Công cụ tính mạch chỉnh lưu cầu là gì?
Mạch chỉnh lưu cầu dùng bốn diode để biến dòng xoay chiều (AC) thành dòng một chiều (DC) dạng nhấp nhô, dẫn điện ở cả hai nửa chu kỳ của sóng AC (chỉnh lưu toàn kỳ). Công cụ này ước tính điện áp DC trung bình ở đầu ra cùng với điện áp gợn mà bạn có thể gặp sau khi qua tụ lọc, dựa trên điện áp đỉnh đầu vào, sụt áp thuận trên diode, dòng tải, tần số lưới điện và giá trị tụ lọc.
Cách sử dụng
Hãy nhập điện áp đỉnh (không phải hiệu dụng RMS) của sóng AC đi vào cầu chỉnh lưu. Nếu bạn chỉ biết giá trị RMS, hãy nhân nó với 1,414. Thiết lập sụt áp trên mỗi diode (thông thường 0,7 V với diode silic, khoảng 0,3 V với diode Schottky), dòng tải dự kiến tính bằng ampe, tần số điện lưới (50 hoặc 60 Hz) và giá trị tụ lọc tính bằng microfarad. Công cụ sẽ cho bạn điện áp DC trung bình, điện áp DC đỉnh sau khi trừ sụt áp của hai diode dẫn, và điện áp gợn đỉnh-đỉnh.
Giải thích công thức
Giá trị trung bình của sóng sin đã chỉnh lưu toàn kỳ là 2·Vđỉnh/π ≈ 0,637·Vđỉnh. Vì luôn có hai diode dẫn điện đồng thời trong mạch cầu, ta trừ đi 2·Vdiode. Điện áp gợn được tính theo Vgợn = Itải / (2·f·C); hệ số 2 phản ánh việc mạch chỉnh lưu toàn kỳ nạp cho tụ hai lần trong mỗi chu kỳ.
Ví dụ minh họa
Với Vđỉnh = 17 V, Vdiode = 0,7 V: Vdc = (2 × 17)/π − 1,4 = 10,823 − 1,4 ≈ 9,42 V. Với Itải = 1 A, f = 50 Hz, C = 1000 µF: Vgợn = 1 / (2 × 50 × 0,001) = 10 V đỉnh-đỉnh — một dấu hiệu rõ ràng cho thấy bạn cần một tụ lớn hơn nhiều.
Các hằng số và giá trị tham khảo
Một bộ chỉnh lưu cầu toàn sóng sử dụng bốn diôt để cả hai nửa sóng sin AC đều đẩy dòng điện qua tải theo cùng một hướng. Đường dẫn dẫn điện luôn đi qua hai diôt nối tiếp, vì vậy hai lần rơi áp hiệu điện thế trên diôt bị trừ đi từ đỉnh. Các giá trị dưới đây là các hằng số và các chỉ số tham khảo được sử dụng trong các phép tính.
| Đại lượng | Ký hiệu / Giá trị | Ghi chú |
|---|---|---|
| Hệ số trung bình (sin chỉnh lưu toàn sóng) | 2/π ≈ 0.637 | Giá trị trung bình của một sin chỉnh lưu toàn sóng so với đỉnh của nó |
| Hệ số RMS đến đỉnh | √2 ≈ 1.414 | \(V_{peak} = \sqrt{2}\,V_{rms}\) |
| Rơi áp diôt silic | ~0.7 V | Hiệu điện thế xuôi điển hình của một diôt chỉnh lưu tiêu chuẩn (ví dụ: 1N400x) |
| Rơi áp diôt Schottky | ~0.3 V | Rơi áp thấp hơn, phát nhiệt ít hơn, tốt cho các bộ cấp nguồn điện áp thấp |
| Rơi áp diôt Germanium | ~0.3 V | Công nghệ cũ, điện áp xuôi thấp |
| Tần số gợn sóng | 2 × tần số lưới | 100 Hz cho lưới 50 Hz, 120 Hz cho lưới 60 Hz |
Các đơn vị biến
| Trường | Biến | Đơn vị |
|---|---|---|
| vpeak | Điện áp đầu vào đỉnh \(V_{peak}\) | vôn (V) |
| vdiode | Rơi áp xuôi diôt \(V_{diode}\) | vôn (V) |
| iload | Dòng điện tải \(I_{load}\) | ampe (A) |
| freq | Tần số lưới \(f\) | hertz (Hz) |
| cap | Tụ lọc \(C\) | farads (F); thường được nhập bằng microfarads (µF) |
Đầu ra DC trung bình (không có tụ lọc) là \(V_{DC} = \frac{2 V_{peak}}{\pi} - 2 V_{diode}\). Với một tụ lọc, đầu ra tăng lên gần đỉnh trừ đi hai lần rơi áp diôt, và gợn sóng đỉnh-đỉnh được ước tính bằng \(V_{r(pp)} = \frac{I_{load}}{2 f C}\), trong đó \(2f\) là tần số gợn sóng.
