Mạch chỉnh lưu cầu là gì? Nguyên lý hoạt động của mạch cầu Diode

Mạch chỉnh lưu cầu là một thành phần quan trọng trong các hệ thống điện tử, có chức năng chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC). Đây là loại mạch được sử dụng rộng rãi trong các bộ nguồn điện, máy móc và thiết bị điện tử, giúp cung cấp nguồn điện ổn định phục vụ cho hoạt động của nhiều thiết bị khác nhau. Nhờ cấu tạo đặc biệt với 4 diode mắc theo dạng cầu, mạch chỉnh lưu cầu có hiệu quả tốt trong việc tận dụng toàn bộ sóng điện áp AC để tạo ra dòng điện DC ổn định. Cùng Cáp điện VN tìm hiểu chi tiết về mạch chỉnh cầu là gì? Hướng dẫn phân loại và nguyên lý hoạt động của mạch chỉnh cầu 4 Diode.

Mạch chỉnh lưu cầu là gì?

Mạch chỉnh lưu cầu hay còn gọi là mạch cầu Diode là một mạch điện dùng để chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC). Mạch này sử dụng 4 diode mắc theo hình cầu nhằm chỉnh lưu toàn bộ sóng, tức là cả hai nửa chu kỳ dương và âm của dòng AC đều được biến thành dòng DC ở đầu ra.

Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu

Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu bao gồm các thành phần chính như máy biến áp, cầu diode, bộ lọc và bộ điều chỉnh. Đây là nguồn cung cấp điện một chiều (DC) cho các thiết bị và linh kiện điện tử.

Khối đầu tiên là máy biến áp, có nhiệm vụ thay đổi biên độ điện áp đầu vào. Thông thường, mạch điện tử dùng biến áp 220V/12V để giảm điện áp xoay chiều từ 220V xuống 12V, phù hợp với yêu cầu hoạt động của các linh kiện.

Tiếp theo là bộ chỉnh lưu cầu diode, thường có 4 diode hoặc nhiều hơn tùy thiết kế. Bộ phận này chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC). Tuy nhiên, điện áp đầu ra sau chỉnh lưu vẫn còn dao động, do đó cần có bộ lọc để làm mượt dòng điện, giảm nhiễu và giữ cho điện áp DC ổn định hơn.

Khối cuối cùng là bộ điều chỉnh điện áp đầu ra, giúp giảm điện áp và duy trì mức ổn định kể cả khi điện áp đầu vào thay đổi. Bộ phận này đảm bảo nguồn DC đầu ra có chất lượng phù hợp để cấp cho các thiết bị hoạt động hiệu quả.

Nguyên lý hoạt động của mạch chỉnh lưu cầu

Nguyên lý vận hành của mạch chỉnh lưu cầu dựa trên đặc tính dẫn dòng một chiều của diode và nguyên lý hoạt động theo từng nửa chu kỳ của dòng điện xoay chiều (AC) như sau:

• Trong nửa chu kỳ dương (+) của dòng AC, hai diode ở vị trí thuận chiều (ví dụ D1 và D2) sẽ dẫn điện, cho phép dòng điện đi qua tải theo một hướng nhất định. Đồng thời, hai diode còn lại (D3 và D4) bị phân cực ngược, không cho dòng điện đi qua.
• Trong nửa chu kỳ âm (-) của dòng AC, ngược lại hai diode D3 và D4 dẫn điện, cho phép dòng điện đi qua tải với chiều giống nửa chu kỳ dương, trong khi D1 và D2 bị phân cực ngược, ngăn dòng điện.
• Kết quả là dòng điện qua tải luôn có cùng chiều trong cả hai nửa chu kỳ AC, tạo ra dòng điện một chiều (DC) có biên độ điện áp có dao động (gợn sóng) nhỏ hơn nhiều so với mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ.

Mạch thường được kết hợp với bộ lọc (tụ điện) để làm phẳng điện áp đầu ra, và bộ điều chỉnh để duy trì điện áp ổn định bất kể sự thay đổi đầu vào, cung cấp nguồn DC ổn định cho các thiết bị điện tử.

