Mạch chỉnh lưu cầu được biết đến là một trong những thành phần quan trọng trong các hệ thống điện tử, đóng vai trò chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC). Với thiết kế đơn giản nhưng hiệu quả, mạch chỉnh lưu cầu không chỉ đảm bảo nguồn điện ổn định mà còn được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị dân dụng và công nghiệp từ máy móc đến các bộ nguồn hiện đại.

Định nghĩa

Mạch chỉnh lưu cầu là một thành phần quan trọng giúp chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC), đóng vai trò điều chỉnh nguồn AC để tạo ra đầu ra DC ổn định. Đây là giải pháp phổ biến trong các mạch nguồn, cung cấp điện áp DC cho nhiều thiết bị và linh kiện điện tử hiện đại.

Việc lựa chọn mạch chỉnh lưu phù hợp sẽ dựa trên yêu cầu của tải bao gồm các yếu tố như: thông số linh kiện, dải nhiệt độ hoạt động, điện áp chịu đựng, dòng điện qua mạch, dòng chuyển tiếp và các yêu cầu lắp đặt khác.

Trong các bộ nguồn, mạch chỉnh lưu cầu thường được kết hợp với biến áp, bộ lọc phẳng điện áp và bộ điều khiển điện áp để tối ưu hiệu quả hoạt động. Một số ứng dụng phổ biến của mạch chỉnh lưu cầu bao gồm: máy hàn, các bộ nguồn và mạch diode flyback.

Phân loại

Có nhiều loại mạch chỉnh lưu khác nhau, được phân loại dựa trên số lượng diode sử dụng, cách thức mắc diode và đặc tính của dòng điện một chiều đầu ra.

• Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ: Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ sử dụng một diode để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều. Dòng điện một chiều đầu ra của mạch có dạng sóng hình sin nửa chu kỳ, với chu kỳ bằng chu kỳ của dòng điện xoay chiều đầu vào.
• Mạch chỉnh lưu toàn chu kỳ: Mạch chỉnh lưu toàn chu kỳ sử dụng hai diode hoặc bốn diode để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều. Dòng điện một chiều đầu ra của mạch có dạng sóng hình sin toàn chu kỳ, với chu kỳ bằng chu kỳ của dòng điện xoay chiều đầu vào.
• Mạch chỉnh lưu cầu: Mạch chỉnh lưu cầu sử dụng bốn diode mắc thành cầu để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều. Dòng điện một chiều đầu ra của mạch có dạng sóng hình sin toàn chu kỳ, với chu kỳ bằng chu kỳ của dòng điện xoay chiều đầu vào.

Mạch chỉnh lưu toàn chu kỳ sử dụng hai diode, còn mạch chỉnh lưu cầu sử dụng bốn diode. Điều này có nghĩa là mạch chỉnh lưu cầu có thể chịu được dòng điện lớn hơn mạch chỉnh lưu toàn chu kỳ.

Chỉnh lưu cầu được phân thành 2 loại chính, đó là: chỉnh lưu 1 pha và chỉnh lưu 3 pha. Cả 2 loại này đều được phân thành các loại chỉnh lưu như là: chỉnh lưu không kiểm soát, chỉnh lưu bán kiểm soát và chỉnh lưu kiểm soát toàn phần.

• Chỉnh lưu 1 pha và chỉnh lưu 3 pha: Nguồn cung cấp là 1 pha hay 3 pha sẽ quyết định các bộ chỉnh lưu này. Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha sẽ bao gồm 4 diode để chuyển từ nguồn xoay chiều AC sang nguồn 1 chiều DC, trong khi bộ 3 pha sẽ cần sử dụng đến 6 diode để thực hiện điều này.
• Chỉnh lưu cầu không điều khiển: Bộ chỉnh lưu này sẽ sử dụng diode để chỉnh lưu đầu vào. Vì diode là một trong những linh kiện đơn hướng, chúng chỉ cho phép dòng điện chạy theo 1 chiều nhất định. Với sự sắp xếp của diode này trong bộ chỉnh lưu, chúng sẽ không cho phép công suất thay đổi tùy thuộc vào yêu cầu của tải. Vì vậy, chỉnh lưu này được sử dụng trong nhiều loại mạch nguồn cung cấp cố định.
• Chỉnh lưu cầu có điều khiển: Trong bộ chỉnh lưu này thay vì sử dụng diode không điều khiển, thì các linh kiện có thể được sử dụng gồm SCR, IGBT, Mosfet,… Những linh kiện này sẽ được sử dụng để thay đổi công suất đầu ra ở nhiều mức điện áp khác nhau, công suất đầu ra khi tải cũng sẽ được thay đổi một cách thích hợp nhất

Sơ đồ mạch

Mạch chỉnh lưu cầu bao gồm các thành phần chính: máy biến áp, bộ lọc, cầu diode và bộ điều chỉnh. Các thành phần này phối hợp tạo nên nguồn cung cấp DC ổn định được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị và linh kiện điện tử:

