Mạch chỉnh lưu cầu là gì? Sơ đồ mạch, nguyên lý hoạt động và phân loại

Mạch chỉnh lưu cầu được biết đến là một trong những phần tử phổ biến của một bộ nguồn điện tử chúng được sử dụng phổ biến trong các thiết bị điện gia dụng, điều khiển động cơ.... Hầu hết các mạch điện tử đều yêu cầu sử dụng nguồn điện DC thông qua mạch chỉnh lưu để cung cấp nguồn cho các linh kiện điện tử trong mạch từ nguồn cung cấp điện xoay chiều đã có sẵn.

Mạch chỉnh lưu cầu là gì?

Mạch chỉnh lưu cầu (hay còn gọi là mạch lọc cầu) là một loại mạch điện được sử dụng để biến đổi điện áp xoay chiều (AC) thành điện áp một chiều (DC). Mạch chỉnh lưu cầu bao gồm các thành phần chính là một tấm điốt và một cầu RC. Trong quá trình hoạt động, tấm điốt sẽ cho phép điện áp chỉ lưu qua một hướng và loại bỏ các phần tử điện âm của tín hiệu AC, trong khi cầu RC được sử dụng để lọc các yếu tố nhiễu sóng xoay chiều. Kết quả là một tín hiệu DC được tạo ra với điện áp ổn định và ít nhiễu hơn. Mạch chỉnh lưu cầu là một phần quan trọng trong các ứng dụng điện tử, bao gồm thiết bị nguồn, điều khiển motor và nhiều thiết bị khác. Tuy nhiên, để lựa chọn được bộ chỉnh lưu phù hợp nhất, người ta cần xem xét và tính toán một số thông số quan trọng dựa trên yêu cầu của tải hiện tại.: yêu cầu lắp đặt, thông số linh kiện, dải nhiệt độ, dòng chuyển tiếp, điện áp sự cố, dòng điện chạy qua mạch,… cùng với 1 vài thông số khác được tính trong quá trình chọn nguồn cung cấp chỉnh lưu cho mạch điện tử thích hợp. Bằng cách xem xét và tính toán các thông số này, người ta có thể lựa chọn nguồn cung cấp chỉnh lưu phù hợp nhất cho mạch điện tử, đảm bảo hoạt động hiệu quả và ổn định của thiết bị.

Xem thêm: Nguồn xung và nguyên lý hoạt động và các loại nguồn xung

Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu

Trong mạch chỉnh lưu cầu, AC là tín hiệu đầu vào và được chuyển thành DC thông qua cầu diode và tụ lọc. Các diode được sắp xếp để chỉ cho dòng điện chạy một chiều qua mạch, trong khi tụ lọc giúp loại bỏ nhiễu. Số liệu đo đạc của mạch phụ thuộc vào tần số và điện áp của tín hiệu AC đầu vào.

Khối đầu tiên của mạch chỉnh lưu là biến áp, có nhiệm vụ giảm điện áp đầu vào xuống mức thấp hơn. Thông thường, biến áp 220V/12V được sử dụng để giảm điện áp từ 220V xuống 12V, phù hợp với hầu hết các mạch điện tử hiện nay.

Khối chỉnh lưu cầu có thể sử dụng 4 hoặc nhiều diode tùy thuộc vào loại bộ chỉnh lưu. Tuy nhiên, biên độ điện áp qua khối này vẫn có dao động, vì vậy bộ lọc được sử dụng để làm mịn biên độ điện áp đầu ra, giảm độ gợn và đảm bảo điện áp DC đầu ra ổn định và an toàn cho linh kiện điện tử. Một bộ lọc tốt sẽ cung cấp hoạt động ổn định và hiệu suất cao cho thiết bị tải.

