Chỉnh lưu và lọc平滑
Đã giới thiệu| English | Ý nghĩa |
|---|---|
| diodes/ˈdaɪəʊdz/ | Diốt |
| capacitor/kəˈpæsɪtə/ | Tụ điện |
| rectification/ˌrektɪfɪˈkeɪʃn/ | Chỉnh lưu |
| smoothing/ˈsmuːðɪŋ/ | Lọc phẳng |
| ripple/ˈrɪpl/ | Gợn sóng |
| forward-biased/ˈfɔːwəd ˈbaɪəst/ | Phân cực thuận |
| reverse-biased/rɪˈvɜːs ˈbaɪəst/ | Phân cực nghịch |
| bridge rectifier/brɪdʒ ˈrektɪfaɪə/ | Bộ chỉnh lưu cầu |
Bên trong bộ sạc điện thoại
- Bộ sạc điện thoại nhận điện áp xoay chiều từ nguồn điện lưới đảo chiều năm mươi lần mỗi giây, và cung cấp cho điện thoại một dòng $5\ \text{V}$ ổn định.
- Giữa hai thứ đó nằm chính xác các linh kiện của bài học này: diode để ngăn sự đảo chiều, và tụ điện để làm phẳng phần còn lại.
- Chỉnh lưu là quá trình chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều (một chiều). Đây là định nghĩa cần ghi nhớ.*
- Lọc sau đó là sử dụng tụ điện mắc song song với tải để giảm gợn sóng của tín hiệu đã chỉnh lưu.
Diode làm gì
- Diode chỉ dẫn dòng khi nó được phân cực thuận: anode, đầu phẳng của tam giác ký hiệu, dương hơn cathode, thanh ngang.
- Ngược lại, nó bị phân cực nghịch và hoạt động như một công tắc hở.
- Coi nó là lý tưởng: điện trở bằng không theo một chiều, vô hạn theo chiều kia.
- Dòng điện quy ước luôn chảy qua diode theo hướng mà tam giác chỉ. Mọi câu hỏi "hoàn thành mạch" đều dựa trên quy tắc này, áp dụng lần lượt cho từng diode.
Diode dẫn dòng điện:
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Hành vi một chiều này chính là yếu tố giúp diode chỉnh lưu d.x.c. thành d.c.
Nối mỗi thuật ngữ với định nghĩa mà người chấm bài đánh dấu.
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
Dòng sau khi chỉnh lưu vẫn biến thiên; yếu tố khiến nó là dòng một chiều là nó không bao giờ đảo chiều.
Chỉnh lưu nửa chu kỳ
- Một diode mắc nối tiếp với tải chỉ truyền nửa dương của mỗi chu kỳ. Trong nửa âm, nó bị phân cực nghịch và không có dòng điện nào chảy qua.
- Tín hiệu ra gồm các nửa sóng dương tách rời bởi khoảng trống bằng không phẳng có độ dài bằng nhau. Giá trị trung bình của tín hiệu ra là $= V_0/\pi \approx 0.32\,V_0$.
- Một nửa tín hiệu vào bị loại bỏ, và tín hiệu ra rất không đều.
Sóng lồi, rồi không gì cả, rồi sóng lồi
Chỉnh lưu bán chu kỳ sử dụng ____ diode.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Một diode đơn chỉ truyền các chu kỳ dương và chặn các chu kỳ âm (tạo ra khoảng trống).
Vẽ mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ
- Nguồn, một diode mắc nối tiếp, tải, và $V_{\text{OUT}}$ lấy trên tải. Tam giác chỉ hướng mà dòng điện ra phải chảy.
- Nếu muốn dùng tụ lọc, nó phải mắc song song với tải, không bao giờ mắc nối tiếp. Tụ mắc nối tiếp sẽ chặn hoàn toàn dòng một chiều, trái ngược với mục đích.
Một diode trong mạch, một tụ trên tải
Tụ lọc平滑 được mắc ở đâu?
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Nó phải phóng điện QUA tải giữa các đỉnh, điều này đòi hỏi nó phải mắc song song. Nếu mắc nối tiếp, nó sẽ chặn hoàn toàn dòng một chiều, trái ngược với mục đích của việc lọc.
Chỉnh lưu toàn chu kỳ
- Cầu chỉnh lưu sử dụng bốn diode sao cho dòng điện qua tải luôn chảy theo cùng một hướng bất kể cực nào của nguồn dương.
- Tín hiệu ra là dãy liên tục các sóng lồi dương không có khoảng trống, ở tần số gấp đôi tần số nguồn vào. Giá trị trung bình của tín hiệu ra là $= 2V_0/\pi \approx 0.64\,V_0$, gấp đôi giá trị chỉnh lưu nửa chu kỳ.
- Toàn bộ tín hiệu vào được sử dụng, và phần còn lại dễ dàng lọc hơn nhiều.
