Bài 4 · Chuyên đề học tập

Chỉnh lưu dòng điện xoay chiều

Hiểu diode chỉ cho dòng đi một chiều, phân biệt chỉnh lưu nửa chu kì và chỉnh lưu hai nửa chu kì (cầu 4 diode), tìm diode đang dẫn, tính điện áp trung bình và ước lượng độ gợn khi mắc tụ lọc ΔU ≈ I/(f_r·C).

Ứng với SGK Vật lí 12 (bộ thống nhất): Chuyên đề 1 · Bài 4

⚡ Nhớ nhanh

1Chỉnh lưu là đổi dòng xoay chiều thành dòng chạy một chiều (còn nhấp nhô) bằng diode: dòng đi qua khi phân cực thuận, bị chặn khi phân cực ngược. Bài này coi diode lí tưởng.
2Nửa chu kì (1 diode nối tiếp tải): chỉ nửa chu kì dương có dòng; tần số điện áp ra f; U_tb = U₀/π ≈ 0,318 U₀.
3Cầu 4 diode: mỗi nửa chu kì có 2 diode chéo nhau dẫn (D₁, D₃ rồi D₂, D₄); u_ra = |u|, tần số 2f; U_tb = 2U₀/π ≈ 0,637 U₀, gấp đôi nửa chu kì.
4Tụ lọc mắc song song với tải: nạp tới đỉnh, xả chậm qua R. Độ gợn ước lượng ΔU ≈ I/(f_r·C) với I ≈ U₀/R, f_r là tần số u ra (f hoặc 2f). C càng lớn, gợn càng nhỏ.
5Bẫy: nhầm U₀ với giá trị hiệu dụng; dùng f thay f_r cho mạch cầu; nghĩ cả 4 diode cùng dẫn.

👀 Nhìn là hiểu

Chuyển giữa mạch nửa chu kì và cầu 4 diode, kéo tụ lọc C và chọn R: diode đang dẫn sáng xanh, đồ thị u vào / u ra chạy theo. Tab Thí nghiệm đo độ gợn theo C; tab Đoán trước có 4 tình huống.

U trung bình trên tải3,18 V

Độ gợn ΔU10,00 V

Tần số u ra (khi không tụ)50 Hz

Diode đang dẫn · i qua R0 · 0 mA

Nét đứt xanh: u vào · đường hồng: u ra trên tải.

Kéo thả tự do, xem số và đồ thị chạy theo.

Mạch:

Tụ lọc C: không tụ

Tải R:

Chỉ nửa chu kì dương có dòng (10 ms), nửa chu kì âm diode chặn: u ra là các "gò" cách nhau 20 ms, tần số 50 Hz. Điện áp trung bình ≈ 3,18 V (lí thuyết U₀/π = 3,18 V).

1 ➡️ Diode và chỉnh lưu nửa chu kì

Cần nhớ

✦Diode bán dẫn cho dòng đi qua theo một chiều: khi đầu anode có điện thế cao hơn catot (phân cực thuận) diode dẫn, ngược lại (phân cực ngược) diode chặn dòng.
✦Diode lí tưởng: thuận thì điện trở 0 (không sụt áp), ngược thì không có dòng. Diode silic thật sụt khoảng 0,7 V khi dẫn; đề cho sụt áp thì phải trừ đi.
✦Chỉnh lưu nửa chu kì: 1 diode mắc nối tiếp với tải R. Nửa chu kì dương: u_R = u. Nửa chu kì âm: diode chặn, u_R = 0. Mỗi chu kì có dòng trong T/2, tần số u_R bằng f.
✦Giá trị trung bình (diode lí tưởng): U_tb = U₀/π ≈ 0,318 U₀. Đỉnh dòng I₀ = U₀/R với U₀ là điện áp cực đại của nguồn.

Dạng bài

Đọc dạng sóng sau diode

1 Xác định chiều diode, từ đó biết nửa chu kì nào dẫn (nửa mà anode dương hơn catot).
2 Nửa chu kì dẫn: u_R = u. Nửa chu kì còn lại: u_R = 0. Đỉnh dòng I₀ = U₀/R (nếu đề cho giá trị hiệu dụng thì U₀ = U√2).
3 Chu kì của u_R vẫn là T = 1/f; thời gian có dòng trong mỗi chu kì là T/2.
4 Thử lại: U_tb = U₀/π nhỏ hơn U₀ rất nhiều (≈ 32 %) vì nửa chu kì bằng 0.

⚠️ Bẫy hay gặp: Tưởng điện áp ra có tần số 100 Hz. Mỗi chu kì chỉ có một gò (10 ms có dòng, 10 ms nghỉ) nên chu kì vẫn 20 ms, tần số vẫn 50 Hz.

