Tài liệu _diode_in ung dung

Chöông 1: Diode Moân: Ñieän Töû Cô Baûn CHƯƠNG 1: DIODE 1.3. Một số ứng dụng: 1.3.1. Mạch chỉnh lưu: Trong mạch này ta dùng kiểu mẫu lý tưởng hoặc gần đúng của diode trong việc phân tích mạch. a. Mạch chỉnh lưu nửa sóng (một bán kỳ) Dạng mạch căn bản cùng các dạng sóng (thí dụ hình sin) ở ngõ vào và ngõ ra như hình 23 A B Hình 23: Mạch và dạng sóng chỉnh lưu 1 bán kỳ. * Nguyên tắc hoạt động: - Xét bán kỳ dương của Vi(t): diode được phân cực thuận nên dẫn điện. Dòng điện chạy từ A qua diode qua tải trở về B. - Xét bán kỳ âm của Vi(t): diode bị phân cực nghịch nên không dẫn điện. - Qua 2 bán kỳ cho thấy ngõ ra chỉ nhận được 1 bán kỳ và dòng qua tải luôn chạy từ trên xuống. Suy ra dòng trên tải là dòng 1 chiều. * Tính toán: Ta có: - Biên độ đỉnh của vo(t) Vdcm = Vm - 0.7V - Ðiện thế trung bình ngõ ra: V DC  Vdcm  0,318Vdcm  - Ðiện thế đỉnh phân cực nghịch của diode là: VRM=Vm Ta cũng có thể chỉnh lưu lấy bán kỳ âm bằng cách đổi đầu diode. b. Chỉnh lưu toàn sóng với biến thế có điểm giữa Ñaëng Thaønh Töïu 1 Chöông 1: Diode Moân: Ñieän Töû Cô Baûn Mạch cơ bản như hình 24a; Dạng sóng ở 2 cuộn thứ cấp như hình 24b A B C Hình 24: Mạch và dạng sóng chỉnh lưu toàn kỳ dùng biến áp có điểm giữa. * Nguyên tắc hoạt động: - Ở bán kỳ dương, diode D1 phân cực thuận và dẫn điện trong lúc diode D 2 phân cực nghịch nên xem như hở mạch. Dòng điện chạy từ A qua D1 qua tải trở về B. - Ở bán kỳ âm, diode D2 phân cực thuận và dẫn điện trong lúc diode D1 phân cực nghịch nên xem như hở mạch. Dòng điện chạy từ C qua D 2 qua tải trở về B. - Vậy cả 2 bán kỳ đều có dòng điện qua tải. Chú ý dòng điện này luôn chạy từ trên xuống (dòng điện 1 chiều). * Tính toán: Ðể ý là trong 2 trường hợp, IL đều chạy qua RL theo chiều từ trên xuống và dòng điện đều có mặt ở hai bán kỳ. Ðiện thế đỉnh ở 2 đầu RL là: Vdcm=Vm-0,7V (1.9) Và điện thế đỉnh phân cực nghịch ở mỗi diode khi ngưng dẫn là: VRM=Vdcm+Vm=2Vm-0,7V - Dạng sóng thường trực ở 2 đầu RL được diễn tả ở hình 27 Hình 27 Người ta cũng có thể chỉnh lưu để tạo ra điện thế âm ở 2 đầu R L bằng cách đổi cực của 2 diode lại. c. Chỉnh lưu toàn sóng dùng cầu diode: Mạch cơ bản A Ñaëng Thaønh Töïu 2 Chöông 1: Diode Moân: Ñieän Töû Cô Baûn B Hình 28 * Nguyên tắc hoạt động: - Ở bán kỳ dương của nguồn điện, D2 và D4 phân cực thuận và dẫn điện trong lúc D1 và D2 phân cực nghịch xem như hở mạch. Dòng điện chạy từ A qua D2 qua tải, qua D4, về B. - Ở bán kỳ âm của nguồn điện, D 1 và D3 phân cực thuận và dẫn điện trong lúc D 2, D4 phân cực nghịch xem như hở mạch. Dòng điện chạy từ B qua D3 qua tải, qua D1 trở về A. - Như vậy cả 2 bán kỳ đều có dòng qua tải chạy từ trên xuống dưới (dòng 1 chiều). * Tính toán: - Ðiện thế