Bộ chỉnh lưu nửa sóng là gì?

Bộ chỉnh lưu là một thiết bị chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC). Nó được thực hiện bằng cách sử dụng một diode hoặc một nhóm các điốt. Bộ chỉnh lưu nửa sóng sử dụng một diode, trong khi bộ chỉnh lưu sóng toàn phần sử dụng nhiều điốt.

Hoạt động của bộ chỉnh lưu nửa sóng lợi dụng thực tế là điốt chỉ cho phép dòng điện chạy theo một hướng.

Lý thuyết chỉnh lưu nửa sóng

Một bộ chỉnh lưu nửa sóng là hình thức chỉnh lưu đơn giản nhất hiện có. Chúng ta sẽ xem xét một mạch chỉnh lưu nửa sóng hoàn chỉnh sau - nhưng trước tiên hãy hiểu chính xác loại chỉnh lưu này đang làm gì.

Sơ đồ dưới đây minh họa nguyên lý cơ bản của bộ chỉnh lưu nửa sóng. Khi dạng sóng AC tiêu chuẩn được truyền qua bộ chỉnh lưu nửa sóng, chỉ còn lại một nửa dạng sóng AC. Chỉnh lưu nửa sóng chỉ cho phép một nửa chu kỳ (nửa chu kỳ dương hoặc âm) của điện áp xoay chiều và sẽ chặn nửa chu kỳ còn lại ở phía DC, như hình dưới đây.

Chỉ cần một diode để xây dựng bộ chỉnh lưu nửa sóng. Về bản chất, đây là tất cả những gì mà bộ chỉnh lưu nửa sóng đang làm.

Vì các hệ thống DC được thiết kế để có dòng điện chạy theo một hướng (và điện áp không đổi - sẽ mô tả sau), việc đặt dạng sóng AC với chu kỳ dương và âm qua thiết bị DC có thể gây ra hậu quả hủy diệt (và nguy hiểm). Vì vậy, chúng tôi sử dụng bộ chỉnh lưu nửa sóng để chuyển đổi nguồn đầu vitme bi vào AC thành nguồn đầu ra DC.

Nhưng diode chỉ là một phần của nó - một mạch chỉnh lưu nửa sóng hoàn chỉnh bao gồm 3 phần chính:

1. Máy biến áp
2. Một tải điện trở
3. Một diode

Một sơ đồ mạch chỉnh lưu nửa sóng trông như thế này:

Bây giờ chúng ta sẽ trải qua quá trình làm thế nào một bộ chỉnh lưu nửa sóng chuyển đổi điện áp xoay chiều 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 có được một điện áp thấp ở cuộn dây thứ cấp sẽ được đặt vào diode.

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 hiển thị trong hình 3 ở trên.

Điều này có thể gây nhầm lẫn trong cái nhìn đầu tiên - vì vậy hãy đi sâu vào lý thuyết về điều này hơn một chút.

Chúng tôi sẽ tập trung vào phía thứ cấp của mạch. Nếu chúng ta thay thế cuộn dây biến áp thứ cấp bằng điện áp nguồn, chúng 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.

Đối với nửa chu kỳ dương của điện áp nguồn AC, mạch tương đương có hiệu quả trở thành:

Điều này là do các diode được phân cực thuận và do đó cho phép dòng điện đi qua. Vì vậy, chúng tôi có một mạch kín.

Nhưng đối với nửa chu kỳ âm của điện áp nguồn AC, mạch tương đương trở thành:

Bởi vì diode hiện đang 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 mở. 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 mỗi giây (tùy thuộc vào tần số).

Đây là dạng sóng chỉnh lưu nửa sóng trông như thế nào ở phía đầu vào (V in ) và trông như thế nào ở phía đầu ra (V out ) sau khi chỉnh lưu (tức là chuyển đổi từ AC sang DC):

Biểu đồ trên thực sự cho thấy một bộ chỉnh lưu nửa sóng dương. Đây là một bộ chỉnh lưu nửa sóng chỉ cho phép nửa chu kỳ dương thông qua diode và chặn nửa chu kỳ âm.

Dạng sóng điện áp trước và sau khi dương nửa sóng chỉnh lưu được hiển thị 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 mộttích cực và chỉnh lưu nửa sóng âm là hướng của diode.

Như bạn có thể thấy trong hình 5 bên dưới, diode hiện đang ở hướng ngược lại. Do đó, diode bây giờ sẽ được phân cực thuận chỉ khi dạng sóng AC ở nửa chu kỳ âm của nó.

