Điốt (diode) và mạch chỉnh lưu là gì? Nguyên tắc cấu tạo

Diot (diode) là gì?

Điốt (Diode) bán dẫn hay còn gọi là Điốt, là một linh kiện điện tử bán dẫn chỉ cho phép dòng điện đi qua nó theo một chiều duy nhất mà không chạy ngược lại. Điốt bán dẫn thường đều có nguyên lý cấu tạo chung là một khối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại N và được nối với 2 chân ra là anode và cathode.

Mạch chỉnh lưu là một mạch điện điện tử chứa các linh kiện điện tử có tác dụng biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Mạch chỉnh lưu được dùng trong các bộ nguồn một chiều hoặc mạch tách sóng tín hiệu vô tuyến trong các thiết bị vô tuyến. Trong mạch chỉnh lưu thường chứa các Điốt bán dẫn để điều khiển dòng điện và các đèn chỉnh lưu thủy ngân hoặc các linh kiện khác.

Điốt (diode) và mạch chỉnh lưu là gì? Nguyên tắc cấu tạo của Diode (Điốt) và Mạch chỉnh lưu

Đầu tiên chúng ta cùng tìm hiểu Điốt là gì nhé?

Điốt là gì? (what is a Diode)

 Diode là một thiết bị điện bán dẫn điện tử cho phép dòng điện di chuyển qua nó theo một hướng dễ dàng hơn nhiều so với thiết bị kia. Loại diode phổ biến nhất trong thiết kế mạch hiện đại là diode bán dẫn mặc dù các công nghệ diode khác tồn tại. Điốt bán dẫn được tượng trưng trong sơ đồ sơ đồ như Hình bên dưới. Thuật ngữ “diode” được dành riêng cho các thiết bị tín hiệu nhỏ, I ≤ 1 A. Bộ chỉnh lưu thuật ngữ được sử dụng cho các thiết bị nguồn, I> 1 A.

Điốt là gì?

Khi được đặt trong một mạch đèn pin đơn giản, diode sẽ cho phép hoặc ngăn dòng điện qua đèn, tùy thuộc vào cực của điện áp được áp dụng . (Hình bên dưới )

dòng diot
Hình (a) dòng điện được phép chạy qua diot, hình (b) dòng điện bị chặn lại bởi diot

Nguyên tắc hoạt động của Điốt

Nguyên tắc hoạt động của Điốt

Theo hình trên thì ta thấy Diode cấu tạo bởi 2 khối P và khối N. Khối P mang nhiều lỗ trống (hole) mang điện tích dương. Khối N mang nhiều electron âm nên khi ghép nối với nhau. Sự chênh lệch điện áp xuất hiện. Các lỗ trống sẽ có xu hướng khuếch tan sang vùng khối N. Cùng lúc khối P lại nhận thêm các electron (điện tích âm) từ khối N chuyển sang. Kết quả là khối P tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa electron) trong khi khối N tích điện dương (thiếu hụt electron và dư thừa lỗ trống).

Ở vùng tiếp giáp P và N, một số electron bị hút vào lỗ trống và lấp đầy lỗ trống. Chúng tạo thành các nguyên tử trung hòa. Quá trình này sẽ giải phóng năng lượng dạng ánh sáng hay các bức xạ điện tử.

Nguyên tắc hoạt động của Điốt
diot hoạt động như van thủy lực. Hình (a) dòng điện được phép chạy qua, hình (b) dòng điện bị chặn lại

Về cơ bản ta hình dung nguyên lý hoạt động của diot như một chiếc van thủy lực. Khi áp suất bên phải van lớn thì công tác van sẽ tự mở, dòng nước chảy qua. Còn ngược lại khi áp suất bên trái van lớn thì công tắc van sẽ tự đóng lại và dòng nước không chảy qua được.

Diot cũng vậy, diot chỉ cho dòng electron chạy qua anode sang cathode điều kiện là điện áp anode cao hơn cathode. Từ đó ta rút ra nguyên lý dòng điện chạy từ nơi điện thế cao sang nơi có điện thế thấp.

Khi đó ta có UAK > 0 và ngược chiều với điện áp tiếp xúc (Utiếp xúc). Như vậy muốn có dòng điện qua điốt thì điện trường do UAK sinh ra phải mạnh hơn điện trường tiếp xúc, tức là: UAK >UTX.

Khi đó một phần của điện áp UAK dùng để cân bằng với điện áp tiếp xúc (khoảng 0.6V), phần còn lại dùng để tạo dòng điện thuận qua điốt.