Không có khoảng trống, và gấp đôi tần suất
Đường đi chỉnh lưu và lọc平滑
Quan sát dòng xoay chiều đầu vào trở thành dòng một chiều đầu ra mượt mà hơn.
Có bao nhiêu diode trong cầu chỉnh lưu (chỉnh lưu toàn chu kỳ)?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
Bốn diode, sắp xếp sao cho dòng tải luôn chảy theo cùng một hướng bất kể cực dương của đầu vào nằm ở đâu.
Đầu ra chỉnh lưu toàn chu kỳ lặp lại ở tần số gấp đôi đầu vào d.x.c.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Cả hai nửa chu kỳ đều trở thành gò cong dương, nên gợn sóng đầu ra có tần số gấp đôi tần số đầu vào.
Ví dụ có lời giải: giải thích cầu chỉnh lưu
- Giải thích cách bốn diode tạo ra chỉnh lưu toàn chu kỳ. Đây là dạng câu hỏi chuẩn 4 điểm, và được chấm dựa trên việc đặt tên các diode.*
- Khi đầu P dương: dòng điện thoát khỏi P, đi qua diode chỉ hướng ra xa P đến đầu trên của tải, chảy xuống qua tải, và quay về Q qua diode chỉ hướng về Q. Hai diode còn lại bị phân cực nghịch và không dẫn dòng.
- Khi Q dương: cặp diode kia dẫn dòng, nhưng chúng được bố trí sao cho dòng điện vẫn đi vào tải ở đầu trên.
- Vậy dòng điện trong tải chảy cùng hướng trong cả hai nửa chu kỳ. Hãy nêu cặp diode nào dẫn trong mỗi nửa chu kỳ và đầu nào của tải là dương.
Hai diode cùng lúc, một hướng chảy qua tải
Sắp xếp lời giải thích cho một nửa chu kỳ của cầu chỉnh lưu.
Difficulty 3/5 · 200 coins + a small bonus on first completion today
Đáp án 4 điểm yêu cầu xác định cặp diode dẫn trong mỗi nửa chu kỳ, chứ không phải mô tả dòng "đi theo cùng một chiều".
Hoàn thành cầu chỉnh lưu
- Cho trước một cầu chỉnh lưu thiếu diode, hãy dùng một quy tắc: cả hai diode nối với đầu dương của tín hiệu ra đều chỉ hướng về nó, và cả hai diode nối với đầu âm của tín hiệu ra đều chỉ hướng ra xa nó.
- Một diode bị lắp ngược hướng sẽ hoặc ngắn mạch nguồn trong một nửa chu kỳ hoặc không dẫn dòng chút nào.
- Kiểm tra đáp án bằng cách theo dõi một chu kỳ nửa trong suốt vòng lặp trước khi chuyển sang phần tiếp theo.
Trong cầu chỉnh lưu, cả hai diode nối với đầu ra dương đều chỉ hướng vào đầu đó.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Và cả hai diode nối với đầu âm đều chỉ hướng ra khỏi nó. Nếu đảo ngược một diode, nguồn sẽ bị chập mạch trong một nửa chu kỳ hoặc không truyền được dòng nào.
Làm phẳng tín hiệu bằng tụ điện
- Đặt tụ điện $C$ song song với tải $R$. Trong phần tăng của mỗi xung, tụ sẽ nạp điện gần đến giá trị cực đại.
- Trong phần giảm, và thông qua bất kỳ khoảng trống nào, các diode bị phân cực ngược, nên tụ xả điện qua tải và duy trì dòng điện chảy. Sự suy giảm này có hằng số thời gian $RC$.
- Tại đỉnh tiếp theo, tụ lại nạp điện. Tín hiệu đầu ra giờ nằm gần đỉnh với những điểm sụt nhỏ, và độ lớn của những điểm sụt đó chính là gợn sóng.
Không bao giờ xuống mức không, không bao giờ vượt quá đỉnh
Để làm phẳng tín hiệu đã chỉnh lưu, bạn mắc tụ điện:
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
nối song song, tụ nạp đến giá trị cực đại rồi xả qua tải giữa các đỉnh, giữ điện áp ổn định.
Ví dụ minh họa: Gợn sóng lớn đến mức nào?
- Một bộ chỉnh lưu bán chu kỳ cấp từ nguồn $50\ \text{Hz}$ có tụ $470\ \mu\text{F}$ mắc song song với tải $1.2\ \text{k}\Omega$. Ước lượng độ sụt tỷ lệ giữa các đỉnh, và nêu sự thay đổi nếu dùng cầu chỉnh lưu.
- Bán chu kỳ tạo ra một đỉnh mỗi chu kỳ, nên các đỉnh cách nhau $T = 1/50 = 20\ \text{ms}$.
- Hằng số thời gian: $RC = (1.2\times10^3)(470\times10^{-6}) = 0.56\ \text{s}$.