Bộ lọc chỉnh lưu nửa sóng

Dạng sóng đầu ra mà chúng ta thu được từ lý thuyết trên là dạng sóng DC dao động. Đây là những gì thu được khi sử dụng bộ chỉnh lưu nửa sóng mà không có bộ lọc.

Bộ lọc là các thành phần được sử dụng để chuyển đổi (làm mịn) dạng sóng DC xung thành dạng sóng DC không đổi. Họ đạt được điều này bằng cách triệt tiêu các gợn sóng DC trong dạng sóng.

Mặc dù về mặt lý thuyết, các bộ chỉnh lưu nửa sóng không có bộ lọc là có thể, 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 phải 'làm mịn' dạng sóng xung này để nó được sử dụng trong thế giới thực.

Đây là lý do tại sao trong thực tế, chúng tôi sử dụng bộ chỉnh lưu nửa sóng với bộ lọc thanh răng . Một tụ điện hoặc một cuộn cảm có thể được sử dụng như một bộ lọc - nhưng bộ chỉnh lưu nửa sóng với bộ lọc tụ điện được sử dụng phổ biến nhất.

Sơ đồ mạch dưới đây 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 rút ra các công thức khác nhau cho bộ chỉnh lưu nửa sóng dựa trên lý thuyết và đồ thị trước đây.

Hệ số Ripple 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 cố gắng hết sức để loại bỏ tất cả các thành phần AC, vẫn còn một lượng nhỏ còn lại ở phía đầu ra làm rung dạng sóng DC. Thành phần AC không mong muốn này được gọi là 'Ripple'.

Để định lượng mức độ của bộ chỉnh lưu nửa sóng có thể chuyển đổi điện áp xoay chiều thành điện áp DC tốt như thế nào, chúng tôi sử dụng hệ số gợn sóng (được biểu thị bằng hoặc r). Hệ số gợn là tỷ lệ giữa giá trị RMS của điện áp AC (ở phía đầu vào) và điện áp DC (ở phía đầu ra) của bộ chỉnh lưu.

Công thức cho yếu tố gợn là:

Mà cũng có thể được sắp xếp lại bằng nhau:

Hệ số gợn của bộ chỉnh lưu nửa sóng bằng 1,21 (tức là = 1,21).

Lưu ý rằng để chúng tôi xây dựng một bộ chỉnh lưu tốt, chúng tôi 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 các gợn sóng trong mạch.

Hiệu quả của bộ chỉnh lưu nửa sóng

Hiệu suất chỉnh lưu (η) là tỷ lệ giữa nguồn DC đầu ra và nguồn AC đầu vào. Công thức chohiệu quả bằng:

Hiệu quả của một nửa làn sóngbộ chỉnh lưu bằng 40,6% (tức là η max = 40,6%)

Giá trị RMS của Bộ chỉnh lưu nửa sóng

Để lấy giá trị RMS của bộ chỉnh lưu nửa sóng, chúng ta cần tính toán dòng điện qua tải. Nếu dòng tải tức thời bằng i L = I m sinωt, thì trung bình của dòng tải (I DC ) bằng:

Ở đâu Tôim bằng với dòng điện tức thời cực đại trên tải (I max ). Do đó, dòng DC đầu ra (I DC ) thu được trên tải là:

Đối với bộ chỉnh lưu nửa sóng, dòng tải RMS (I rms ) bằng với dòng trung bình (I DC ) nhân với π / 2. Do đó, giá trị RMS của dòng tải (I rms ) cho bộ chỉnh lưu nửa sóng là:

Trong đó I m = I max tương đương với dòng tức thời cực đại trên tải.

Nghịch đảo điện áp cao điểm của làn sóng chỉnh lưu một nửa

Điện áp nghịch đảo cực đại (PIV) là điện áp tối đa mà diode có thể chịu được trong điều kiện sai lệch 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 lệ giữa giá trị RMS và giá trị trung bình, như được hiển thị trong công thức dưới đây:

Hệ số dạng của bộ chỉnh lưu nửa sóng bằng 1,57 (tức là FF = 1,57).

