïng cuûa caùc thaønh phaàn xoay chieàur V  (8.55) HÌNH H8.51: Độ nhấp nhô trên áp tải Độ nhấp nhô (Ripple) Độ nhấp nhô (Ripple) HÌNH H8.52: Định nghĩa hệ số nhấp nhô trên áp tải. rppV PV AVGV Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 291 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 Mạch lọc có chất lượng càng cao, áp trên ngõ ra ra càng phẳng . Giá trị của hệ số nhấp nhô phụ thuộc vào giá trị điện trở tải RL và điện dung C của tụ lọc. Tương ứng với mỗi giá trị điện trở tải và độ nhấp nhô định trước, ta có một giá trị điện dung C tương ứng. Nói khác đi, với trị số điện dung của tụ lọc chọn trước, khi tải thay đổi giá trị hệ số nhấp nhô thay đổi theo giá trị điện trở tải. Có nhiều tài liệu trình bày các phương pháp xác định điện dung tụ lọc theo hệ số nhấp nhô chọn trước, ta khảo sát một phương pháp đơn giản như sau. PHƯƠNG PHÁP TÍNH : Khi áp dụng phương pháp này, chúng ta giả sử: Diode chỉnh lưu là lý tưởng, bỏ qua ảnh hưởng điện thế rào cản khi diode dẫn thuận. Dạng áp trên tải đồng dạng với áp ngõ vào chỉnh lưu ở bán kỳ dương. Áp tức thời ngõ vào chỉnh lưu toàn kỳ là:    in inmaxv t V .sin t V     . Dạng áp trên tụ và tải khi dùng mạch lọc tụ có dạng răng cưa tam giác thay vì có dạng tổ hợp hàm sin và hàm mủ đối với thời gian thỏa các giả thiết trên trình bày trong hình H8.53. Trong đó, DC rppU V : khoảng chênh lệch áp trên tải giữa mức cao nhất đến thấp nhất. Quá trình tính toán được trình bày như sau: Điện tích Qnạp trên tụ trong các quá trình diode chỉnh lưu dẫn. nap rppQ V .C (8.56) Lượng điện tích Qphóng được xả trong quá trình các diode ngưng dẫn. phong ph disQ I .t (8.57) Áp dụng định luật bảo toàn điện tích, điện lượng nạp và phóng bằng nhau; suy ra: rpp ph disV .C I .t (8.58) Gọi P inmaxV V là giá trị đỉnh của áp chỉnh lưu cũng chính là mức áp tối đa đạt được trong quá trình nạp điện tích, gọi dist là khoảng thời gian tụ xả điện tích qua tải, giá trị áp trên tụ đạt được ở cuối quá trình xả điện tích là LminV . Khi hệ số nhấp nhô r có giá trị càng thấp, áp nhấp nhô rppV tiến tới 0, thời gian dist tiến tới giá trị T (khoảng thời gian của chu trình nạp và phóng điện của tụ), HÌNH H8.53: Xác định biểu thức tính hệ số nhấp nhô. P inmaxV V rppV     L tR .CL C inmaxv t v t V .e    LminV Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 292 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 LminV tiến tới giá trị inmaxV . Khi điện áp trên tải được lọc phẳng, với hệ số nhấp nhô trên tải thấp hơn 10% và Tnạp<< Tphóng ta có dist T . Quan hệ (8.58) được viết lại như sau: rpp phV .C I .T (8.59) Khi tín hiệu lọc phẳng, dòng Iph là dòng phóng điện của tụ qua tải cũng chính là dòng trung bình qua tải, do đó: AVG ph L V I R  (8.60) Từ các quan hệ (8.59) và (8.60) ta suy ra: rpp AVG L V T V R .C  (8.61) Muốn xác định một cách đơn giản giá trị hiệu dụng của các thành phần xoay chiều chứa trong khai triển Fourier của áp  Lv t chúng ta xem gần đúng  Lv t có dạng áp răng cưa . Dời trục tọa độ sao cho trục hoành trùng với mức áp trung bình AVGV . Giá trị hiệu dụng của thành phần xoay chiều  Lv t là giá trị hiệu dụng của áp hiện có sau khi thực hiện phép dời trục. Trong hình H8.54 , áp  LACv t là dạng áp  Lv t sau khi dời trục. Áp tức thời  LACv t trong hình H8.54 được xác định như sau:       rpp 1 LAC 1 1 rpp rpp LAC 1 1 1 V T v t . t (0 t T ) T 2 V V v t t T (T t T) T T 2                        (8.62) Gọi LACV là áp hiệu dụng của  LACv t ta có:      1 1 2 22 22 T T Trpp 1 1 LAC LAC rpp0 0 T 1 1 V T t T1 1 1V v t .dt t .dt V .dt T T T 2 2 T T                                    T1 T trppV rppV 2      rppV 2       LACv t HÌNH H8.54: Áp  Lv t sau khi dời đến hệ trục mới với trục hoành trùng với mức áp AVGV . Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 293 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 Hay:    2LAC 1 21V J JT  (8.63) Trong đó: 1 2 2 Trpp 1 1 0 1 V T1J t .dt T T 2              (8.64) Và:   1 2 2 Trpp 1 2 T 1 V t T1J .dt T 2 T T           (8.65) Thực hiện các phép tính và thu gọn ta có kết quả sau:         2 2 22 rpp1 1 LAC rpp rpp VT T T1V . V V T 12 12 12            Suy ra: rppLAC V V 2 3  (8.66) Tóm lại: rppLAC AVG AVG VV 1 V V2 3       (8.67) Hệ số nhấp nhô được xác định theo quan hệ sau khi thế (8.61) vào (8.67): LAC AVG L V 1 Tr V R .C2 3        (8.68) Gọi f là tần số nguồn áp cấp vào chỉnh lưu, đối với chỉnh lưu toàn kỳ thời gian T trong quan hệ (8.68) chỉ bằng nửa chu kỳ của nguồn áp sin cấp vào mạch chỉnh lưu. Trong trường hợp chỉnh lưu bán kỳ thời gian T trong quan hệ (8.68) bằng chu kỳ của nguồn áp sin cấp vào mạch chỉnh lưu. Từ đó ta suy ra các quan hệ sau: Chỉnh lưu toàn kỳ L 1r 4 3.f.R .C  (8.69) Chỉnh lưu bán kỳ LAC AVG L V 1r V 2 3.f.R .C   (8.70) Áp DC trên tải được xác định theo quan hệ sau: rppAVG inmax V V V 2   (8.71) Thay thế (8.61) vào (8.71) ta có quan hệ sau: AVGAVG inmax L T.V1V V 2 R .C        (8.72) Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 294 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 Suy ra: AVG inmax L TV . 1 V 2.R .C       (8.73) Hay:  AVG inmaxV . 1 r 3 V  Tóm lại:  inmaxAVG VV 1 r 3  (8.74) THÍ DỤ 8.7: Cho mạch chỉnh lưu toàn kỳ như trong hình H8.54, tải LR 20  . Muốn áp trên tải đạt hệ số nhấp nhô yêu cầu ycr 3,5% tính điện dung C của tụ lọc. Suy ra các thông số dòng áp DC trên tải GIẢI Đầu tiên xác định các số liệu cho trong thí dụ: Áp hiệu dụng phía sơ cấp biến áp : 1V 110V . Khi bỏ qua độ thay đổi áp thứ cấp khi mang tải, áp hiệu dụng phía thứ cấp là: 1 2 ba V 110V 11V K 10    Chỉnh lưu dùng cầu diode, chỉnh lưu toàn kỳ. Tần số nguồn áp cấp vào chỉnh lưu là: 50Hz. Hệ số nhấp nhô yêu cầu là ycr 3,5% . Áp dụng quan hệ (8.69), ta có: yc L 1r r 4 3.f.R .C   hay L yc 1C 4 3.f.R .r  Suy ra: 1C F hay C 4123,93 F 4 3.50.20.0,035      Chọn giá trị điện dung C phù hợp giá trị thực tế. Ta chọn C 4700 F  . Tính lại hệ số nhấp nhô với giá trị điện dung của tụ lọc vừa chọn. 6 1r 0,0307 4 3.50.20.4700.10   Điện áp DC trên tải:      inmax 2maxAVG V V 11. 2V 14,77V1 r 3 1 r 3 1 0,0307 3      HÌNH H8.54 1V 110V / 50Hz 2V Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 295 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 8.7.DIODE ZENER: 8.7.1.TỔNG QUAN: Áp dụng chính của diode Zener dùng ổn định điện áp để tạo thành nguồn áp tham chiếu ổn định dùng trong bộ nguồn, volt kế hay các thiết bị đo lường. Diode Zener có khả năng duy trì được điện áp DC gần như không đổi trong các điều kiện hoạt động riêng. Tuy nhiên việc áp dụng diode zener có giới hạn và cần thỏa