Khối điều chỉnh điện áp đầu ra là khối cuối cùng trong bộ cấp nguồn DC. Nhiệm vụ của khối này là giảm điện áp đầu ra và duy trì nó ổn định, độc lập với biến động của điện áp đầu vào. Điều này đảm bảo điện áp đầu ra luôn ở mức cố định dù điện áp đầu vào tăng hay giảm. Tuy nhiên, nếu biên độ biến đổi của điện áp đầu vào quá lớn, khối điều chỉnh điện áp có thể không hoạt động đúng theo yêu cầu. Ví dụ, nếu các linh kiện hoặc vi điều khiển trong mạch hoạt động ở mức điện áp 5V DC, nhưng điện áp đầu ra từ khối trước đó là 12V, thì khối điều chỉnh điện áp sẽ giảm điện áp xuống để duy trì điện áp đầu ra ổn định.

Cầu chỉnh lưu và nguyên lý hoạt động

Cầu chỉnh lưu là một mạch điện tử được sử dụng để chuyển đổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện một chiều DC. Mạch bao gồm một cấu trúc bốn diode được kết nối theo dạng mạch cầu, thường là dạng cầu đầy đủ (full bridge) hoặc cầu bán đầy đủ (half bridge).

Khi nguồn điện xoay chiều AC vào mạch, các diode trong cầu chỉnh lưu sẽ hoạt động xen kẽ, cho phép dòng điện chạy theo một hướng duy nhất thông qua Load (tải điện), tạo thành nguồn điện một chiều DC đầu ra. Các diode hoạt động như công tắc điện tử, chỉ cho phép dòng điện chạy theo một chiều cụ thể, ngăn cản dòng điện quay lại nguồn AC.

Quá trình chuyển đổi từ nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện một chiều DC trong cầu chỉnh lưu xảy ra liên tục trong suốt chu kỳ điện áp AC đầu vào. Điều này giúp cung cấp nguồn điện ổn định cho các linh kiện điện tử trong mạch, như đèn LED, điện tử công suất, điều khiển động cơ và nhiều ứng dụng điện tử khác.

Nguyên lý hoạt động của cầu chỉnh lưu rất quan trọng trong việc cung cấp nguồn điện ổn định cho các thiết bị điện tử và đóng vai trò quan trọng trong các bộ nguồn điện trong nhiều ứng dụng khác nhau.

Như đã trình bày ở phần trên, để hiểu nguyên lý hoạt động của bộ chỉnh lưu cầu 1 pha gồm 4 diode kết nối với tải, ta cần phân tích mạch như sau:

Trong nửa chu kỳ (+) của dạng sóng AC đầu vào, diode D1 và D2 sẽ được phân cực thuận, trong khi D3 và D4 được phân cực ngược. Khi điện áp đạt đến ngưỡng của D1 và D2, dòng tải sẽ được đi qua như được biểu diễn trên hình với đường màu đỏ.

Trong nửa chu kỳ (-) của dạng sóng AC đầu vào, diode D3 và D4 sẽ được phân cực thuận, trong khi D1 và D2 được phân cực ngược. Dòng tải lúc này sẽ chạy qua D3 và D4.

Ta có thể thấy rằng trong cả hai chu kỳ của điện áp AC đầu vào, hướng dòng tải đi qua các diode đều giống nhau và chỉ theo một hướng duy nhất. Điều này có nghĩa là dòng điện sẽ chỉ chạy theo một chiều duy nhất, và bằng cách sử dụng bộ chỉnh lưu cầu, dòng điện xoay chiều AC đầu vào sẽ được chuyển đổi thành dòng điện một chiều DC.

Một số loại chỉnh lưu cầu thường gặp

Trong thực tế, mạch chỉnh lưu cầu có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau dựa trên các yếu tố như loại nguồn cung cấp, khả năng điều khiển, cấu hình mạch và nhiều yếu tố khác. Tuy nhiên, để đơn giản hóa, chúng ta có thể chia mạch chỉnh lưu cầu thành hai loại cơ bản là chỉnh lưu 1 pha và chỉnh lưu 3 pha.

Chỉnh lưu 1 pha áp dụng cho các hệ thống cung cấp nguồn điện đơn pha, trong khi chỉnh lưu 3 pha được sử dụng trong các hệ thống cung cấp nguồn điện ba pha.