Khi UAK > 0, ta nói điốt phân cực thuận và dòng điện qua điốt lúc đó gọi là dòng điện thuận (thường được ký hiệu là IF tức I-FORWARD hoặc ID tức I-DIODE). Dòng điện thuận có chiều từ anode sang cathode.

Thật kỳ lạ, biểu tượng mũi tên cũng là ký hiệu cho đi-ốt, hướng mũi tên là hướng của dòng electron. Điều này là do biểu tượng diode được phát minh bởi các kỹ sư, cho biết hướng dòng điện chạy qua trong sơ đồ mạch điện. Nó cho biết dòng điện tích từ phía dương (+) của nguồn điện áp tới âm (-). 

Hướng mũi tên là hướng ngược với dòng electron chạy qua. Hoạt động của Diode tương tự với hoạt động của van thủy lực . Chỉ cho dòng nước chảy theo một hướng mà thôi.

Mời xem máy laser là gì?

Van kiểm tra

Van kiểm tra về cơ bản là các thiết bị hoạt động bằng áp suất. Khi chúng mở và cho phép chất lỏng chảy qua từ nơi áp suất cao (bên phải van) tới nơi áp suất thấp (bên trái van). (theo hình trên)

 Nếu áp suất bên trái van lớn hơn bên phải van, công tắc của van sẽ đóng lại, lúc này chất lỏng sẽ không truyền qua được.

Giống như van kiểm tra, điốt về cơ bản là thiết bị hoạt động như ‘áp suất điện áp”. Khi điện áp bên anode lớn hơn cathode, diode sẽ cho qua, và ngược lại sẽ chặn lại. Khác nhau ở đây là sự chênh lệch của điện áp đi qua diode.

 Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn mạch mạch pin-diode-đèn đơn giản ở hình a. Lúc đầu đồng hồ chỉ 5.3 V là điện áp ban đầu. Qua một thời gian, điện áp giảm dần khi đi qua các linh kiện điện tử và đồng hồ chỉ 0 V.

Theo hình a ta thấy, bên phải diode đồng hồ đo là 5.3V, còn bên trái diode là 0,7V. Và lúc này có sự chênh áp từ cực – và cực +. Điện áp cực – lớn hơn cực + và dòng electron được phép chạy qua diode. Như thế dòng điện kín và thắp sáng đèn.

Ngược lại ở hình b. Điện áp cực – nhỏ hơn cực + nên dòng electron từ cực – chạy qua cực + bị chặn lại và đèn không sáng.

Diode thiên vị

Diot (diode) là gì?

Một diode thiên vị cho dòng điện nhỏ chạy qua và điện áp sẽ giảm. Như hình trên hầu hết điện áp từ pin sẽ tới bóng đèn và thắp sáng nó. Nếu cực của pin bị đảo ngược, diode sẽ không cho điện áp đi tới bóng đèn.

Ta có thể xem diode như một công tắc tự hành. Nó đóng khi điện áp anode lớn hơn điện áp cathode và mở khi điện áp anode nhỏ hơn cathode.

Như hình trên ta thấy điện áp nguồn (pin) là 6V. Điện áp của bóng đèn là 5.7V. Khi ta dùng đồng hồ đo điện áp 2 cực diode ta thấy chỉ có 0,7V. Tức là dòng điện áp giảm đi là 0,7V.

Ngưỡng điện áp giảm 0,7V này là do vùng tiếp giáp giữa khối P và khối N, một số electron vùng N bị hút vào lỗ trống vùng P nên tọa thành vùng chuyển tiếp hay nguyên tử trung hòa. Nguyên tử trung hòa này cân bằng về điện tích nên chúng là nguyên nhân dẫn tới sự suy giảm điện áp.

Độ lệch ngược

Biểu đồ vùng tiếp giáp khối P và N
Biểu đồ vùng tiếp giáp khối P và N

Biểu đồ sơ đồ của diode được chỉ ra anốt trong hình b tương ứng với khối bán dẫn P hình (a). Thanh catốt hình (b) tương ứng với vật liệu loại N tại (a). Cũng lưu ý rằng dải catôt trên phần vật lý (c) tương ứng với cực âm. Nếu điện áp phân cực giữa vùng tiếp giáp PN, vùng suy giảm này sẽ mở rộng, tiếp tục cản trở dòng điện đi qua nó. (Hình bên dưới )

Vùng tiếp giáp mở rộng cản trở ngược lại dòng điện qua nó
Vùng tiếp giáp mở rộng cản trở ngược lại dòng điện qua nó

Ngược lại nếu điện áp chênh lệch giúp vùng tiếp giáp P-N. Vùng nguyên tử trung hòa sẽ trở nên mỏng hơn. Các diot sẽ có điện trở giảm đi và cho dòng điện qua nó nhiều hơn. Lý tưởng nhất là khiến cho vùng tiếp giáp này thu gọn hoàn toàn thì dòng điện sẽ đi qua hoàn toàn mà không bị giảm điện áp.