các điều kiện riêng. Ký hiệu của diode Zener trình bày trong hình H8.55. Diode Zener là linh kiện bán dẫn loại Silicon có mối nối pn được thiết kế để hoạt động vùng phân cực nghịch. Điện thế phá vở phân cực nghịch của diode Zener được chỉnh một cách cẩn thận bằng cách kiểm soát mức độ của các hạt tải trong quá trình sản xuất. Như đã biết, trên đặc tuyến phân cực nghịch của diode khi gần đạt đến mức phá vở phân cực nghịch, điện áp trên diode được duy trì hầu như không đổi ngay khi dòng điện phân cực nghịch thay đổi một cách đột ngột. Trong hình H8.56 trình bày các vùng hoạt động bình thường (được tô màu xám) của các loại diode chỉnh lưu và diode Zener. Diode Zener khi được phân cực thuận hoạt động như diode chỉnh lưu thông thường. PHÁ VỞ PHÂN CỰC NGHỊCH ZENER: Có hai loại phá vở phân cực nghịch trong diode Zener là: hiện tượng thác và zener. Quá trình thác (avalanche breakdown) đã được trình bày trong mục 8.2.5.2 xãy ra trong các loại diode chỉnh lưu cũng như diode zener khi cấp áp ngoài phân cực nghịch có giá trị đủ lớn. Hiện tương phá hủy phân cực nghịch Zener xãy ra trong diode Zener lúc phân cực nghịch với điện áp phân cực nghịch có giá trị thấp. Diode Zener được chế tạo với mức áp phá vở trạng thái phân cực nghịch có giá trị thấp, vùng nghèo trong diode zener rất hẹp chỉ là một lớp mỏng. Giá trị điện áp phá vở phân cực nghịch ở mức thấp gọi là điện áp Zener, ký hiệu là ZV . Tóm lại với các diode Zener có mức áp phá vở phân cực nghịch từ 5V trở xuống, điện áp này được gọi là ZV áp Zener; với các diode Zener có điện áp phá vở phân cực nghịch cao hơn 5V (có thể lên đến 200V) được gọi là áp phá vở pphân cực nghịch BRV . Sai số của các áp: ZV và BRV từ 1% đến 2 %. HÌNH H8.55 HÌNH H8.56: Đặc tuyến Volt Ampere tổng quát của diode thường và diode Zener. Vùng phân cực nghịch Vùng phân cực nghịch Vùng phân cực thuận a./ Các vùng hoạt động bình thường của diode chỉnh lưu b./ Vùng hoạt động bình thường của diode Zener Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 296 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 ĐẶC TUYẾN VOLT AMPERE PHÂN CỰC NGHỊCH CỦA DIODE ZENER: Trong hình H8.57 trình bày vùng phân cực nghịch trên đặc tuyến volt ampere của diode Zener. Khi áp phân cực nghịch RV gia tăng, dòng phân cực nghịch RI duy trì giá trị rất thấp cho đến điểm khuỷu trên đặc tuyến. Dòng điện phân cực ngược còn được gọi là dòng Zener ZI . Tại ngay điểm bắt đầu xảy ra quá trình phá vở phân cực ngược, điện trở nội hay tổng trở Zener ZZ bắt đầu giảm nhanh và dòng phân cực ngược tăng giá trị nhanh chóng . Tại vị trí bên dưới điểm khuỷu áp Zener ZV duy trì gần như không đổi (hơi tăng rất ít) khi dòng ZI gia tăng . TÍNH ĐIỀU HÒA ÁP CỦA DIODE ZENER: Khi diode Zener hoạt động trong vùng phân cực ngược, có khả năng duy trì áp ngược đặt ngang qua hai đầu diode có giá trị hầu như không đổi khi dòng phân cực nghịch thay đổi trong phạm vi rộng, ta nói diode Zener có tính điều hòa hay ổn định điện áp. Gía trị nhỏ nhất của dòng điện phân cực ngược là ZKI phải được duy trì để diode Zener hoạt động như bộ ổn áp. Khi dòng qua diode Zener có giá trị thấp hơn mức ZKI tính ổn áp của Zener sẽ biến mất. Gía trị lớn nhất của dòng điện phân cực ngược là ZMI cũng cần được duy trì, khi dòng qua diode