đỉnh Vdcm ngang qua hai đầu RL là: Vdcm =Vm-2VD=Vm-1.4V - Ðiện thế đỉnh phân cực nghịch VRM ở mỗi diode là: VRM=Vdcm+VD=Vm-VD VRM =Vm-0,7V Ðể ý là dòng điện trung bình chạy qua mỗi cặp diode khi dẫn điện chỉ bằng 1/2 dòng điện trung bình qua tải. d. Chỉnh lưu với tụ lọc Ta xem lại mạch chỉnh lưu toàn sóng với biến thế có điểm giữa. Như kết qủa phần trên: - Ðiện thế đỉnh ở 2 đầu RL là: Vdcm=Vm-0,7V - Ðiện thế trung bình ở 2 đầu RL là: VDC=0,637Vdcm Nếu ta thay RL bằng 1 tụ điện có điện dung C. Trong thời điểm từ t=0 đến t=T/4, tụ C sẽ nạp nhanh đến điện thế đỉnh Vdcm. Nếu dòng rỉ của tụ điện không đáng kể, tụ C sẽ không phóng điện và điện thế 2 đầu tụ được giữ không đổi là V dcm. Ðây là trường hợp lý tưởng. Thực tế, điện thế trung bình thay đổi từ 0,637V dcm đến Vdcm. Thực ra nguồn điện phải cung cấp cho tải, thí dụ R L mắc song song với tụ C. Ở bán ký dương tụ C nạp điện đến trị V dcm. Ñaëng Thaønh Töïu 3 Chöông 1: Diode Moân: Ñieän Töû Cô Baûn Khi nguồn điện bắt đầu giảm, tụ C phóng điện qua RL cho đến khi gặp bán kỳ kế tiếp tụ C mới nạp điện lại đến Vdcm và chu kỳ này cứ lặp đi lặp lại. Hình 31 mô tả chi tiết dạng sóng ở 2 đầu tụ C (tức RL). Hiệu thế sóng dư đỉnh đối đỉnh được ký hiệu là Vr(p-p). Do điện thế đỉnh tối đa là Vdcm nên điện thế trung bình tối thiểu là Vdcmin=Vdcm-Vr(p-p) Hình 31 Hình 32: Chỉnh lưu toàn kỳ dùng biến áp có điểm giữa kết hợp tụ lọc. Nên trị trung bình ở ngõ ra là: Ñaëng Thaønh Töïu 4 Chöông 1: Diode Moân: Ñieän Töû Cô Baûn Vì thời gian nạp điện thường rất nhỏ so với thời gian phóng điện nên dạng của thành phần sóng dư có thể xem gần đúng như dạng tam giác 1.3.2. Mạch nhân áp: a. Chỉnh lưu tăng đôi điện thế Hình 33 mô tả một mạch chỉnh lưu tăng đôi điện thế một bán kỳ Hình 33: Mạch chỉnh lưu nhân đôi áp. - Ở bán kỳ dương của nguồn điện, D 1 dẫn ,D2 ngưng. Tụ C1 nạp điện đến điện thế đỉnh Vm - Ở bán kỳ âm D1 ngưng và D2 dẫn điện. Tụ C2 nạp điện đến điện thế C2=Vm+VC1=2Vm - Bán kỳ dương kế tiếp, D 2 ngưng, C2 phóng điện qua tải và đến bán kỳ âm kế tiếp C 2 lại nạp điện 2Vm. Vì thế mạch này gọi là mạch chỉnh lưu tăng đôi điện thế một bán kỳ. Ðiện thế đỉnh nghịch ở 2 đầu diode là 2Vm. - Ta cũng có thể dùng mạch ghim áp để giải thích hoạt động của mạch chỉnh lưu tăng đôi điện thế. Hình 34 - Ta cũng có thể mắc mạch chỉnh lưu tăng đôi điện thế theo chiều dương Hình 34. Ñaëng Thaønh Töïu 5 Chöông 1: Diode Moân: Ñieän Töû Cô Baûn Hình 35: Mạch lưu nhân đôi được dùng phổ biến. - Ở bán kỳ dương của nguồn điện D1 dẫn, C1 nạp điện VC1=Vm trong lúc D2 ngưng. - Ở bán kỳ âm D2 dẫn, C2 nạp điện VC2=Vm trong lúc D1 ngưng. - Ðiện thế ngõ ra V0=VC1+VC2=2Vm b. Mạch chỉnh lưu tăng ba, tăng bốn: Mạch có dạng sau: Hình 36 Ðầu tiên C1 