Mạch nhân đôi điện áp là gì ?
Mạch nhân điện áp là gì ?
Mạch Nhân Áp là một loại mạch chỉnh lưu điôt có thể tạo ra điện áp đầu ra nhiều lần lớn hơn điện áp đầu vào đã áp dụng.
Trong phần hướng dẫn về Mạch Chỉnh lưu, chúng ta đã thấy rằng điện áp DC đầu ra được kiểm soát bởi mạch chỉnh lưu có giá trị thấp hơn điện áp đầu vào của nguồn điện lưới. Tuy nhiên, Mạch Nhân Áp là một loại mạch chỉnh lưu điôt đặc biệt có thể tạo ra điện áp đầu ra nhiều lần lớn hơn điện áp đầu vào đã áp dụng.
Mặc dù thông thường trong các mạch điện tử, người ta sử dụng máy biến áp để tăng điện áp, nhưng đôi khi một máy biến áp nâng áp phù hợp hoặc một máy biến áp được cách điện đặc biệt cần thiết cho các ứng dụng điện áp cao có thể không luôn sẵn có. Một cách tiếp cận thay thế là sử dụng mạch nhân áp điôt, mạch này tăng hoặc “nâng” điện áp mà không cần sử dụng máy biến áp.
Các mạch nhân áp tương tự nhiều cách với các mạch chỉnh lưu trong việc chuyển đổi điện áp AC sang DC để sử dụng trong nhiều ứng dụng mạch điện và điện tử như lò vi sóng, cuộn dây điện trường mạnh cho ống tia cathode, thiết bị thử nghiệm tĩnh điện và điện áp cao, v.v., nơi cần phải tạo ra một điện áp DC rất cao từ một nguồn cấp AC tương đối thấp.
Nói chung, điện áp DC (Vdc) của một mạch chỉnh lưu bị giới hạn bởi giá trị đỉnh của điện áp sin đầu vào. Nhưng bằng cách sử dụng các tổ hợp của điôt chỉnh lưu và tụ điện, chúng ta có thể nhân hiệu quả điện áp đỉnh này để cho một đầu ra DC bằng một bội số lẻ hoặc chẵn của giá trị điện áp đỉnh của điện áp đầu vào AC. Hãy xem xét mạch nhân áp cơ bản dưới đây.
Mạch Nhân đôi điện áp
Mạch trên cho thấy một mạch nhân áp đối xứng cơ bản được tạo thành từ hai mạch chỉnh lưu bán bước. Bằng cách thêm một điôt và tụ điện thứ hai vào đầu ra của một mạch chỉnh lưu bán bước tiêu chuẩn, chúng ta có thể tăng điện áp đầu ra của nó lên một lượng nhất định. Loại cấu hình nhân áp này được gọi là Nhân Áp Toàn Bước Nối Tiếp vì một trong các điôt đang dẫn trong mỗi nửa chu kỳ, giống như đối với một mạch chỉnh lưu toàn bước.
Khi điện áp sin đầu vào là dương, tụ C1 sẽ sạc qua điôt D1 và khi điện áp sin là âm, tụ C2 sẽ sạc qua điôt D2. Điện áp đầu ra 2VIN được lấy trên hai tụ điện nối tiếp.
Lý thuyết, điện áp được tạo ra bởi một mạch nhân áp là không giới hạn, nhưng do khả năng điều chỉnh điện áp tương đối kém và khả năng dòng điện thấp, chúng thường được thiết kế để tăng điện áp với hệ số nhỏ hơn 10. Tuy nhiên, nếu được thiết kế đúng cách xung quanh một máy biến áp phù hợp, các mạch nhân áp có khả năng tạo ra điện áp đầu ra trong phạm vi từ vài trăm đến hàng chục nghìn vôn, tùy thuộc vào giá trị điện áp đầu vào ban đầu nhưng tất cả đều có dòng điện thấp trong phạm vi miliampe.