Zener có giá trị cao hơn mức ZMI diode bị hỏng do công suất tiêu tán nhiệt trên diode quá lớn. Một cách cơ bản, diode Zener có khả năng duy trì điện áp đặt ngang qua hai đầu diode hầu như không đổi khi dòng điện ngược thay đổi trong phạm vi từ ZKI đến ZMI . Trong các tài liệu trình bày đặc tính kỹ thuật của diode Zener cho bởi các nhà sản xuất, áp định mức của diode Zener ZTV được cho theo dòng điện phân cực nghịch thử nghiệm ZTI . Giá trị của dòng ZTI thường là trung điểm của phạm vi dòng điện từ ZKI đến ZMI . 8.7.2.MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA DIODE ZENER: Trong hình H8.58a trình bày mẫu diode lý tưởng của diode Zener trong trạng thái phân cực nghịch. Giá trị của nguồn áp không đổi ZV bằng giá trị định mức của diode Zener. Nên nhớ, nguồn áp này chỉ có giá trị biểu diễn trạng thái hoạt động của diode và bản thân của diode không tạo ra sức điện động. Trong hình H8.5b trình bày mẫu thực nghiệm của diode Zener trong trạng thái phân cực nghịch bao gồm tổng trở nội ZV của diode zener. Đặc tuyến Volt ampere thực tế không hoàn toàn thẳng đứng trong đoạn làm việc. HÌNH H8.57: Đặc tuyến Volt Ampere phân cực nghịch Của diode Zener. Dòng Zener tại điểm khuỷu Dòng Zener thử nghiệm Dòng Zener cực đại HÌNH H8.58: b./ Thực nghiệm a./ Lý tưởng Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 297 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 Trong hình H8.59, với sự thay đổi dòng điện Zener ZI trong phạm vi ZI tạo ra một khoảng thay đổi áp zener ZV . Theo định luật Ohm ta có tổng trở nội của diode Zener định nghĩa như sau: Z Z Z V Z I  (8.75) Thông thường giá trị ZZ được xác định tại điểm có giá trị dòng zener bằng dòng thử nghiệm ZTI và gọi là ZTZ : tổng trở nội thử nghiệm. Trong hầu hết các trường hợp giá trị ZTZ là hằng số trong dảy giá trị làm việc của dòng điện zener và có thể xem ZTZ là điện trở thuần. THÍ DỤ 8.8: Cho diode Zener 1N4736 có ZTZ 3,5  . Các số liệu cho trong tài liệu kỹ thuật là: ZTV 6,8V ; ZTI 37mA và dòng ZKI 1mA . Xác định điện áp ngang qua hai đầu diode Zener khi có dòng qua diode lần lượt là: 25 mA và 50 mA GIẢI Thông số kỹ thuật của diode cho trong tài liệu kỹ thuật gồm: ZTV 6,8V ; ZTI 37mA ; ZTZ 3,5  . Khi dòng qua diode ZI 50mA giá trị này tăng cao hơn dòng ZTI 37mA một khoảng là: Z Z ZTI I I 50 37 13mA      Điện áp đặt ngang qua hai đầu tổng trở nội của diode là ZV . Z ZT ZV Z . I 3,5 13mA 45,5mV       Điện áp đặt ngang qua hai đầu Diode Zener tại dòng ZI 50mA là: Z ZT ZV V V 6,8 0,0455 6,85V      Tương tự khi dòng qua diode zener là ZI 25mA , áp ngang qua hai đầudiode Zener là:    Z ZT Z Z ZTV V Z . I I 6,8 3,5 0,025 0,037 6,76V        HÌNH H8.59 ZTI 37mA ZTV 6,8V ZI 50mA ZI ZV ZKI 1mA Z ZT ZV V V   Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 298 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 8.7.3.CÁC ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ LÊN DIODE ZENER: 8.7.3.1.HỆ SỐ NHIỆT (TEMPERATURE COEFFICIENT): Hệ số nhiệt của diode Zener được định nghĩa là phần trăm thay đổi điện áp zener khi nhiệt độ môi trường thay đổi 1oC. Hệ số nhiệt được ký hiệu là TC . Gọi ZV là độ thay đổi áp zener khi khoảng nhiệt độ môi trường thay đổi là T và ZV là áp zener định mức (thường được xác định tại nhiệt độ 25oC). Ta