➡️

Làm mẫu

Nguồn xoay chiều u = 10 sin(100πt) V mắc nối tiếp với một diode lí tưởng và điện trở R = 100 Ω. Tính thời gian có dòng trong mỗi chu kì, cường độ dòng cực đại qua R và điện áp trung bình trên R.

Hướng dẫn giải

Thử tự giải trước nhé!

2 ◇ Chỉnh lưu hai nửa chu kì (cầu 4 diode)

Cần nhớ

✦Cầu diode gồm 4 diode D₁ … D₄. Nguồn nối vào hai đầu A, B; tải nối vào hai đầu P (cực +) và Q (cực −).
✦Quy ước như sim: D₁ nối A → P, D₂ nối B → P, D₃ nối Q → B, D₄ nối Q → A.
✦Mỗi nửa chu kì có 2 diode chéo nhau dẫn, 2 diode còn lại ngắt. Dòng qua tải luôn đi từ P sang Q: cùng một chiều ở cả hai nửa chu kì.
✦u_R = |u|; tần số u_R là 2f (100 Hz khi nguồn 50 Hz); U_tb = 2U₀/π ≈ 0,637 U₀, gấp đôi chỉnh lưu nửa chu kì.

Diode nào dẫn trong cầu?

Nửa chu kì	Đầu cao hơn	Diode dẫn	Diode ngắt	Dòng qua R
Dương	A	D₁, D₃	D₂, D₄	P → Q
Âm	B	D₂, D₄	D₁, D₃	P → Q (vẫn cùng chiều)

Dạng bài

Tìm đường đi của dòng điện trong cầu

1 Xem đầu nào của nguồn đang dương hơn (A hay B) trong nửa chu kì đang xét.
2 Dòng đi từ đầu dương qua diode hướng tới P, qua tải từ P sang Q, rồi qua diode hướng từ Q về đầu âm của nguồn.
3 Hai diode trên đường đó dẫn; hai diode còn lại bị phân cực ngược.
4 Thử lại: dòng qua tải luôn từ P sang Q; không bao giờ cả 4 diode cùng dẫn, cũng không có nửa chu kì nào tải mất dòng.

⚠️ Bẫy hay gặp: Cho rằng cả 4 diode cùng dẫn, hoặc chỉ 1 diode dẫn mỗi nửa chu kì. Đúng là 2 diode chéo nhau dẫn, 2 diode kia ngắt; nếu cả 4 cùng dẫn thì nguồn bị nối tắt.

◇

Làm mẫu

Mạch cầu 4 diode lí tưởng, nguồn u = 10 sin(100πt) V, tải R = 100 Ω, chưa có tụ lọc. Tính tần số điện áp trên tải, điện áp trung bình và dòng trung bình qua R, và thời gian mỗi diode dẫn trong một chu kì.

Hướng dẫn giải

Thử tự giải trước nhé!

3 〰️ Tụ lọc: làm phẳng điện áp ra

Cần nhớ

✦Tụ lọc C mắc song song với tải. Khi |u| tăng tới đỉnh, tụ được nạp tới ≈ U₀. Khi |u| giảm xuống thấp hơn điện áp tụ, diode ngắt và tụ xả chậm qua R (hằng số thời gian RC).
✦Gần đỉnh sau, |u| vượt lại điện áp tụ: diode dẫn một đoạn ngắn để nạp lại. Điện áp ra chỉ dao động nhẹ quanh gần U₀.
✦Độ gợn ΔU = U_max − U_min. Khi RC lớn hơn nhiều chu kì: ΔU ≈ I/(f_r·C), với I ≈ U₀/R là dòng qua tải, f_r là tần số điện áp ra khi chưa có tụ (nửa chu kì: f_r = f; cầu: f_r = 2f).
✦C lớn, R lớn (tải nhẹ), f_r lớn ⇒ gợn nhỏ. Công thức là ước lượng, hơi lớn hơn thực tế (khoảng 10 – 20 %) vì tụ chỉ xả trong một phần chu kì và dòng giảm dần.

Dạng bài

Ước lượng độ gợn khi có tụ lọc

1 Xác định f_r: nửa chu kì lấy f_r = f, cầu lấy f_r = 2f.
2 Dòng qua tải I ≈ U₀/R. Đổi C ra farad (1000 µF = 10⁻³ F).
3 ΔU ≈ I/(f_r·C).
4 Thử lại: RC phải lớn hơn nhiều chu kì 1/f_r, và ΔU phải nhỏ hơn nhiều U₀.

⚠️ Bẫy hay gặp: Dùng f = 50 Hz thay cho f_r = 100 Hz của mạch cầu: ra ΔU = 2 V, gấp đôi. Mỗi lần nạp lại cách nhau T/2 = 10 ms, không phải 20 ms.

