B. BỘ BIẾN ĐỔI LOẠI DÒNG ĐIỆN: XOAY CHlỀư THÀNH MỘT CHIỀU
4.2.2. Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ
4.2.2.1. Tải thuần trở
Hình 4.22 biểu thi sơ đồ chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ với tải thuần trở (đèn sợi đốt, lò điện, bếp điện...)
Phương trình điện áp cho mạch tải:
e 2(t) = Ua c + u t (t) = UAC + R i(t )
D I
MBA
HÌNH 4.22. Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ với tải thuần trở. D iode định hướng dòng qua phụ tải.
Nguồn thứ cấp MBA được biểu thị ở hình 4.23a:
e2(t) = E2m sincot = V2 E2 sincot Nếu coi diode là lý tưởng, nghĩa là dòng điện ngược Ing = 0 khi phân áp ngươc và sut áp tFong diode khi diode dẫn dòng lúc phân áp thuận là bằng 0 (U AC = 0). Nói một cách khác là khi phân áp ngược, điện trở diode Rac = QO, còn khi phấn áp thuận, điện trở diode RAC = 0.
Ở nửa chu kỳ dương, diode được phân áp thuận sẽ dẫn dòng qua tải.
Dòng điện tải đổng pha với điện áp nguồn (hình 4.23b).
UAC = 0 - ^ e2(t) = u (t) = Ri(t) Ớ nửa chu kỳ âm, diode được phân áp ngược sẽ khóa, không cho dòng điện qua tải và điện áp đặt lên diode như hình 4.23c.
HÌNH 4.23. Giản đồ dòng điện và điện áp theo thời gian khi chỉnh lưu qua diode, một pha nửa chu kỹ.
164
i(t) = 0 -> e2(t) = UA C .
Vậy: - u (t) "lặp lại" nửa chu kỳ dương của e2 (t)
- UAC (t) "lặp lại" nửa chu kỳ âm của e2 (t)
Dòng điện qua tải i(t) là dòng một chiểu (vì không có phần âm) nhấp nhô. Trong một chu kỳ của nguồn xoay chiều, dòng điện tải nhấp nhô một lần. Ta nói: tần số đập mạch của dòng điện này là m = 1.
Các giá trị điện áp và dòng điện tải có thể đo (hình 4.22) và tính như sau:
- Von mét từ điện đo giá trị trung bình UQ của điện áp chỉnh lưu:
T
u . = 4 r ^ E 2si o
sin cot.dt
_ _ , dt v 1 1 1
Đặt cot = 9, có: d0 = — và —2- = — = ——
co coT 2 7 tfT 271
U o = — Jv/2E2 sin0.de = ~ E 2 = 0,45E2
27ĩ J 7t
o
- Ampe mét từ điện đo giá trị trung bình của dòng điện qua tải:
u „ V2E2 I = —
0 R 7ĩR
e7 :0,45-=^
R
- Ampe mét sắt từ đo giá trị hiệu dụng của dòng điện qua tải:
T / /— \ 2 I2 - 1 í
1hd - J J sin cot
R dt
(4.15)
(4.16)
I hd E2 V2R
ÍV2E2 . . 1 ---sin0
2 d0 = -
("r ) n 2
V R 7 2 l R J
= 0,7 R
(4.17) - Von mét sắt từ đo giá trị hiệu dụng của điện áp chỉnh lưu:
“m =1mr = % = 0’7 e 2 0 -1 8 )
4.2.2.2. Tải có cảm kháng
Tải có cảm kháng là: các cuộn hút, cuộn dây, ly hợp, nam châm điện...
Trường hợp này (hình 4.24) khi diode được phân áp thuận trong nửa chu kỳ dương của nguồn thì nó dẫn dòng điện qua tải. Vì tải có cảm kháng nên dòng điện không biến thiên theo cùng một nhịp với điện áp nguồn mà chậm hơn. (tăng chậm hơn, giảm chậm hơn).
Nguyên nhân lằ do s.đ.đ. tự cảm ngược chiều với s.đ.đ. nguồn:
eL = - l A dt
nên dòng điện được tạo ra bởi hiệu của 2 s.đ.đ. (e2 - eL).