có quan hệ sau: Z ZV V TC T     (8.76) Đơn vị của các đại lượng trong quan hệ (8.75) là: Z ZV V V             ; o %TC C          và oT C        . Hệ số nhiệt TC có thể có giá trị dương hoặc âm. Với hệ số nhiệt dương, khi nhiệt độ gia tăng áp zener tăng; ngược lại với hệ số nhiệt âm khi nhiệt độ gia tăng áp zener giảm. Trong một số các tài liệu kỹ thuật , đơn vị của hệ số nhiệt được tính theo o mV C     , trong trường hợp này quan hệ (8.75) được viết lại như sau: ZV TC T    (8.77) THÍ DỤ 8.9: Cho diode Zener có áp zener là ZV 8,2V tại nhiệt độ môi trường là 25oC, biết hệ số nhiệt của diode Zener là o%TC 0,05 C . Xác định áp zener tại 60 oC. GIẢI Áp dụng quan hệ (8.76) ta có:  Z 0,05V 8,2 60 25 0,1435V100      Áp zener tại 60oC là: o oZ Z Z60 C 25 CV V V 8,2 0,1435 8,34V      8.7.3.2.CÔNG SUẤT TIÊU TÁN (POWER DISSIPATION): Công suất tiêu tán cực đại là công suất tiêu thụ tối đa cho phép khi diode zener hoạt động. Gọi DmaxP là công suất tiêu tán tối đa cho phép và DP là công suất tiêu tán trên diode zener tại điểm làm việc bất kỳ. Ta có quan hệ sau: D Z ZP V I  (8.78) Giá trị DmaxP của mỗi diode zener được xác định bởi nhà sản xuất tại nhiệt độ chuẩn định trước (giả sử tại 50oC). Khi nhiệt độ môi trường thay đổi , giá trị DmaxP cho phép giảm xuống khi nhiệt độ gia tăng. Gọi DPK là hệ số giảm công suất tiêu tán (Derating Power Coefficient) cực đại; đơn vị của hệ số này là DP o mVK C          . Ta có quan hệ sau: D D DPTP P K T     (8.79) Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 299 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 THÍ DỤ 8.10: Cho diode Zener có DmaxP 400mW tại 50oC, biết hệ số DP omVK 3,2 C . Tìm công suất tiêu tán cực đại cho phép tại nhiệt độ 90oC . GIẢI Áp dụng quan hệ (8.79) ta có:  o oD D DP90 C 50 CP P K T 400 3,2 90 50 272mW         8.7.4.CÁC ÁP DỤNG CỦA DIODE ZENER: 8.7.4.1.DÙNG DIODE ZENER ĐIỀU HÒA ÁP NGÕ RA KHI ÁP NGÕ VÀO THAY ĐỔI: Trong hình H8.60 trình bày phương pháp áp dụng diode zener để điều hòa điện áp khi áp DC ngõ vào thay đổi. Khi điện áp ngõ vào thay đổi trong phạm vi định trước, diode zener duy trì điện áp đặt ngang qua hai đầu của nó gần như không đổi. Khi áp vào INV thay đổi, dòng ZI thay đổi tỉ lệ với điện áp ngõ vào trong phạm vi xác định trước. Tương ứng với phạm vi thay đổi điện áp vào nêu trên, dòng qua diode zener thay đổi trong phạm vi từ: ZKI (dòng cực tiểu qua diode zener) đến ZMI (dòng cực đại qua diode zener). Điện trở R nối trên ngõ vào, được gọi là điện trở giới hạn. Để mô tả rõ ràng hơn tính điều hòa điện áp của diode zener chúng ta khảo sát thí dụ 8.11 sau đây : THÍ DỤ 8.10: Cho diode zener có mã số 1N4740, xem hình H8.61 có thể điều hòa áp khi dòng qua zener thay đổi trong phạm vi từ : ZKI 0,25 mA đến ZMI 100 mA . Từ tài liệu của nhà sản xuất ta có các thông số khác là : DmaxP 1W và ZV 10V GIẢI Đầu tiên cẩn chú ý số liệu sau: Dmax ZM Z P 1 WI 0,1A 100 mA V 10 V     Tương ứng với dòng nhỏ nhất qua diode zener, điện áp đặt ngang qua hai đầu điện trở giới hạn R 200  là : Rmin ZKV R.I 220 0,25mA 55mV     Giá trị thấp nhất của áp ngõ vào là : inmin Rmin ZV V V 10V 55mV 10,055V     HÌNH H8.60 Dòng ZI giảm Dòng ZI tăng b./ Khi áp vào giảm, áp ra không đổi ( IZK < IZ < IZM ) a./ Khi áp vào tăng, áp ra không đổi ( IZK < IZ < IZM ) BỘ NGUỒN DC BỘ NGUỒN DC HÌNH H8.61 Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 300 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 Tương ứng với dòng lớn nhất qua diode zener, điện áp đặt ngang qua hai đầu điện trở giới hạn R 200  là : Rmax ZKV R.I 220 100mA 22V     Giá trị cao nhất của áp ngõ vào là : inmax Rmax ZV V V 22V 510V 32V     Trong quá trình tính toán này chúng ta bỏ qua ảnh hưởng của tổng trở nội zener , thực chất điện áp ngõ ra hơi thay đổi khác giá trị 10 V khi áp vào thay đổi trong phạm vi từ 10,055 V đến 32 V. THÍ DỤ 8.11: Cho mạch điều hòa điện áp dùng diode zener có mã số 1N4733, xem hình H8.62. Từ tài liệu kỹ thuật ta có các thông số: ZV 5,1V ; ZTI 49 mA ; ZKI 1mA ; DmaxP 1W và ZZ 7  . Xác định giá trị min và max của áp ngõ vào inV để diode zener điều hòa điện áp trên ngõ ra. GIẢI Giả sử giá trị tổng trở nội của diode zener có giá trị không đổi trong phạm vi dòng điện qua zener được khảo sát, mạch điện tương đương của didode zener được vẽ lại trong hình H8.63. Tại lúc dòng điện qua diode zener có giá trị nhỏ nhất ZKI 1mA , điện áp ra OUTV đo trên hai đầu diode zener được xác định theo quan hệ sau:    OUTmin Z Z ZK ZTV V Z I I 5,1 7 0,001 0,049 4,764 V         Dòng tối đa cho phép qua diode zener: Dmax ZM Z P 1I 0,196 A V 5,1    Áp OUTV đo trên hai đầu diode zener lúc dòng ZMI qua mạch:    OUTmax Z Z ZM ZTV V Z I I 5,1 7 0,196 0,049 6,129 V         Áp INV trên ngõ vào lúc dòng qua mạch là ZKI : INmin ZK OUTminV R.I V 100 0,001 4,764 4,964 V      Áp INV trên ngõ vào lúc dòng qua mạch là ZMI : INmax ZM OUTmaxV R.I V 100 0,196 6,129 25,729 V      Tóm lại điện áp ngõ vào cho phép thay đổi trong phạm vi: 4,96 V đến 25,73V để điều hòa áp ngọ ra trong phạm vi : 4,76 V đến 6,13 V. HÌNH H8.62 HÌNH H8.63 Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 301 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 8.7.4.2.DÙNG DIODE ZENER ĐIỀU HÒA ÁP NGÕ RA KHI TẢI THAY ĐỔI: Trong hình H8.64 trình bày mạch điều hòa điện áp dùng diode zener khi điện trở tải LR thay đổi giá trị. Diode zener duy trì điện áp đặt ngang qua hai đầu điện trở tải LR co giá trị gần như không đổi khi dòng qua diode zener có giá trị trong phạm vi ZK Z ZMI I I  . Khi điện trở tải LR   , tải hở mạch, dòng qua tải bằng 0, tất cả dòng điện đều qua diode zsener; ta nói mạch điều hòa điện áp đang hoạt động tại trạng thái không tải. Khi điện trở LR được đấu song song với diode zener, trên các nhánh của zener và LR có các dòng điện đi qua. Dòng điện tổng qua điện trở giới hạnR cần có giá trị không đổi để diện áp trên hai đầu diode zener được ổn định. Khi giá trị LR giảm, dòng qua tải LI tăng và dòng qua ZI giảm, diode zener tiếp tục điều hòa áp cho đến khi dòng ZI đạt đến giá trị thấp nhất là ZKI . Tại lúc này dòng qua tải đạt giá trị lớn nhất và xác định điều kiện đầy tải. Sự kiện này được mô tả cụ thể bằng số trong thí dụ 8.12. THÍ DỤ 8.12: Xác định giá trị cực tiểu và cực đại của dòng qua tải khi diode zener trong hình H8.65 điều hòa điện áp. Xác định giá trị cực tiểu và cực đại của điện trở tải LR được sử dụng. Cho ZV 12V ; ZKI 1mA ; ZMI 50 mA . Giả sử tổng trở nội của diode zener ZZ 0  và ZV duy trì không đổi giá trị 12 V trong khoảng giá trị dòng qua zener nêu