nạp điện đến VC1=Vm khi D1 dẫn điện ở bán kỳ dương. Bán kỳ âm D 2 dẫn điện, C2 nạp điện đến VC2=2Vm (tổng điện thế đỉnh của cuộn thứ cấp và tụ C 1). Bán kỳ dương kế tiếp D2 dẫn, C3 nạp điện đến VC3=2Vm (D1 và D2 dẫn, D2 ngưng nên điện thế 2V m của C2 nạp vào C3). Bán kỳ âm kế tiếp D2, D4 dẫn, điện thế 2Vm của C3 nạp vào C4 ... Ðiện thế 2 đầu C2 là 2Vm 2 đầu C1+C= là 3Vm 2 đầu C2+C4 là 4Vm 1.3.3. Mạch xén/Cắt (Clippers): Mạch này dùng để cắt một phần tín hiệu xoay chiều. Mạch chỉnh lưu nửa sóng là một thí dụ đơn giản về mạch cắt. a. Mạch xén nối tiếp: Mạch cắt không phụ thuộc tải. Có 2 dạng cắt âm và cắt dương. a.1. Mạch cắt âm (xén âm) nối tiếp: Mạch cắt nối tiếp âm dạng căn bản như hình 37. Hình 38 cho thấy đáp ứng của mạch cắt căn bản đối với các dạng sóng thông dụng khi coi diode là lý tưởng. D 1 Vi Ñaëng Thaønh Töïu R 1 Vo 6 Chöông 1: Diode Moân: Ñieän Töû Cô Baûn Hình 37: Mạch cắt âm nối tiếp cơ bản. Hình 38: Dạng sóng của ngõ vào và ra ở mạch cắt nối tiếp âm cơ bản. Nguyên tắc họat động của mạch như sau: - Ở bán kỳ dương của ngõ vào: diode được phân cực thuận nên dẫn điện, lúc này xem diode là lý tưởng nên diode là Sw đóng (ngắn mạch) do đó áp ngõ ra bằng ngõ vào. - Ở bán kỳ âm của ngõ vào: diode phân cực nghịch nên không dẫn điện, lúc này xem diode là lý tưởng nên diode là Sw hở do đó áp trên ngõ ra bằng 0.  Tín hiệu ngõ vào sau khi qua mạch bị cắt đi bán kỳ âm nên mạch được gọi là cắt âm hay xén âm. Bây giờ nếu ta mắc thêm một nguồn điện thế một chiều V nối tiếp với diode như hình 39. Nếu tín hiệu vào vi(t) có dạng hình sin với điện thế đỉnh là Vm thì ngõ ra sẽ có dạng như hình vẽ 39 với điện thế đỉnh Vm-V tức V0=Vi-V (coi diode lý tưởng). a. Sóng ngõ vào b. Mạch cắt âm cải tiến c. Ngõ ra Hình 39: Mạch cắt âm cải tiến và dạng sóng ngõ vào – ra. Nguyên tắc hoạt động của mạch gần giống mạch cơ bản, khác ở chỗ khi phân cực thuận thì khi nào áp ngõ vào lớn hơn điện áp V thì diode mới dẫn điện. a.2. Mạch cắt dương (xén dương) nối tiếp: Bây giờ nếu từ mạch cắt âm cơ bản (hình 37) ta đổi đầu diode ta sẽ có mạch cắt âm cơ bản (xem hình 40a). Và tương tự nếu từ mạch cắt dương ta mắc thêm nguồn áp như mạch cắt âm ta có mạch cải tiến (hình 40b). Ñaëng Thaønh Töïu 7 Chöông 1: Diode Moân: Ñieän Töû Cô Baûn D 1 Vi R 1 a. Mạch cơ bản Vo b. Mạch cải tiến Hình 40: Mạch cắt dương nối tiếp. Nguyên tắc hoạt động và dạng sóng tương tự như mạch cắt âm nhưng ngược lại. b. Mạch cắt/xén song song: Tương tự mạch cắt nối tiếp, mạch cắt song song cũng chia thành 2 loại cắt âm và cắt dương. b.1. Mạch cắt âm song song: Mạch cơ bản có dạng sau: Hình 41: Mạch cắt âm song song cơ bản. Nguyên tắc hoạt động: - Ở bán dương của Vi: diode bị phân cực nghịch nên không dẫn điện, khi đó diode được xem như Sw hở, do đó ngõ ra Vo = Vi. - Ở bán kỳ âm của Vi: diode được phân cực thuận nên dẫn điện, khi đó diode xem như Sw đóng (ngắn mạch) do đó Vo = 0 (V).  