Để làm điêu này người ta thường áp dụng một dòng điện áp nhỏ dùng làm điện áp chuyển tiếp chuyên để làm suy giảm vùng chuyển tiếp P-N. Minh họa trong Hình bên dưới.

Chênh lệch điện áp giữa vùng hình a và b giúp giảm vùng suy giảm
Chênh lệch điện áp giữa vùng hình a và b giúp giảm vùng suy giảm điện áp

Phương trình Điốt

Đối với các điốt silic, điện áp chuyển tiếp tuyệt vời nhất theo lý thuyết là 0,7 volt. Đối với điốt germanium, điện áp chuyển tiếp chỉ là 0,3 volt. Thành phần hóa học của điểm nối PN khác nhau sẽ có điện áp chuyển tiếp khác nhau.

Khi lắp một loạt các diode thì điện áp vẫn bị suy giảm. Sự sụt giảm điện áp của điốt không thay đổi và phụ thuộc vào độ mạnh của dòng điện. Nó là một hằng số nhất định. Và từ đó ta có phương pháp để áp dụng điện áp chuyển tiếp cho từng diot một.

Xem thêm: ampe kìm hioki 3280-10f

Trên thực tế, chuyển tiếp điện áp phức tạp hơn. Một phương trình mô tả chính xác dòng điện đi qua một diode, cho điện áp đi qua, nhiệt độ nơi tiếp xúc và một số hằng số vật lý. Nó thường được gọi là phương trình diode :

phương trình Diode

Thuật ngữ kT / q mô tả điện áp được tạo ra trong đường giao nhau PN do tác động của nhiệt độ, và được gọi là điện áp nhiệt, hoặc V t của đường giao nhau. Ở nhiệt độ phòng, đây là khoảng 26 millivolts. Biết được điều này, và giả định hệ số “phi tính” của 1, chúng ta có thể đơn giản hóa phương trình diode và viết lại nó như sau:

phương trình Điốt đơn giản

Bạn không cần phải quen thuộc với “phương trình diode” để phân tích các mạch diode đơn giản. Chỉ cần hiểu rằng điện áp đi qua một diode dẫn điện khiến dòng điện bị hao hụt một lượng nhỏ. Chỉ là sự hao hụt này khá nhỏ, không đáng kể. Đây là lý do tại sao nhiều sách giáo khoa chỉ đơn giản nói rằng sự sụt giảm điện áp trên một diode dẫn điện, bán dẫn vẫn không đổi ở mức 0,7 volt đối với silic và 0,3 volt đối với germanium.

Mối quan hệ

Tuy nhiên, một số mạch cố tình sử dụng mối quan hệ dòng / điện áp vốn có nơi biên giới PN. Do đó phương trình được hiểu theo ngữ cảnh này.

Ngoài ra, vì nhiệt độ là một yếu tố trong phương trình diode, nơi tiếp giáp PN có khuynh hướng chuyển tiếp cũng có thể được sử dụng như một thiết bị cảm biến nhiệt độ, và do đó để hiểu ta phải nắm được khái niệm và mối quan hệ phương tình toán học này.

Một diode ngược thiên vị ngăn dòng điện đi qua nó, do vùng suy giảm mở rộng. Trong thực tế, một lượng rất nhỏ dòng điện có thể và đi qua một diode phân cực ngược, được gọi là dòng rò, nhưng nó có thể bị bỏ qua cho hầu hết các mục đích.

Khả năng của một diode để chịu được điện áp nghịch đảo bị hạn chế, vì nó là cho bất kỳ chất cách điện nào. Nếu điện áp phân cực ngược áp dụng trở nên quá lớn diode sẽ gặp sự cố.

 (Hình bên dưới ), thường là phá hoại. Điện áp nghịch đảo cực đại của diode được gọi là điện áp nghịch đảo đỉnh hoặc PIV và có thể tìm thấy trên bao bì  từ nhà sản xuất.

Giống như điện áp chuyển tiếp, chỉ số PIV của một diode thay đổi theo nhiệt độ, PIV tăng khi nhiệt độ tăng và giảm khi diode trở nên lạnh hơn. Và ngược lại với điện áp chuyển tiếp.

