Đi-ốt & Mạch chỉnh lưu nguồn DC Linear

Hầu hết các thiết bị điện tử trong nhà bạn—từ điện thoại di động, máy tính, đến chiếc tivi—đều sử dụng Dòng điện một chiều (DC) để hoạt động. Tuy nhiên, nguồn năng lượng cung cấp từ ổ cắm tường nhà bạn lại là Dòng điện xoay chiều (AC). Làm thế nào để chuyển đổi dòng điện xoay chiều có hướng thay đổi liên tục thành dòng điện một chiều phẳng lặng và ổn định? Đó là nhiệm vụ của Bộ nguồn tuyến tính (Linear Power Supply).

Trong bài học này, chúng ta sẽ bắt đầu từ linh kiện bán dẫn cơ bản nhất: Đi-ốt (Diode), và xây dựng một bộ nguồn DC hoàn chỉnh.

1. Tiếp giáp P-N và Đi-ốt Bán dẫn

Đi-ốt là linh kiện bán dẫn được tạo thành bằng cách ghép một miếng bán dẫn loại P (dư thừa lỗ trống mang điện tích dương) với một miếng bán dẫn loại N (dư thừa electron mang điện tích âm). Ranh giới giữa chúng gọi là Tiếp giáp P-N (P-N Junction).

Tại tiếp giáp này, electron từ loại N khuyếch tán sang loại P để lấp đầy lỗ trống, tạo ra một vùng trung hoà không chứa hạt mang điện tự do gọi là Vùng nghèo (Depletion Region). Vùng này thiết lập một điện thế rào cản ngăn cản dòng điện tự do chạy qua.

• Phân cực thuận (Forward Bias): Khi ta nối cực dương nguồn điện vào bán dẫn loại P (Anode) và cực âm vào bán dẫn loại N (Cathode), điện trường ngoài sẽ thắng điện thế rào cản, vùng nghèo thu hẹp lại và dòng điện dễ dàng chạy qua. Đi-ốt dẫn điện.
• Phân cực ngược (Reverse Bias): Khi ta đảo ngược cực nguồn điện, vùng nghèo mở rộng ra, ngăn chặn tuyệt đối dòng điện (chỉ có dòng rò cực nhỏ cỡ $\mu\text{A}$ hoặc $\text{nA}$). Đi-ốt không dẫn điện.

2. Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ vs toàn chu kỳ (Cầu đi-ốt)

Nhờ đặc tính chỉ cho dòng điện chạy qua theo một chiều, ta có thể dùng đi-ốt để biến đổi dòng điện xoay chiều AC thành dòng điện một chiều DC (gọi là quá trình Chỉnh lưu - Rectification).

2.1 Chỉnh lưu nửa chu kỳ (Half-Wave Rectifier)

Mạch chỉ sử dụng 1 đi-ốt nối tiếp với tải. Ở chu kỳ dương của AC, đi-ốt phân cực thuận và dẫn dòng điện. Ở chu kỳ âm, đi-ốt phân cực ngược và chặn dòng. Ngõ ra là dòng điện DC dạng xung chỉ chứa nửa chu kỳ dương.

• Điện áp đỉnh ngõ ra: $V_{out, peak} = V_{in, peak} - 0.7\text{V}$.
• Tần số xung ngõ ra bằng tần số lưới điện AC đầu vào ($50\text{Hz}$).
• Nhược điểm: Rất lãng phí năng lượng (bỏ phí 50% thời gian) và gợn sóng cực lớn.

2.2 Chỉnh lưu cầu toàn chu kỳ (Full-Wave Bridge Rectifier)

Mạch sử dụng 4 đi-ốt mắc cầu để lật ngược chu kỳ âm của AC thành chu kỳ dương. Ở bất kỳ chu kỳ nào, dòng điện cũng chạy qua 2 đi-ốt nối tiếp để tới tải theo một chiều duy nhất.

• Điện áp đỉnh ngõ ra: $V_{out, peak} = V_{in, peak} - 1.4\text{V}$ (do dòng điện luôn đi qua 2 đi-ốt cùng lúc, mỗi đi-ốt sụt $0.7\text{V}$).
• Tần số xung ngõ ra gấp đôi tần số đầu vào ($100\text{Hz}$).
• Ưu điểm: Tận dụng toàn bộ năng lượng của AC, dạng sóng mịn hơn dễ lọc hơn.