165
ở thời điểm ban đầu, t = 0, dòng điện i = 0. Khi dòng điện bắt đầu tăng thì — > 0,
dt s.đ.đ eL ngược chiều với s.đ.đ e2 và dòng điện i bị tăng chậm (hình 4.25ằ). Phần cảm L tích lũy năng lượng dưới dạng từ năng.
Khi dòng điện tăng tói giá trị cực đại thì bắt đầu giảm ( — < 0). s .đ :đ . tự cảm đảo
dt
chiều, cùng chiều tác dụng của s.đ.đ. nguồn e2: (e o + eL), nên sự giảm nhanh của dòng điện bị hạn chế. Lúc này, phần cảm L giải phóng năng lượng, biến từ năng đã tích lũy thành điện năng, làm dòng điện i giảm chậm. Khi e2 = 0 và đảo chiều thành âm (e2 < 0) thì s.đ.đ. eL vẫn có giá trị đủ lớn, áp đảo e2, tiếp tục phân áp thuận cho diode D.
( - e + eL) > 0 Diode D tiếp tục dẫn dòng qua tải.
Từ thời điểm tx = —• trở đi thì eL nhỏ đến Ằ to
HÌNH 4.25. Giản đồ thời gian của dòng, áp khi chỈ!
một pha nửa chu kỳ với tải có cảm kháng.
D
HỈ NH 4.24. C h ỉ n h l ư u m ộ t p h a n ử a c h u k ỳ v ớ i tả i c ó t í n h c h ấ t c ả m k h á n g .
mức làm cho tổng các s.đ.đ : ( - e + eL) < 0 nên diode bị phân áp ngừợc, khóa và i0 = 0
Vậy:
- Trong trường hợp tải có tính chất cảm kháng (L & 0) thì khoảng dẫn dòng của diode (X) lớn hơn n so với trường hợp tải thuần trở. X càng lớn khi L càng lớn.
- Khi diode dẫn dòng, điện áp trên tải lặp lại s.đ.đ.nguồn nên có một vùng âm (X - tc) như ở hình 4.25b. Vì th ế giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu Ư0 nhỏ hơn so với trường hợp tải thuần trở.
- Điện áp đặt lên diode khi nó khóa có dạng như hình 4.25c.
Điện áp ngược có bước nhảy vọt ban đầu Ung 0 gây tác dụng xấu cho chuyển mạch của diode. Giá ih lưu trị L càng lớn thì Ư ng.o càng lớn.
1 6 6
Trong thực tế, với tải có tính chất cảm kháng, người ta hay mắc một diode đệm (hình 4.24b) để duy trì dòng điện tải ở nửa chu kỳ âm của điện áp nguồn và cũng là để bảo vệ các thiết bị khỏi bị quá áp. Sự làm việc của diode đệm đã được xem xét ở mục 4.2.1.4.
H Ì N H 4 . 2 ố . Đ i ệ n á p v à d ò n g đ i ệ n k h i c h ỉ n h lư u m ộ t p h a n ử a c h u k ỳ vớ i tải c ó c ả m k h á n g và c ó d i o d e đ ệ m .
H Ì N H 4 . 2 7 . C h ỉ n h lư u m ộ t p h a n ử a c h u k ỳ với tải c ó s . đ . đ .
Giản đồ thời gian như hình 4.26. Trong nửa chu kỳ dương của e2(t), diode D thông, D0 khóa và dòng điện tải tăng lên. Trong nửa chu kỳ âm của e2(t), diode D khóa, D0 thông trong suốt thời gian nửa chu kỳ (lOms) và dòng điện i(t) giảm theo hàm mũ.
Tổng quát: điện áp chỉnh lưu lặp lại điện áp nguồn, còn dòng điện tải tồn tại liên tục trong suốt cả chu kỳ.
4.2.2.3. Tải có s.đ.đ.
Tải có s.đ.đ là: động cơ điện, bể điện phân, bộ nạp ắc quy, tụ điện lớn... Các s.đ.đ.
của phụ tải khi làm việc có chiều ngược với điện áp nguồn cho nên còn gọi là sức phản điện động (s.f.d.).
Trường hợp tải là R + E được biểu thị trên hình 4.27.
s.đ.đ E0 tạo ra phân áp ngược cho diode D nên có xu hướng khóa diode này. Vì thế, để>
.diode thông thì phải có điều kiện là : trị số s.đ.đ. nguồn e2 lớn hơn s.f.d. E0 (hình 4.28a,b).