Cả hai loại này cũng có thể được phân thành các loại chỉnh lưu khác nhau, bao gồm chỉnh lưu kiểm soát toàn phần, bán kiểm soát và không kiểm soát. Chỉnh lưu kiểm soát toàn phần cho phép điều chỉnh đầy đủ các thông số như dòng điện đầu ra, điện áp và tần số. Chỉnh lưu bán kiểm soát chỉ cho phép điều chỉnh một số thông số nhất định, trong khi chỉnh lưu không kiểm soát không có khả năng điều chỉnh và tạo ra đầu ra không biến đổi.

Sự phân loại này giúp chúng ta lựa chọn mạch chỉnh lưu cầu phù hợp với yêu cầu cụ thể của ứng dụng điện tử.

Chỉnh lưu 1 pha và chỉnh lưu 3 pha

Chỉnh lưu 1 pha và chỉnh lưu 3 pha là hai loại bộ chỉnh lưu hoàn toàn khác nhau, chúng phụ thuộc vào nguồn cung cấp là điện 1 pha hay điện 3 pha.

Bộ chỉnh lưu 1 pha sử dụng 4 diode để chuyển đổi từ nguồn AC sang DC, trong khi bộ chỉnh lưu 3 pha sử dụng đến 6 diode như trong hình vẽ. Tùy vào thành phần linh kiện trong mạch , có thể sử dụng mạch kiểm soát hoặc không kiểm soát, với các thành phần như Diode hay SCR.

Mạch Chỉnh lưu cầu không điều khiển

Mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển (hay còn gọi là cầu Graetz hoặc cầu trực tiếp) là một mạch điện tử được sử dụng để chuyển đổi điện áp xoay chiều thành điện áp thường xuyên. Mạch này được thiết kế để không có bất kỳ bộ điều khiển nào để kiểm soát chuyển đổi điện áp.

Mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển bao gồm một tụ điện, một cuộn dây và một bóng đèn. Tụ điện được sử dụng để lưu trữ điện năng, còn cuộn dây và bóng đèn được sử dụng để biến đổi điện áp.

Khi điện áp xoay chiều được đưa vào mạch, tụ điện sẽ được sạc. Sau đó, khi điện áp xoay chiều giảm xuống, tụ điện sẽ giải phóng điện năng và đưa nó đến cuộn dây. Cuộn dây sẽ biến đổi điện áp và đưa nó đến bóng đèn, nơi nó được biến đổi thành ánh sáng.

Mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển thường được sử dụng trong các ứng dụng như đèn huỳnh quang và các thiết bị điện tử nhỏ. Tuy nhiên, nó cũng có nhược điểm là không thể điều khiển độ sáng của bóng đèn.

Chỉnh lưu cầu không điều khiển (hay còn gọi là cầu Graetz hoặc cầu trực tiếp) là một loại mạch chỉnh lưu cầu, trong đó các tụ diode được sắp xếp theo một cấu trúc cầu như mạch cầu chỉnh lưu, nhưng không có điều khiển bằng tín hiệu. Với cầu Graetz, dòng điện chỉ được cho phép chạy qua mạch một chiều, vì các diode được kết nối theo một cấu trúc cầu, điều này cho phép dòng điện chạy qua từng nửa chu kỳ của tín hiệu điện vào. Tức là, khi tín hiệu điện vào là một sóng vuông có biên độ dương và âm, các diode chỉ cho phép dòng điện chạy theo một hướng.

Mạch chỉnh lưu cầu Graetz được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử và hệ thống nguồn cung cấp điện, bao gồm cả bộ sạc điện thoại, các bộ nguồn điện cho thiết bị âm thanh, đèn LED và các thiết bị điện tử khác.

Mạch Chỉnh lưu cầu có điều khiển

Mạch chỉnh lưu cầu có điều khiển là một loại mạch điện tử được sử dụng để chuyển đổi điện áp xoay chiều thành điện áp thường xuyên và có thể điều khiển được. Mạch này được sử dụng phổ biến trong các thiết bị điện tử như điều hòa không khí, máy tính, các thiết bị điện gia dụng, và các ứng dụng công nghiệp.

