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 được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điện tử, bao gồm các thiết bị nguồn, điều khiển motor và các thiết bị điện tử khác.

Để có thể lựa chọn ra bộ chỉnh lưu phù hợp nhất, người ta sẽ dựa vào yêu cầu của tải hiện tại. Những thông số được tính đến như: 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.

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

Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu

Trong mạch này, AC là tín hiệu đầu vào, cầu diode được sắp xếp để chỉ cho dòng điện chạy qua mạch một chiều, và tụ lọc được sử dụng để loại bỏ các yếu tố nhiễu. Khi tín hiệu điện vào mạch, diode sẽ chuyển đổi tín hiệu AC thành DC, chỉ cho phép dòng điện chạy theo một hướng qua mạch và tụ lọc giúp loại bỏ nhiễu còn lại. Số liệu tham khảo cho các giá trị đo lường của mạch phụ thuộc vào tần số và điện áp đầu vào của tín hiệu AC.

Khối đầu tiên của mạch chỉnh lưu là biến áp có chức năng chuyển đổi điện áp đầu vào thành dòng điện có điện áp thấp hơn. Thông thường, để có thể giảm điện áp xoay chiều đầu vào từ 220V xuống 12V, vì phần lớn các mạch điện tử hiện nay đều sử dụng biến áp 220V/12V.

Tùy thuộc vào từng loại bộ chỉnh lưu cầu mà khối chỉnh lưu cầu có thể sử dụng 4 hoặc nhiều diode để tạo ra dòng điện một chiều DC. Tuy nhiên, biên độ điện áp đầu qua khối này vẫn còn dao động và cần thiết phải sử dụng đến bộ lọc để làm mịn biên độ điện áp đầu ra , giảm tối đa độ gợn biên độ điện áp đầu ra và đưa điện áp DC đầu ra ổn định hơn và an toàn hơn cho các linh kiện điện tử. Đối với các thiết bị điện tử, bộ lọc của lưu cầu càng tốt thì hoạt động của thiết bị tải sẽ ổn định hơn và cho hiệu suất cao hơn.

Bộ điều chỉnh điện áp đầu ra là khối cuối cùng trong bộ cấp nguồn DC. Bộ điều chỉnh này có nhiệm vụ giảm điện áp đầu ra và giữ cho điện áp đầu ra ổn định mà không ảnh hưởng đến điện áp đầu vào, có nghĩa là luôn giữ cho điện áp đầu ra ở mức cố định dù cho điện áp đầu vào có tăng hay giảm. Tuy nhiên biên độ tăng giảm của điện áp đầu vào lớn có thể khiến khối này không thể hoạt động đúng với yêu cầu . Ví dụ, nếu các linh kiện,vi điều khiển trong mạch của bạn làm việc ở mức điện áp 5V DC, nhưng điện áp đầu ra của khối 1 và 2 lúc này là 12V thì bộ điều chỉnh điện áp sẽ giảm điện áp này xuống để duy trì độ ổn định của điện áp đầu ra.

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 Chỉnh lưu cầu có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau dựa trên các yếu tố như loại cung cấp, khả năng điều khiển, cấu hình mạch, v.v... Tuy nhiên, chỉnh lưu cầu cơ bản được phân thành hai loại là chỉnh lưu 1 pha và chỉnh lưu 3 pha. Cả hai loại này đều có thể được phân thành các loại chỉnh lưu kiểm soát toàn phần, bán kiểm soát và không kiểm soát.

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.