Sơ đồ Mạch Nhân đôi điện áp
Như tên gọi của nó, Mạch Nhân Áp Kép là một mạch nhân áp có hệ số nhân điện áp là hai. Mạch này bao gồm chỉ hai điôt, hai tụ điện và một điện áp AC dao động đầu vào (một dạng sóng PWM cũng có thể được sử dụng). Mạch bơm điôt-tụ điện đơn giản này cho một điện áp DC đầu ra bằng giá trị đỉnh-đỉnh của tín hiệu sin đầu vào. Nói cách khác, gấp đôi giá trị điện áp đỉnh vì các điôt và tụ điện hoạt động cùng nhau để hiệu quả nhân đôi điện áp.
Mạch trong hình minh họa một mạch nhân áp kép bán bước. Trong nửa chu kỳ âm của dạng sóng sin đầu vào, điôt D1 được làm dẫn thuận và dẫn, sạc tụ bơm C1 lên giá trị đỉnh của điện áp đầu vào, (Vp). Vì không có đường trở về cho tụ C1 để xả vào, nó vẫn giữ nguyên điện tích đầy đủ, hoạt động như một thiết bị lưu trữ nối tiếp với nguồn cấp điện áp. Đồng thời, điôt D2 dẫn qua D1 sạc tụ C2.
Trong nửa chu kỳ dương, điôt D1 bị nghịch bán, ngăn không cho tụ C1 xả điện trong khi điôt D2 được làm dẫn thuận, sạc tụ C2. Nhưng vì đã có điện áp trên tụ C1 bằng với điện áp đỉnh đầu vào, tụ C2 sẽ sạc lên gấp đôi giá trị điện áp đỉnh của tín hiệu đầu vào.
Nói cách khác, V(đỉnh dương) + V(đỉnh âm), vì vậy trong nửa chu kỳ âm, D1 sạc C1 lên Vp và trong nửa chu kỳ dương, D2 cộng thêm điện áp đỉnh AC vào Vp trên C1 và chuyển tất cả sang C2. Điện áp trên tụ C2 sẽ xả qua tải, sẵn sàng cho nửa chu kỳ tiếp theo.
Sau đó, điện áp trên tụ C2 có thể được tính như sau: Vout = 2Vp, (trừ đi sự sụt áp qua các điôt được sử dụng) trong đó Vp là giá trị đỉnh của điện áp đầu vào. Lưu ý rằng điện áp đầu ra gấp đôi này không phải là tức thì mà tăng dần trong mỗi chu kỳ đầu vào, cuối cùng sẽ đạt đến 2Vp.
Vì tụ C2 chỉ sạc trong một nửa chu kỳ của dạng sóng đầu vào, nên điện áp đầu ra xả vào tải có tần số gợn sóng bằng với tần số nguồn cấp, do đó có tên gọi là mạch nhân áp kép bán bước. Nhược điểm của điều này là rất khó để làm trơn tần số gợn sóng lớn này, tương tự như đối với một mạch chỉnh lưu bán bước. Ngoài ra, tụ C2 phải có định mức điện áp DC ít nhất gấp đôi giá trị điện áp đỉnh đầu vào.
Ưu điểm của “Mạch Nhân Áp” là nó cho phép tạo ra điện áp cao hơn từ một nguồn điện áp thấp mà không cần một máy biến áp điện áp cao đắt tiền vì mạch nhân áp kép làm cho việc sử dụng một máy biến áp có tỷ số nâng áp thấp hơn so với nếu sử dụng một nguồn cấp toàn bước thông thường. Tuy nhiên, mặc dù các mạch nhân áp có thể tăng điện áp, chúng chỉ có thể cung cấp dòng điện thấp cho tải có điện trở cao (> 100kΩ) vì điện áp đầu ra tạo ra nhanh chóng giảm khi dòng điện tải tăng.
Bằng cách đảo ngược hướng của các điôt và tụ điện trong mạch, chúng ta cũng có thể đảo ngược hướng của điện áp đầu ra, tạo ra một điện áp đầu ra âm. Ngoài ra, nếu chúng ta kết nối đầu ra của một mạch nhân áp vào đầu vào của một mạch khác (ghép nối), chúng ta có thể tiếp tục tăng điện áp DC đầu ra theo các bước nguyên, tạo ra các mạch nhân áp ba.