Giải thích kết quả của bạn
DC trung bình so với DC đỉnh. Không có tụ lọc, đầu ra là một chuỗi những vòm nửa sin có giá trị trung bình là \(\frac{2 V_{peak}}{\pi} - 2 V_{diode} \approx 0.637\,V_{peak}\) trừ đi hai lần rơi áp diôt. Khi một tụ lọc được thêm vào, tụ sẽ giữ đầu ra gần giá trị đỉnh, \(V_{peak} - 2 V_{diode}\), và chỉ số có ý nghĩa lúc này là mức đỉnh đó với một gợn sóng nằm trên đó.
Gợn sóng p-p có nghĩa gì. Gợn sóng đỉnh-đỉnh là mức điện áp giảm xuống giữa các xung sạc trước khi xung tiếp theo nâng nó lên lại. Được biểu thị dưới dạng phần trăm, gợn sóng % = \(\frac{V_{r(pp)}}{V_{DC}} \times 100\). Ví dụ, 1.0 V gợn sóng trên đầu ra 15.6 V là khoảng 6.4 %. Các bộ điều chỉnh tuyến tính phía sau có thể chịu đựng gợn sóng vừa phải miễn là điểm thấp nhất vẫn ở trên điện áp rơi của bộ điều chỉnh, nhưng các mạch tương tự nhạy cảm muốn gợn sóng ít hơn 1 %.
Gợn sóng thấp hơn cần thêm C hoặc tần số cao hơn. Vì \(V_{r(pp)} = \frac{I_{load}}{2 f C}\), bạn giảm gợn sóng bằng cách tăng dung lượng bộ lọc hoặc bằng cách hoạt động ở tần số gợn sóng cao hơn (một nguồn cấp 60 Hz có gợn sóng ở 120 Hz và do đó gợn sóng ít hơn khoảng 17 % so với nguồn cấp 50 Hz cho cùng một tụ). Bạn không thể giảm gợn sóng bằng cách hạ thấp dòng điện tải trừ khi tải của bạn thực sự rút ít năng lượng hơn.
Một dấu hiệu cảnh báo. Nếu máy tính báo cáo gợn sóng là vài vôn, tụ bị thiếu kích thước cho dòng điện được rút - điểm thấp nhất của đầu ra có thể rơi quá thấp để một bộ điều chỉnh duy trì mục tiêu của nó, gây ra tiếng vo ve hoặc bất ổn. Tăng C cho đến khi gợn sóng là một phần nhỏ của đầu ra DC.
Ghi chú về xấp xỉ. Những kết quả này giả định diôt lý tưởng với một rơi áp xuôi cố định, một tải nhẹ đến vừa phải so với khả năng của máy biến áp, và mô hình gợn sóng phóng điện tuyến tính đơn giản. Các bộ cấp nguồn thực tế có điện trở cuộn dây máy biến áp, điện trở động của diôt, và ESR của tụ đều làm tăng rơi áp và thay đổi hình dạng gợn sóng, vì vậy hãy coi những chỉ số này là các ước tính thiết kế chứ không phải giá trị chính xác.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao dùng 2f để tính độ gợn? Mạch chỉnh lưu cầu tạo ra hai xung trong mỗi chu kỳ AC, nên tụ được nạp lại với tần suất gấp đôi so với mạch chỉnh lưu nửa kỳ, từ đó giảm độ gợn đi một nửa.
Nên dùng điện áp đỉnh hay RMS? Hãy dùng điện áp đỉnh. Cầu chỉnh lưu chịu giá trị đỉnh tức thời. Với sóng sin: RMS × 1,414 = điện áp đỉnh.
Vì sao phải trừ sụt áp của hai diode? Trong mạch cầu toàn kỳ, dòng điện luôn chảy qua hai diode mắc nối tiếp, nên đầu ra bị giảm đi tổng sụt áp thuận của cả hai.