Biểu đồ PIV

Thông thường, giá trị PIV của một diode “chỉnh lưu” chung là ít nhất 50 volt ở nhiệt độ phòng. Điốt có PIV nhiều nghìn volt có sẵn với giá khiêm tốn. Thường hiện nay các đồng hồ vạn năng đo diode một cách dễ dàng. Bạn có thể dễ dàng kiểm tra thiết bị này.

Mạch chỉnh lưu là gì?

Một mạch chỉnh lưu là một mạch điện bao gồm các linh kiện điện – điện tử, dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Mạch chỉnh lưu có thể được sử dụng trong các bộ nguồn cung cấp dòng điện một chiều, hoặc trong các mạch tách sóng tín hiệu vô tuyến điện trong các thiết bị vô tuyến. Phần tử tích cực trong mạch chỉnh lưu có thể là các điốt bán dẫn, các đèn chỉnh lưu thủy ngân hoặc các linh kiện khác.

Mạch chỉnh lưu nửa sóng

Một mạch chỉnh lưu nửa sóng chỉ một trong nửa chu kỳ dương hoặc âm có thể dễ dàng đi ngang qua điốt, trong khi nửa kia sẽ bị khóa, tùy thuộc vào chiều lắp đặt của điốt.

Vì chỉ có một nửa chu kỳ được chỉnh lưu, nên mạch chỉnh lưu nửa sóng có hiệu suất truyền công suất rất thấp. Mạch chỉnh lưu nửa sóng có thể lắp bằng chỉ một đi ốt bán dẫn trong các mạch nguồn một pha.

mạch chỉnh lưu nửa sóng

Mạch chỉnh lưu toàn sóng

Mạch chỉnh lưu toàn sóng biến đổi cả hai thành phần cực tính của dạng sóng đầu vào thành một chiều. Do đó nó có hiệu suất cao hơn. Tuy nhiên trong mạch điện không có điểm giữa của biến áp người ta sẽ cần đến 4 điốt thay vì một như trong mạch chỉnh lưu nửa sóng.

Điều này có nghĩa là đầu cực của điện áp ra sẽ cần đến 2 điốt để chỉnh lưu, thí dụ như 1 cho trường hợp điểm X dương, và 1 cho trường hợp điểm X âm. Đầu ra còn lại cũng cần chính xác như thế, kết quả là phải cần đến 4 điốt. Các điốt dùng cho kiểu nối này gọi là cầu chỉnh lưu.

mạch chỉnh lưu toàn sóng

Bộ chỉnh lưu toàn sóng biến đổi cả hai nửa chu kỳ thành một điện áp đầu ra có một chiều duy nhất: dương (hoặc âm) vì nó chuyển hướng đi của dòng điện của nửa chu kỳ âm (hoặc dương) của dạng sóng xoay chiều. Nửa còn lại sẽ kết hợp với nửa kia thành một điện áp chỉnh lưu hoàn chỉnh.

Đối với nguồn xoay chiều một pha, nếu dùng biến áp có điểm giữa, chỉ cần 2 điốt nối đấu lưng với nhau (nghĩa là anốt-với-anốt hoặc catốt-với-catốt)có thể thành một mạch chỉnh lưu toàn sóng.

mạch chỉnh lưu toàn sóng

Một mạch chỉnh lưu dùng đèn chân không thông dụng sử dụng một đèn có 1 catốt và 2 anốt trong cùng một vỏ bọc; Trong trường hợp này, 2 điốt chỉ cần một bóng chân không. Các đèn 5U4 và 5Y3 là những thí dụ thông dung nhất cho kiểu mạch này.

Mạch điện ba pha cần đến 6 điốt. Thông thường cần 3 cặp, nhưng không phải cùng loại với điốt đôi sử dụng trong chỉnh lưu một pha toàn sóng. Thay vào đó người ta dùng cặp điốt nối tiếp với nhau (catốt nối với anốt).

Thường thì các điốt đôi sẽ được bố trí ra 4 chân, để có thể tùy ý đấu nối cho mạch chỉnh lưu toàn sóng một pha, hay mạch cầu một pha và ba pha.

Hầu thết các thiết bị phát sinh ra dòng điện xoay chiều (như máy phát điện xoay chiều) đều phát ra điện ba pha. Máy phát điện trên xe ô tô có 6 điốt lắp kiểu chỉnh lưu cầu ba pha để chỉnh lưu thành dòng điện một chiều, nạp điện cho bình ắc quy.