Mạch Nhân Áp Ba
Bằng cách thêm một giai đoạn điôt-tụ điện đơn lẻ vào mạch nhân áp kép bán bước ở trên, chúng ta có thể tạo ra một mạch nhân áp khác tăng điện áp đầu vào của nó lên một hệ số ba và tạo ra cái gọi là Mạch Nhân Áp Ba.
Một “mạch nhân áp ba” bao gồm một mạch nhân áp kép bán bước và một nửa. Mạch nhân áp này cho một đầu ra DC bằng ba lần giá trị điện áp đỉnh (3Vp) của tín hiệu sin đầu vào. Giống như mạch nhân áp kép trước đó, các điôt trong mạch nhân áp ba sẽ sạc và ngăn không cho các tụ điện xả tùy thuộc vào hướng của nửa chu kỳ đầu vào. Sau đó, 1Vp rơi trên C3 và 2Vp trên C2 và vì hai tụ điện nối tiếp, điều này dẫn đến tải nhìn thấy một điện áp tương đương 3Vp.
Lưu ý rằng điện áp đầu ra thực tế sẽ bằng ba lần điện áp đỉnh đầu vào trừ đi sụt áp qua các điôt được sử dụng, 3Vp – V(điôt).
Nếu một mạch nhân áp ba có thể được tạo ra bằng cách ghép nối một mạch nhân áp kép và một nửa, thì một Mạch Nhân Áp Bốn có thể được xây dựng bằng cách ghép nối hai mạch nhân áp kép đầy đủ như hình dưới đây.
Mạch Nhân 4 điện áp
Giai đoạn nhân áp đầu tiên nhân đôi điện áp đỉnh đầu vào và giai đoạn thứ hai nhân đôi nó một lần nữa, cho một đầu ra DC bằng bốn lần giá trị điện áp đỉnh (4Vp) của tín hiệu sin đầu vào. Ngoài ra, sử dụng các tụ điện có giá trị lớn sẽ giúp giảm điện áp gợn sóng.
Như vậy, chúng ta đã thấy rằng Mạch Nhân Áp là các mạch đơn giản được tạo thành từ điôt và tụ điện có thể tăng điện áp đầu vào lên hai, ba hoặc bốn lần và bằng cách ghép nối các giai đoạn nhân áp bán bước hoặc toàn bước riêng lẻ nối tiếp để áp dụng điện áp DC mong muốn cho một tải nhất định mà không cần máy biến áp nâng áp.
Các mạch nhân áp được phân loại là mạch nhân áp kép, ba, bốn, v.v., tùy thuộc vào tỷ lệ của điện áp đầu ra so với điện áp đầu vào. Lý thuyết, bất kỳ mức độ nhân điện áp mong muốn nào cũng có thể đạt được và một chuỗi ghép nối “N” mạch nhân áp kép, sẽ tạo ra một điện áp đầu ra 2N.Vp vôn.
Ví dụ, một mạch nhân áp 10 giai đoạn với điện áp đỉnh đầu vào 100 vôn sẽ cho một điện áp DC đầu ra khoảng 1.000 vôn hoặc 1kV, giả sử không có tổn thất, mà không cần sử dụng máy biến áp.
Tuy nhiên, các điôt và tụ điện được sử dụng trong tất cả các mạch nhân áp cần phải có định mức điện áp đỗ nghịch tối thiểu ít nhất gấp đôi điện áp đỉnh trên chúng vì các mạch nhân áp đa giai đoạn có thể tạo ra điện áp rất cao, vì vậy hãy cẩn thận. Ngoài ra, các mạch nhân áp thường cung cấp dòng điện thấp cho tải có điện trở cao vì điện áp đầu ra nhanh chóng giảm khi dòng điện tải tăng.
Các Mạch Nhân Áp được hiển thị ở trên đều được thiết kế để cho một điện áp DC đầu ra dương. Nhưng chúng cũng có thể được thiết kế để tạo ra điện áp đầu ra âm bằng cách đơn giản là đảo ngược cực tính của tất cả các điôt và tụ điện nhân áp để tạo ra một mạch nhân áp âm.