Ưu nhược điểm mạch chỉnh lưu cầu

Mạch chỉnh lưu cầu cân bằng tốt giữa hiệu suất và độ phức tạp, nên được sử dụng phổ biến trong nhiều loại nguồn điện một chiều. Ưu và nhược điểm của mạch chỉnh lưu cầu (mạch cầu diode) như sau:

Ưu điểm

• Hiệu quả chỉnh lưu cao: Mạch tận dụng cả hai nửa chu kỳ của dòng AC để tạo dòng DC, cho hiệu suất cao hơn mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ.
• Dòng điện DC đầu ra ổn định hơn: Độ gợn sóng (ripple) ở đầu ra nhỏ hơn so với mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ.
• Không cần biến áp trung tâm: Khác với mạch chỉnh lưu toàn sóng dùng biến áp trung tâm, mạch cầu diode không yêu cầu biến áp đặc biệt, dễ thiết kế và lắp đặt.
• Điện áp trung bình đầu ra lớn: Điện áp DC đầu ra lớn hơn so với mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ.
• Phù hợp với nhiều ứng dụng: Được dùng rộng rãi trong nguồn điện cho thiết bị điện tử, máy móc công nghiệp, thiết bị gia dụng.

Nhược điểm

• Số linh kiện nhiều hơn: Cần 4 diode, phức tạp và tốn kém hơn mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ (chỉ dùng một diode).
• Tổn hao điện áp trên diode: Khi dòng qua diode, có mất điện áp khoảng 0.7V mỗi diode, nên mất tổng cộng khoảng 1.4V trên mỗi chu kỳ chỉnh lưu.
• Hơi phức tạp trong thiết kế so với chỉnh lưu nửa chu kỳ, đòi hỏi chú ý khi mắc các diode để đảm bảo hoạt động đúng.

Phân loại mạch chỉnh lưu cầu

Mạch chỉnh lưu cầu được phân loại như sau:

Theo số pha nguồn cấp

• Chỉnh lưu cầu 1 pha: Sử dụng 4 diode để chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) một pha thành dòng điện một chiều (DC).
• Chỉnh lưu cầu 3 pha: Sử dụng 6 diode để chuyển đổi dòng điện xoay chiều 3 pha thành dòng điện một chiều, phù hợp với các nguồn AC 3 pha.

Theo loại điều khiển

• Chỉnh lưu cầu không điều khiển: Dùng diode thông thường không có khả năng điều chỉnh, dòng điện đầu ra không thể thay đổi mà chỉ cố định theo dạng sóng. Đây là loại thường dùng trong nguồn DC ổn định, đơn giản.
• Chỉnh lưu cầu bán điều khiển: Một số diode được thay thế bằng linh kiện bán dẫn có thể điều khiển như SCR (thyristor), cho phép điều chỉnh góc bật của diode để thay đổi điện áp đầu ra.
• Chỉnh lưu cầu có điều khiển toàn phần: Toàn bộ diode được thay bằng linh kiện bán dẫn điều khiển được như SCR, IGBT hoặc MOSFET, cho phép điều chỉnh hoàn toàn công suất đầu ra, rất linh hoạt và ứng dụng trong các mạch điều khiển phức tạp.

Phân loại này giúp chọn loại mạch chỉnh lưu cầu phù hợp với từng ứng dụng cụ thể từ nguồn cố định đơn giản đến các hệ thống điều khiển điện áp và công suất phức tạp.

Như vậy, mạch chỉnh lưu cầu đóng vai trò thiết yếu trong việc chuyển đổi nguồn điện xoay chiều thành điện một chiều ổn định, góp phần quan trọng trong các thiết bị điện tử và hệ thống điện công nghiệp. Với nguyên lý hoạt động tận dụng cả hai nửa chu kỳ của dòng AC cùng cấu trúc hợp lý, mạch chỉnh lưu cầu không chỉ nâng cao hiệu suất chỉnh lưu mà còn giúp giảm nhiễu và ổn định điện áp đầu ra. Do đó, hiểu rõ về mạch chỉnh lưu cầu giúp các kỹ sư và người dùng có thể ứng dụng và vận hành các hệ thống điện hiệu quả hơn.