Từ thời điểm t0! thì e2 > E0 và diode D bắt đầu thông.
Từ thời điểm Í02 thì e2 < E0 và diode D bắt đầu khóa.
Thòi gian thông của diode D sẽ nhỏ hơn T/2 tương ứng với góc dẫn nhỏ hơn ĩt.
e t
HÌNH 4.28. Giản đồ thời gian của dòng điện và điện áp khi chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ với tải có s.đ.đ.
167
Tại thời điểm t©i thì s.đ.đ. nguồn là:
e2 = E0 = V2E2 sin 0|
nên giá trị đáng lưu ý của 0Ị được xác định:
0J = Arcsin Eo
Thời điểm thõng
®1 3II
bắt đầu thông V2E2
Góc khóa 0 , = 7t - 0, Thời điểm khóa
CO
Góc dần (khoảng dẫn) Ằ = 0 2 - 0 | =
CDOị Thời gian dẫn
0 2 - 0 J T = ---
0)
s.f.đ. Eơ càng lớn thì khoảng dẫn X càng hẹp và dòng chỉnh lưu càng nhỏ.
Điện áp trên tả r UQ khi diode thông là điện áp nguồn, khi diode khóa, là E0 (hình 4.28a).
Điện áp đặt lên van (hình 4.28c) khi diode thông là 0, khi diode khóa là:
UAC = e2 - E„ ở nửa chu kỳ dương của nguồn.
U AC = (|e 2| + |E 0|) ở nửa chu kỳ âm của nguồn.
Giá trị cực đại của điện áp ngược là:
ung. max = k/2E; (4.19)
Giá trị trung bình của dòng chỉnh lưu:
1 ®2rV 2 E , s in 0 - E
lr 2ĩt ỉ — d0
V2E , °ỉ 2nR
V2E2
2 7 tR
J (sinG-sin©! )d0 9|
■[2c o s0ị - (7ĩ - 2 0|) s i n0iỊ Khi diode dẫn dòng, giá trị cực đạí của dòng là:
ì _ ^ 2max — E0 _ ■'/2E2 - V2E2 sin0 V2E2 n ^
omax --- - ~ n V s l n ơ l )
và hệ số đỉnh:
R R
kd = ^JSSX = 2tĩ 1 - sin 0J
2cos9j - (lĩ - 29J )sin 0]
(4.20)
(4.21)
(4.22)
Từ hình 4.28b ta thấy: khi 0J Tĩ . Tt
(đồng thời 02 — từ phía ngược lại) thì chỉnh lưu
2 2
làm việc ở chế độ xung dòng điện. Khi đó, giá trị kđ có thể rất lớn.
Thật vậy, đặt 9ị = — - 8 thì khi 8 -> 0, ta có 9ị —> — Thay 9| = —- e vào (4.22) có:
k d =7t 1 - cos 8 7t l- c o s s s in s - s c o s s s sine
- cos 8 Phép tính giới hạn cho kết quả:
I vu-
k d -> —— khi 8 2 8 nghĩa là giá trị kđ khi 8 -> 9 là rất lớn. Khi đó, các diode có nguy cơ bị phá hủy bởi dòng điện lomax
Vậy: trong trường hợp có phụ tải điện dung, không nên chọn s.đ.đ. E->max gần trị số s.f.d. E0.
Trường hợp phụ tải có s.f.d.
lại có cả điện cảm (hình 4.29a) như đã phân tích ở hình 4.25, điện cảm làm dòng điện tăng chậm ở sườn trước và kéo dài khoảng dẫn của diode ở sườn sau (hình 4.27c). Góc thông của diode D là 9 | còn góc khóa không phải là 92 mà lớn hơn 92
(Ằ > 92). '
Góc X ứ n g v ớ i th ờ i điểm mà HÌNH 4.29. Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ với tải R-L-E.
s.đ.đ. tự cảm của p h ầ n cảm
kháng không còn đủ duy trì một điện áp dương UAC trên 2 cực diode, tức là khi:
UAC = e 2 - Eo + e L = 0
Điện áp trên tải có dạng như hình 4.29b.