Điện áp ra của một mạch chỉnh lưu toàn sóng với các thyristor được điều khiển.
Điện áp ra của một mạch chỉnh lưu toàn sóng với các thyristor được điều khiển.

ÔN TẬP:

  • Một diode là một thành phần điện hoạt động như một van một chiều cho dòng điện.
  • Khi điện áp được áp dụng trên một diode trong một cách mà diode cho phép dòng điện, diode được cho là chuyển tiếp thiên vị .
  • Khi điện áp được áp dụng trên một diode trong một cách mà diode cấm dòng điện, diode được cho là đảo ngược thiên vị .
  • Điện áp rơi qua một diode tiến hành, chuyển tiếp thiên vị được gọi là điện áp chuyển tiếp . Chuyển tiếp điện áp cho một diode thay đổi chỉ một chút cho những thay đổi về phía trước dòng điện và nhiệt độ, và được cố định bởi các thành phần hóa học của ngã ba PN.
  • Silicon điốt có điện áp chuyển tiếp xấp xỉ 0,7 volt.
  • Điốt Germanium có điện áp chuyển tiếp xấp xỉ 0,3 volt.
  • Điện áp phân cực ngược cực đại mà một diode có thể chịu được mà không bị “phá vỡ” được gọi là điện áp nghịch đảo đỉnh , hoặc đánh giá PIV .

Bạn đang xem bài viết Điốt là gì? Mạch chỉnh lưu là gì? Nguyên tắc cấu tạo của Diode và mạch chỉnh lưu. Trong bài tới chúng ta cùng tìm hiểu về Cách thiết kế máy đo điện áp

Transistor là gì, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Transistor, cách sử dụng transistor

Diode là gì, diode zener chỉnh lưu là gì? Ứng dụng thực tế của Điốt

 

4 thoughts on “Điốt (diode) và mạch chỉnh lưu là gì? Nguyên tắc cấu tạo

  1. Xoryang says:

    Cấu tạo nguyên lý hoạt động của diode chỉnh lưu tần số thấp là như thế nào.. Thuyết trình hộ với

  2. Pingback: Diode là gì? - FLUKE.COM.VN

  3. TK Tech Huy says:

    Về cơ bản diode chỉnh lưu tần số thấp còn được gọi là diot chỉnh lưu công suất thấp. Chúng hoạt động như sau:
    Diode chỉnh lưu đặt một điện dung lớn song song với tải. Khi các điốt hoạt động, chúng sẽ sạc lại tụ lọc lớn. Việc sạc lại giống như dòng điện cao từ lưới điện sạc vào tụ lọc ban đầu với điện áp thấp. Đến khi điện áp tụ cân bằng. Vì vậy nguồn năng lượng từ lưới điện này giống như một tải có công suất thấp. Dòng điện chạy đến nó lệch pha với điện áp phản xạ lại từ nó.
    Diode chỉnh lưu công suất thấp
    Sử dụng các tụ lọc nhỏ hơn sẽ cải thiện hệ số công suất, nhưng rõ ràng điều này cũng dẫn đến độ gợn cao hơn từ nguồn cung cấp.
    Sự lệch pha này giữa dòng điện và điện áp, hệ số công suất, là vấn đề đối với lưới điện. Tại sao? Bởi vì bộ nguồn diode chỉnh lưu sẽ làm biến dạng dòng điện dạng sóng hình sin sạch, đẹp của lưới điện. Dòng điện đó cứ sau nửa chu kỳ sẽ rút điện áp của lưới điện. Do đó, ta chỉ còn thấy sóng hình sin của lưới điện chỉ còn 1 nửa.
    Người ta cũng gọi đây là dạng mạch chỉnh lưu nửa sóng. Các bạn đừng quá nhầm lẫn nhé. Và mạch nửa sóng như trên mình đã định nghĩa rồi. Bạn hiểu nôm na là thế này:
    Một mạch chỉnh lưu nửa sóng chỉ một trong nửa chu kỳ dương hoặc âm có thể dễ dàng đi ngang qua điốt, trong khi nửa kia sẽ bị khóa, tùy thuộc vào chiều lắp đặt của điốt. Vì chỉ có một nửa chu kỳ được chỉnh lưu, nên mạch chỉnh lưu nửa sóng có hiệu suất truyền công suất rất thấp. Mạch chỉnh lưu nửa sóng có thể lắp bằng chỉ một đi ốt bán dẫn trong các mạch nguồn một pha.

    Xem hình bên trên nhé

Comments are closed.