3. Bộ lọc tụ điện (Capacitor Filter) và Độ gợn sóng (Ripple)

Dòng điện sau chỉnh lưu vẫn là dòng điện xung nhấp nháy liên tục từ $0\text{V}$ lên cực đại, chưa thể dùng cho IC điện tử. Để biến nó thành DC phẳng lặng, ta nối song song một Tụ điện lọc nguồn (Filter Capacitor - $C$) với tải.

Cơ chế hoạt động: Khi điện áp chỉnh lưu tăng dần lên đỉnh, nó nạp điện cho tụ. Khi điện áp chỉnh lưu sụt về không, tụ điện sẽ xả điện tích tích luỹ của mình để cấp cho tải. Nếu dung lượng tụ điện đủ lớn, điện áp trên tải sẽ được giữ ở mức cao và chỉ sụt giảm nhẹ trước khi chu kỳ tiếp theo đến nạp bù lại. Sự dao động nhỏ này gọi là Điện áp gợn sóng (Ripple Voltage - $V_{ripple}$ hoặc $V_r$).

Công thức tính xấp xỉ điện áp gợn sóng đỉnh-đỉnh ($V_{ripple, p-p}$):

$$V_{ripple} \approx \frac{I_{load}}{f \cdot C}$$

Trong đó: $I_{load}$ là dòng điện tải, $f$ là tần số sau chỉnh lưu ($50\text{Hz}$ với nửa chu kỳ, $100\text{Hz}$ với cầu toàn chu kỳ), và $C$ là điện dung của tụ điện lọc.

Để giảm thiểu gợn sóng điện áp $V_{ripple}$, ta cần:

• Sử dụng tụ điện dung tích lớn $C$.
• Chỉnh lưu toàn chu kỳ để tần số $f$ tăng gấp đôi, làm giảm thời gian xả của tụ đi một nửa.

4. Ổn áp tuyến tính (Linear Regulator 7805)

Ngay cả khi có tụ lọc lớn, điện áp DC vẫn bị mấp mô nhẹ và có xu hướng tăng/giảm theo sự dao động của điện áp lưới AC. Để tạo ra một điện áp phẳng tuyệt đối (ví dụ $5.0\text{V}$ cho chip xử lý), ta sử dụng IC ổn áp tuyến tính 7805.

Nguyên lý: IC 7805 hoạt động giống như một biến trở tự động điều chỉnh. Nó liên tục đo điện áp đầu ra và điều chỉnh điện trở nội của nó để triệt tiêu toàn bộ gợn sóng, giữ đầu ra luôn cố định ở $5.0\text{V}$. Để hoạt động ổn định, 7805 cần một Điện áp sụt tối thiểu (Dropout Voltage) khoảng $2\text{V}$ trên nó. Nghĩa là điện áp cấp vào chân đầu vào của 7805 ($V_{in}$) phải luôn lớn hơn hoặc bằng $7\text{V}$. Nếu $V_{in}$ sụt dưới $7\text{V}$, IC 7805 sẽ bị mất ổn áp (dropout) và điện áp ra sẽ sụt theo.

Hao phí toả nhiệt: Phần điện áp chênh lệch $(V_{in} - V_{out})$ sẽ bị chuyển hoá hoàn toàn thành nhiệt lượng trên IC ổn áp:

$$P_{loss} = (V_{in} - V_{out}) \cdot I_{load}$$

Nếu công suất hao phí này lớn (trên $1\text{W}$), bạn bắt buộc phải lắp tản nhiệt (heatsink) cho IC để tránh nó bị ngắt bảo vệ quá nhiệt.

5. Linear DC Power Supply Simulator: Bộ mô phỏng nguồn tuyến tính

Bộ mô phỏng dưới đây thể hiện 4 bước thiết kế mạch nguồn DC từ nguồn AC xoay chiều. Hãy kéo chọn các chế độ (từ chỉnh lưu thô sơ đến mạch ổn áp 7805 hoàn chỉnh) và quan sát dạng sóng điện áp biến đổi trên máy hiện sóng thời gian thực.