trên . GIẢI Khi dòng qua tải LI 0 A ; dòng qua diode zener đạt giá trị tối đa là Z(max)I : in ZZ(max) V V 24 12I 0,02553A 25,53mA R 470      Vì giá trị tối đa của dòng qua diode zener là Z(max) ZMI I , nên giá trị LR   là giá trị cực đại của điện trở tải và dòng LI 0 A là giá trị cực tiểu cho phép qua tải. Giá trị tối đa của dòng qua tải xãy ra khi dòng qua diode zener đạt giá trị thấp nhất là ZKI 1mA ; ta có: L(max) T ZK Z(max) ZKI I I I I 25,53 1 24,53 mA       Dòng TI là dòng tổng qua điện trở giới hạn R 470  , giá trị này bằng giá trị dòng cữc đại qua diode zener lúc không tải. Giá trị cực tiểu của điện trở tải: ZL(max) L(min) V 12VR 0,48919 k 489,2 I 24,53mA       HÌNH H8.64 HÌNH H8.65 Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 302 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 THÍ DỤ 8.13: Cho mạch điện hình H8.66, trong đó diode zener 1N4744 có các thông số kỹ thuật như sau: ZV 15 V tại dòng ZTI 17 mA ; ZKI 0,25mA ; ZZ 14  ; D(max)P 1W . Xác định: a./ Áp OUTV tại dòng ZKI và ZMI . b./ Giá trị điện trở giới hạn R . c./ Giá trị cực tiểu của điện trở tải LR . GIẢI a./ Áp OUTV với dòng điện cực tiểu qua diode, ta có:  OUT Z ZK Z ZV V V Z I 15 14 0,00025 0,017 14,7655V          Dòng cực đại cho phép qua diode zener: D(max)ZM ZT P 1I 0,06667 A 66,67mA V 15     Áp OUTV với dòng điện cực đại qua diode :  OUT Z ZK Z ZV V V Z I 15 14 0,06667 0,017 15,695V          b./ Tính toán giá trị điện trở giới hạn theo dòng điện cực đại qua diode zener lúc không tải. Ta có: IN OUTmax ZM V V 24 15,695R 124,57 I 0,06667      Khi điện trở giới hạn R là điện trở than; chọn điện trở có giá trị tiêu chuẩn gần giá trị tính toán là: 130 . c./ Giá trị cực tiểu của điện trở tải LR . Dòng qua điện trở giới hạn R khi dòng qua diode zener có giá trị cực tiểu: IN OUT(min)T V V 24 14,76I 0,071mA R 130     Dòng qua điện trở tải LR khi dòng qua diode zener có giá trị cực tiểu: L T ZKI I I 0,071 0,00025 0,07075 A 70,75 mA      Giá trị điện trở tải tối thiểu cho phép để áp ngõ ra được ổn định: OUTminLmin L V 14,76R 208,62 209 I 0,07075      HÌNH H8.66 Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 303 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 8.7.4.3.MẠCH GIỚI HẠN DÙNG DIODE ZENER – MẠCH XÉN: Diode zener có thể dùng trong các mạch xoay chiều để giới hạn điện áp tại các mức giời hạn cho trước. Chúng ta có ba phương pháp giới hạn áp dùng diode zener. Trong hình H8.67, trình bày mạch giới hạn áp xoay chiều. Tương ứng bán kỳ dương của áp INV diode zener giới hạn bán kỳ dương bằng với mức áp ZV của diode zener. Trong suốt bán kỳ âm, zener tác động như diode phân cựcv thuận và giới hạn mức áp âm trong phạm vi  0,7V. Khi đấu đảo cực của zener, ta có mạch giới hạn áp theo hình H8.68, mạch giới hạn đỉnh áp xoay chiều trong bán kỳ âm theo tác động của zener và trong bán kỳ dương của áp INV điện áp trên diode zener được giới hạn tạo mức + 0,7V. Trường hợp thứ ba của mạch giới hạn điện áp dùng hai diode zener đấu nối tiếp ngược cực tính như trong hình H8.69. Tại bán kỳ dương, diode zener D1 tác động như diode thông thường ơ trạng thái phân cực thuận và diode zener D2 tác động như bộ giới hạn. Khi áp ngõ vảo ở bán kỳ âm tác động của các diode ngược lại. Giả sư các diode zener D1 và D2 có