Mạch chỉnh lưu cầu có điều khiển bao gồm một số linh kiện chính như tụ điện, cuộn dây, bộ điều khiển và các bóng đèn. Tụ điện được sử dụng để lưu trữ điện năng, còn cuộn dây và bóng đèn được sử dụng để biến đổi điện áp. Bộ điều khiển sẽ điều khiển quá trình chuyển đổi điện áp và có thể điều chỉnh độ sáng của bóng đèn.

Khi điện áp xoay chiều được đưa vào mạch, tụ điện sẽ được sạc và đưa điện năng đến cuộn dây. Bộ điều khiển sẽ điều khiển quá trình biến đổi điện áp và điều chỉnh độ sáng của bóng đèn theo yêu cầu. Cuối cùng, điện áp được chuyển đổi thành điện áp thường xuyên và đưa đến các thiết bị điện tử.

Mạch chỉnh lưu cầu có điều khiển có thể điều chỉnh được độ sáng của bóng đèn và có thể điều khiển bằng cách sử dụng các thiết bị điều khiển từ xa hoặc thông qua các chương trình máy tính. Điều này giúp cho việc sử dụng mạch này trở nên tiện lợi và hiệu quả hơn.

Chỉnh lưu cầu có điều khiển, còn được gọi là mạch cầu đầy đủ, là một loại mạch chỉnh lưu cầu. Trong mạch này, các tụ diode được sắp xếp theo cấu trúc cầu tương tự như mạch cầu chỉnh lưu, nhưng có thêm một transistor điều khiển (thường là transistor MOSFET) được đặt song song với mỗi diode.

Trong mạch cầu đầy đủ, transistor được sử dụng để điều khiển dòng điện chạy qua mỗi diode, giúp mạch chỉnh lưu hoạt động hiệu quả hơn và giảm thiểu sự tiêu tốn năng lượng so với các loại mạch chỉnh lưu khác.

Khi tín hiệu điện vào mạch, tín hiệu sẽ đi qua một tụ lọc để loại bỏ các yếu tố nhiễu, sau đó đi qua cầu điều khiển để chuyển đổi thành tín hiệu DC. Khi tín hiệu điện vào chuyển đổi, transistor điều khiển mở và đóng để điều khiển dòng điện chạy qua mỗi diode, tạo thành dòng điện DC ổn định.

Mạch chỉnh lưu cầu có điều khiển được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử như máy tính, tivi, ổ cứng, các hệ thống nguồn điện trung tâm và các hệ thống điều khiển khác, nơi cần cung cấp năng lượng ổn định và hiệu quả hơn.

Kết luận

Trên đây là một số kiến thức cơ bản về mạch chỉnh lưu cầu. Mạch chỉnh lưu cầu là một thành phần quan trọng trong các ứng dụng điện tử, giúp chuyển đổi tín hiệu điện xoay chiều thành tín hiệu điện một chiều và loại bỏ các nhiễu. Việc lựa chọn mạch chỉnh lưu phù hợp đòi hỏi xem xét nhiều yếu tố như yêu cầu tải hiện tại, thông số linh kiện, dải nhiệt độ, dòng chuyển tiếp và điện áp sự cố.

Hiểu biết về mạch chỉnh lưu cầu giúp chúng ta có khả năng lựa chọn và áp dụng chính xác vào các thiết bị nguồn, điều khiển motor và các thiết bị điện tử khác. Đồng thời, việc sử dụng các loại mạch chỉnh lưu kiểm soát toàn phần, bán kiểm soát và không kiểm soát sẽ đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu suất cao cho các thiết bị tải.

Tìm hiểu và áp dụng đúng mạch chỉnh lưu cầu là một yếu tố quan trọng để đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả của các thiết bị điện tử trong cuộc sống hàng ngày. Hy vọng những thông tin trên sẽ giúp bạn có cái nhìn tổng quan về mạch chỉnh lưu cầu và ứng dụng của nó.