• Máy biến áp: Là khối đầu tiên, máy biến áp có nhiệm vụ điều chỉnh biên độ điện áp đầu vào. Phần lớn các mạch điện tử hiện nay sử dụng máy biến áp 220V/12V để hạ điện áp xoay chiều từ 220V xuống 12V, phù hợp với yêu cầu của các linh kiện.
• Cầu chỉnh lưu diode: Cầu chỉnh lưu sử dụng 4 hoặc nhiều diode, tùy vào thiết kế của từng loại. Bộ phận này chuyển đổi điện áp xoay chiều (AC) thành điện áp một chiều (DC). Tuy nhiên, điện áp đầu ra vẫn có sự dao động, do đó cần thêm bước lọc để loại bỏ nhiễu và tạo ra dòng DC mượt mà hơn.
• Bộ lọc: Bộ lọc đảm nhận vai trò làm phẳng điện áp đầu ra của cầu chỉnh lưu, giúp giảm thiểu dao động và đảm bảo dòng điện một chiều ổn định.
• Bộ điều chỉnh: Khối cuối cùng là bộ điều chỉnh điện áp, có nhiệm vụ giảm điện áp đầu ra và duy trì sự ổn định, kể cả sự biến đổi ở điện áp đầu vào. Điều này đảm bảo nguồn DC phù hợp và ổn định cho các thiết bị sử dụng.

Các thành phần này phối hợp chặt chẽ để cung cấp nguồn DC hiệu quả, đáp ứng nhu cầu của nhiều ứng dụng điện tử hiện đại.

‍Nguyên lý vận hành

Trong nửa chu kỳ dương (+) của dạng sóng AC, các diode D1 và D2 được phân cực thuận, trong khi D3 và D4 bị phân cực ngược. Khi điện áp đạt đến ngưỡng dẫn của D1 và D2, dòng tải bắt đầu di chuyển theo đường dẫn (màu đỏ) như minh họa.

Ngược lại, trong nửa chu kỳ âm (−) của dạng sóng AC, D3 và D4 được phân cực thuận, còn D1 và D2 chuyển sang phân cực ngược. Dòng tải lúc này sẽ đi qua D3 và D4.

Từ nguyên lý hoạt động trong cả hai nửa chu kỳ, ta thấy rằng dòng tải luôn có cùng hướng khi đi qua các diode. Điều này đồng nghĩa với việc dòng điện tại đầu ra luôn là dòng một chiều (DC). Nhờ bộ chỉnh lưu cầu, dòng điện xoay chiều (AC) đầu vào được chuyển đổi thành dòng điện một chiều (DC), phục vụ cho các ứng dụng yêu cầu nguồn DC ổn định.

Ứng dụng

Dưới đây là một số ứng dụng cụ thể của mạch chỉnh lưu:

• Trong các bộ nguồn điện một chiều, mạch chỉnh lưu được sử dụng để chuyển đổi nguồn điện xoay chiều từ lưới điện thành nguồn điện một chiều cho các thiết bị điện tử. Mạch chỉnh lưu thường được sử dụng kết hợp với các linh kiện điện tử khác như biến áp, tụ điện, điện trở,... để tạo ra nguồn điện một chiều có điện áp và dòng điện phù hợp với yêu cầu của thiết bị điện tử.
• Trong các mạch tách sóng tín hiệu vô tuyến, mạch chỉnh lưu được sử dụng để tách sóng tín hiệu vô tuyến điều biến biên độ (AM) hoặc điều biến tần số (FM). Tín hiệu vô tuyến thường được truyền tải dưới dạng sóng mang xoay chiều. Mạch chỉnh lưu sẽ chuyển đổi sóng mang xoay chiều thành dòng điện một chiều. Sau đó, tín hiệu điều chế sẽ được tách ra khỏi dòng điện một chiều bằng các linh kiện điện tử khác.
• Trong các mạch điều khiển, mạch chỉnh lưu được sử dụng để tạo ra xung điện một chiều cho các mạch điều khiển. Xung điện một chiều được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử khác, chẳng hạn như động cơ điện, máy bơm,...

Ngoài ra, mạch chỉnh lưu còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác, chẳng hạn như:

• Máy hàn: Mạch chỉnh lưu được sử dụng để tạo ra dòng điện một chiều có cường độ lớn để hàn kim loại.
• Các thiết bị y tế: Mạch chỉnh lưu được sử dụng để cung cấp nguồn điện một chiều cho các thiết bị y tế, chẳng hạn như máy đo điện tim, máy thở,...
• Các thiết bị công nghiệp: Mạch chỉnh lưu được sử dụng trong các thiết bị công nghiệp, chẳng hạn như máy CNC, máy in 3D,...

‍