- Xả điện: $V = V_0 e^{-t/RC} = V_0 e^{-0.020/0.56} = 0.965\,V_0$, tức là sụt khoảng $3.5\%$.
- Với cầu chỉnh lưu, các đỉnh chỉ cách nhau $10\ \text{ms}$, nên độ sụt giảm đi một nửa còn khoảng $1.8\%$. Vì $t \ll RC$, gợn sóng xấp xỉ $V_0 t/(RC)$: tỷ lệ thuận với khoảng thời gian giữa các đỉnh, và tỷ lệ nghịch với cả $R$ và $C$.
Một bộ chỉnh lưu toàn chu kỳ từ nguồn 50 Hz cung cấp cho tải 1.2 kilo-ohm qua tụ điện 470 microfarad. Có bao nhiêu miligiac trôi qua giữa các đỉnh đầu ra?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
Tín hiệu chỉnh lưu toàn chu kỳ chạy ở tần số gấp đôi tần số đầu vào, tức 100 đỉnh mỗi giây và cách nhau 10 ms. Chỉnh lưu nửa chu kỳ sẽ tạo khoảng 20 ms và độ gợn sóng lớn hơn gần gấp đôi.
Giá trị trung bình của bộ chỉnh lưu nửa chu kỳ là $V_0$ chia cho ____.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Chỉnh lưu nửa chu kỳ cho 0.32 V0; cầu dùng cả hai nửa chu kỳ và nhân đôi lên thành 2V0/pi = 0.64 V0. Cầu cũng nhân đôi tần số gợn sóng, đó là lý do tại sao cùng một tụ điện làm phẳng tín hiệu tốt hơn.
Những yếu tố nào làm giảm gợn sóng, và cách vẽ biểu đồ
- Tụ $C$ lớn hơn: chứa nhiều điện tích hơn, nên điểm sụt giữa các đỉnh nhỏ hơn.
- Tải $R$ lớn hơn: dẫn đến dòng điện tải nhỏ hơn, nên tốc độ xả chậm hơn. Lưu ý đây là điện trở tải, do đó tải nặng ($R$ nhỏ) làm gợn sóng xấu đi.
- Chỉnh lưu toàn chu kỳ thay vì bán chu kỳ: ít thời gian hơn để xả điện giữa các đỉnh.
- Để vẽ biểu đồ: vẽ nhẹ các gò cong, sau đó vẽ đường cong chạm vào từng đỉnh, trồi xuống nhẹ nhàng, và bứt lên mạnh mẽ nơi gò cong tiếp theo gặp nó. Đường cong này không bao giờ chạm mức không và không bao giờ vượt quá đỉnh.
Đường bao lớn $RC$ ôm lấy đường đỉnh
Chọn tất cả các thay đổi giúp giảm độ gợn sóng.
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
Giá trị $RC$ lớn hơn (hoặc khoảng thời gian giữa các đỉnh ngắn hơn) khiến tụ xả ít hơn giữa các đỉnh — độ gợn sóng nhỏ hơn. Tụ điện dung lượng nhỏ hơn thì ngược lại.
Điểm số dễ mất
- Tụ làm phẳng phải mắc trên tải, song song. Mắc nối tiếp sẽ chặn hoàn toàn dòng điện một chiều.
- Trong giải thích về cầu chỉnh lưu, nêu rõ cặp diode nào dẫn điện trong mỗi chu kỳ nửa. Câu "Dòng điện đi theo cùng một hướng" chỉ tính một điểm trong bốn điểm.
- Tín hiệu đầu ra chỉnh lưu toàn chu kỳ có tần số gấp hai lần tần số đầu vào, chứ không phải bằng tần số đầu vào.
- Điện trở tải nhỏ hơn dẫn đến gợn sóng lớn hơn, vì tụ xả điện nhanh hơn.
- Bán chu kỳ có các khoảng bằng không; chỉnh lưu toàn chu kỳ thì không có. Vẽ các khoảng trống có độ rộng bằng với các gò cong.
Bạn đã nắm vững
- Chỉnh lưu chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều; diode chỉ dẫn điện khi phân cực thuận, theo hướng mà tam giác của nó chỉ.
- Bán chu kỳ sử dụng một diode và truyền qua một nửa của mỗi chu kỳ, trung bình $V_0/\pi$; cầu chỉnh lưu gồm bốn diode truyền qua cả hai nửa, trung bình $2V_0/\pi$, ở tần số gấp đôi.
- Một tụ song song với tải làm phẳng tín hiệu bằng cách xả điện qua tải giữa các đỉnh, với hằng số thời gian $RC$.
- Gợn sóng thu nhỏ lại khi tụ $C$ lớn hơn, điện trở tải lớn hơn, và chỉnh lưu toàn chu kỳ thay vì chỉnh lưu bán chu kỳ.