Tín hiệu sau khi qua mạch đã bị xén phần âm chỉ còn lại phần dương (giống như mạch cắt âm nối tiếp). Dạng sóng các bạn tự vẽ lấy (giống mạch cắt âm nối tiếp). Tương tự nếu mắc thêm nguồn áp một chiều nối tiếp diode ta có mạch cải tiến: Hình 42: Mạch cắt âm song song cải tiến. Nguyên tắc hoạt động của mạch cắt âm song song cải tiến như sau: - Nếu diode dẫn điện thì Vo = V, và nếu diode không dẫn thì Vo = Vi. Bây giờ ta xét các trường hợp để xét xem khi nào diode dẫn, khi nào ngưng. Để dễ hiểu ta quan sát dạng sóng ngõ vào và điện áp V: Ñaëng Thaønh Töïu 8 Chöông 1: Diode Moân: Ñieän Töû Cô Baûn Hình 43: Dạng sóng của ngõ vào Vi và áp một chiều V. Từ đồ thị ta thấy V và Vi cắt nhau tại 4 điểm A, B, C, D. Trong đó: + Từ thời điểm t = 0 đến điểm A: ta thấy V > Vi khi đó diode dẫn điện (dòng chạy từ V qua diode đến Vi) → Vo = V. + Từ điểm A → B: Vi > V khi đó diode bị phân cực nghịch nên diode không dẫn điện → Vo = Vi. + Tương tự từ B → C: ta thấy V > Vi khi đó diode dẫn điện (dòng chạy từ V qua diode đến Vi) → Vo = V. + Tương tự từ điểm C → D: Vi > V khi đó diode bị phân cực nghịch nên diode không dẫn điện → Vo = Vi. + Tương tự từ D trở đi: ta thấy V > Vi khi đó diode dẫn điện (dòng chạy từ V qua diode đến Vi) → Vo = V. Và cứ như thế tiếp tục và được dạng sóng ngõ ra như sau: Hình 44: Dạng sóng ngõ ra sau khi cắt. b.2. Mạch cắt dương song song: Tương tự như mạch cắt âm song song, chỉ cần đổi đầu diode ta được mạch cơ bản, và nếu đổi cả 2 đầu diode và 2 đầu cực âm dương nguồn V ta có mạch cải tiến. 1.3.4. Mạch ghim áp (Mạch kẹp – clampers): Ðây là mạch đổi mức DC (một chiều) của tín hiệu. Mạch phải có một tụ điện, một diode và một điện trở. Nhưng mạch cũng có thể có một nguồn điện thế độc lập. Trị số của điện trở R và tụ điện C phải được lựa chọn sao cho thời hằng τ=RC đủ lớn để hiệu thế 2 đầu tụ giảm không đáng kể khi tụ phóng điện (trong suốt thời gian diode không dẫn điện). Mạch ghim áp căn bản như hình 45. Hình 45: Dạng sóng ngõ vào và mạch ghim áp căn bản. Dùng kiểu mẫu diode lý tưởng ta thấy: - Khi t: 0 → T/2 diode dẫn điện, tụ C nạp nhanh đến trị số V và v0 = 0 (V). Ñaëng Thaønh Töïu 9 Chöông 1: Diode Moân: Ñieän Töû Cô Baûn - Khi t: T/2 → T, diode ngưng, tụ phóng điện qua R. Do τ = RC lớn nên C xả điện không đáng kể, (thường người ta chọn T≤10τ). - Lúc này ta có: v0 = -2V. Từ đó đưa đến kết quả nhõ ra: Hình 46: Dạng tín hiệu ngõ vào và ngõ ra mạch ghim áp. Cần chú ý trong mạch ghim áp, biên độ đỉnh – đỉnh của ngõ vào và ra là bằng nhau. Ñaëng Thaønh Töïu 10