củng mức áp ZV , các mức điện áp giới hạn có giá trị như trong hình vẽ. THÍ DỤ 8.14: Cho mạch giới hạn điện áp xoay chiều như trong hình H8.70 , xác định dạng áp trên ngõ ra. GIẢI Tương ứng với bán kỳ dương của áp xoay chiều trên ngõ vào INV , diode zener phía trên phân cực thuận và diode zener bên dưới phân cực nghịch. Điện áp trên ngõ ra xác định như sau: OUTV 0,7 5,1 5,8 V   Tại bán kỳ âm diode phía trên tác động như bộ giới hạn và diode zener bên dưới phân cực thuận, ta có áp ngõ ra xác định theo quan hệ: OUTV 0,7 3,3 4 V     Áp ngõ ra trình bày trong hình H8.71. HÌNH H8.67 HÌNH H8.68 HÌNH H8.69 HÌNH H8.70 HÌNH H8.71 Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 304 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 BÀI TẬP CHƯƠNG 8 BÀI TẬP 8.1 Cho mạch chỉnh lưu toàn kỳ với mạch lọc dùng tụ cung cấp điện áp DC 26 V cho tải điện trở 3,3 kΩ . Giả thiết diode là lý tưởng, xác định : a./ Giá trị cực tiểu cho tụ lọc biết điện áp tức thời trên tải có giá trị nhấp nhô trong phạm vi 0,5 V. Chọn giá trị điện dung gần dảy giá trị thực tế (10 ; 22 ; 33 ; 47 ; 100 ; 220 ; 330 ; 470 . . .) . Tính lại hệ số nhấp nhô với giá trị tụ lọc được chọn. b./ Áp hiệu dụng cấp vào mạch chỉnh lưu ĐÁP SỐ: a./ r = 0,01923 ; C = 45,49 µF chọn C = 47 µF r = 1,86 % b./ Vin = 18,97  19 V BÀI TẬP 8.2 Cho mạch chỉnh lưu toàn kỳ không mạch lọc lắp ở thứ cấp biến áp cách ly, biết áp hiệu dụng ngõ vào biến áp là 110 V – 50Hz và áp ngõ ra của mạch chỉnh lưu có giá trị đỉnh là 15 V . Điện trở tải LR 700  . Khi lắp thêm mạch lọc tụ điện áp DC trên ngõ ra là 14 V. Khi xem các diode chỉnh lưu lý tưởng, xác định hệ số nhấp nhô trên tải suy ra điện dung của tụ lọc. ĐÁP SỐ: r = 4,12% ; C = 100 µF BÀI TẬP 8.3 Thiết kế mạch chỉnh lưu toàn kỳ có mạch lọc dùng tụ, dùng biến áp cách ly thứ cấp có điểm giữa. Áp hiệu dụng thứ cấp biến áp là 18 V – 0 – 18 V. Điện trở tải LR 680  . Biết rằng các diode chỉnh lưu lý tưởng, tần số nguồn điện cấp vào biến áp là 50 Hz và hệ số nhấp nhô trên tải không vượt quá 5%. ĐÁP SỐ: C = 84,9 µF chọn C= 100 µF , r = 4,25% ; VDC = 23,7 V BÀI TẬP 8.4 Tìm hiểu và giải thích nguyên lý hoạt động của mạch chỉnh lưu trong hình H8.72. Khảo sát mạch theo các trường hợp : a./ TH 1 : Không dùng các tụ lọc C. b./ TH2 : Có dùng tụ lọc C. BÀI TẬP 8.5 Vẽ dạng sóng của điện áp ra OUTV của các mạch (a) ; (b); (c) trong hình H8.73. Xét các trường hợp diode là lý tưởng và diode có dạng thực nghiệm. LR LR C C 1D 2D 3D 4D abV 12V bcV 12V HÌNH H8.72 HÌNH H8.73 Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 305 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 BÀI TẬP 8.6 Vẽ dạng sóng của điện áp ra OUTV trên điện trở tải LR của các mạch (a) ; (b); (c) trong hình H8.74. Xét các trường hợp diode là lý tưởng và diode có dạng thực nghiệm. BÀI TẬP 8.7 Vẽ dạng sóng của điện áp ra OUTV của các mạch (a) ; (b) trong hình H8.75. Xét các trường hợp diode là lý tưởng và diode có dạng thực nghiệm. BÀI TẬP 8.8 Vẽ dạng sóng của điện áp ra OUTV của các mạch (a) ; (b) ; (c) và (d) trong hình H8.76. Xét các trường hợp diode là lý tưởng và diode có dạng thực nghiệm. HÌNH H8.74 HÌNH H8.75 HÌNH H8.76 Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 306 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8