Điện áp một chiều

Điện áp đầu ra (V DC ) trên điện trở tải được ký hiệu là:

Các ứng dụng của chỉnh lưu Half Wave

Nửa sóngbộ chỉnh lưu 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 đỉnh tín hiệu

Ưu điểm của chỉnh lưu nửa sóng

Ưu điểm chính của chỉnh lưu nửa sóng là ở sự đơn giản của chúng. Vì chúng không yêu cầu nhiều thành phần, chúng đơn giản và rẻ hơn đểthiết lập và xây dựng.

Như vậy, ưu điểm chính của chỉnh lưu nửa sóng là:

• Đơn giản (số lượng thành phần thấp hơn)
• Chi phí trước rẻ hơn (vì chúng là thiết bị ít hơn. Mặc dù có chi phí cao hơn theo thời gian do tổn thất điện năng tăng)

Nhược điểm của chỉnh lưu nửa sóng

Những nhược điểm của chỉnh lưu nửa sóng là:

• Họ chỉ cho phép một nửa chu kỳ thông qua mỗi hình sin và nửa chu kỳ còn lại bị lãng phí. Điều này dẫn đến mất điện.
• Họ tạo ra một điện áp đầu ra thấp.
• Dòng điện đầu ra mà chúng ta 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 3 pha nửa sóng

Tất cả các lý thuyết ở trên đã xử lý một bộ chỉnh lưu nửa sóng một pha. Mặc dù nguyên lý của bộ chỉnh lưu nửa sóng 3 pha là như nhau, nhưng các đặc tính là khác nhau. Các giá trị đầu ra dạng sóng, hệ số gợn, hiệu quả và RMS không giống nhau.

Các ba phaBộ chỉnh lưu nửa sóng được sử dụng để chuyển đổi nguồn AC ba pha thành nguồn DC. Ở đây các công tắc là điốt, và do đó chúng là các công tắc không được kiểm soát. Điều đó 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 pha 3 pha thường được chế tạo với nguồn cung cấp ba pha được kết nối với máy biến áp ba pha trong đó cuộn dây thứ cấp của máy biến áp luôn được kết nối thông qua kết nối sao . Điều này là do điểm trung tính được yêu cầu để kết nối tải trở lại cuộn dây thứ cấp của máy biến áp, cung cấp đường dẫn trở lại cho dòng điện.

Một cấu hình điển hình của bộ chỉnh lưu nửa sóng ba pha cung cấp cho tải thuần trở được trình bày bên dưới. Ở đây, mỗi pha của máy biến áp được coi là một nguồn xoay chiều riêng lẻ. Việc mô phỏng và đo điện áp được thể hiện trong mạch dưới đây. Ở đây chúng tôi đã kết nối một vôn kế riêng trên mỗi nguồn cũng như trên tải.

Các điện áp ba pha được hiển thị dưới đây.

Điện áp trên tải điện trở được hiển thị dưới đây. Điện áp được hiển thị màu đen.

Vì vậy, chúng ta có thể thấy từ hình trên, diode D1 tiến hành khi pha R có giá trị là điện áp cao hơn giá trị điện áp của hai pha còn lạivàtình trạng này bắt đầu khi pha R ở mức 30 o và lặp lại sau mỗi chu kỳ hoàn chỉnh. Điều đó có nghĩa là, lần tiếp theo DI bắt đầu tiến hành là ở mức 390 o . Diode D2 tiếp nhận sự dẫn điện từ D1, dừng ở góc 150 o bởi vì tại thời điểm này, giá trị của điện áp trong pha B trở nên cao hơn điện áp trong 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 DC kết quả không hoàn toàn là DC vì nó không phẳng,nhưngđúng hơn là nó chứa một gợn sóng. Và tần số của gợn là 3 × 50 = 150 Hz.

Trung bình của điện áp đầu ra trên tải điện trở được cho bởi

Ở đâu,

Giá trị RMS của điện áp đầu ra được cho bởi

Điện áp gợn bằng,

Và hệ số gợn điện áp bằng,

Các phương trình trên cho thấy rằng gợn điện áp là đáng kể. Điều này là không mong muốn vì điều này dẫn đến mất điện không cần thiết.

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, nhưng nó vẫn thấp hơn hiệu suất được cung cấp bởi bộ chỉnh lưu diode toàn sóng 3 pha . Mặc dù ba bộ chỉnh lưu nửa pha có giá rẻ hơn, nhưng việc tiết kiệm chi phí này không đáng kể so với số tiền bị mất trong tổn thất điện năng cao hơn của chúng. Như vậy, bộ chỉnh lưu nửa sóng ba pha không được sử dụng phổ biến trong công nghiệp.