〰️

Làm mẫu

Mạch cầu 4 diode lí tưởng, nguồn U₀ = 10 V, 50 Hz, tải R = 100 Ω, tụ lọc C = 1000 µF. Ước lượng độ gợn của điện áp trên tải.

Hướng dẫn giải

Thử tự giải trước nhé!

4 🔬 Thí nghiệm độ gợn theo điện dung tụ lọc

Dạng bài

Các bước thí nghiệm

1 Dụng cụ: nguồn xoay chiều U₀ = 10 V, 50 Hz; cầu 4 diode; tụ lọc C thay đổi được; điện trở tải R = 500 Ω; dao động kí.
2 Mắc cầu, tải R và tụ C. Quan sát điện áp trên tải bằng dao động kí, đọc ΔU = U_max − U_min.
3 Đổi C (470, 1000, 2200, 4700, 10 000 µF), giữ nguyên R, ghi ΔU. Tính thêm 1/C và tích ΔU·C.
4 Vẽ ΔU theo 1/C: các điểm nằm gần đường thẳng qua gốc ⇒ ΔU tỉ lệ nghịch với C. Thử lại: ΔU·C gần như không đổi ✓.

⚠️ Bẫy hay gặp: Đổi cả R khi đổi C. ΔU phụ thuộc dòng I = U₀/R, nên R đổi thì ΔU đổi theo và không còn so sánh được. Trên sim, dòng ghi khi R = 100 Ω được tô vàng.

Một bảng số liệu mẫu (R = 500 Ω)

C (µF)	ΔU (mV)	1/C (mF⁻¹)	ΔU·C (mV·mF)
470	380	2,13	179
1000	185	1,00	185
2200	86	0,45	189
4700	41	0,21	193

Đọc bảng số liệu

✦Cột ΔU·C chênh nhau dưới 10 % ⇒ ΔU tỉ lệ nghịch với C, ΔU·C ≈ 185 mV·mF. Dự đoán: C = 3300 µF ⇒ ΔU ≈ 1853,3 ≈ 56 mV.
✦Ước lượng lí thuyết: ΔU·C = I/f_r = 10500100 = 0,2 V·mF = 200 mV·mF, hơi lớn hơn số đo (185): đúng như nhận xét "công thức là ước lượng dư".
✦C tăng gấp đôi thì ΔU giảm một nửa, nhưng tụ lớn thì cồng kềnh, đắt, và dòng nạp qua diode là các xung lớn.

5 🔌 Hiện tượng quanh ta

✦📱 Bộ nguồn, cục sạc kiểu cũ (nặng, có lõi sắt): máy biến áp hạ 220 V xuống vài vôn, cầu diode chỉnh lưu, tụ lọc làm phẳng, rồi mạch ổn áp cho ra 5 V một chiều. Cục sạc nhẹ ngày nay chỉnh lưu 220 V trước rồi mới hạ áp bằng biến áp tần số cao.
✦💻 Nguồn máy tính, tivi: có cầu chỉnh lưu và tụ lọc lớn; tụ "phồng" hỏng thì độ gợn tăng, máy khởi động chập chờn.
✦🚗 Ô tô: máy phát điện xoay chiều trong xe có bộ chỉnh lưu để nạp acquy 12 V một chiều.
✦💡 Đèn LED: LED cũng là một diode, chỉ sáng khi phân cực thuận; đèn LED gia dụng có mạch chỉnh lưu bên trong chân đèn.
✦🔊 Tiếng ù 100 Hz ở loa dùng nguồn kém chất lượng: do độ gợn của điện áp chỉnh lưu cầu có tần số 100 Hz.

6 💡 Mẹo làm nhanh và lỗi hay sai

⚡ Mẹo làm nhanh trắc nghiệm

✦Đếm diode: nửa chu kì 1 diode, cầu 4 diode nhưng mỗi lúc chỉ 2 diode dẫn.
✦Cầu so với nửa chu kì (cùng U₀, R, không tụ): U_tb gấp 2, tần số gấp 2, thời gian có dòng gấp 2.
✦Có tụ lọc: tụ lớn ⇒ gợn nhỏ, trung bình gần U₀; diode chỉ dẫn đoạn ngắn gần đỉnh.
✦ΔU ≈ I/(f_r·C): cùng C và R mà đổi nửa chu kì ↔ cầu thì ΔU đổi 2 lần.

⚠️ Lỗi hay sai nhất

✦Điện áp hiệu dụng 12 V thì đỉnh U₀ = 12√2 ≈ 17 V, không phải 12 V: dòng cực đại qua 24 Ω là 0,71 A chứ không phải 0,5 A.
✦Tần số điện áp ra sau chỉnh lưu nửa chu kì là 50 Hz, sau cầu là 100 Hz (không phải ngược lại).
✦Lấy U_tb = U₀ cho mạch chưa có tụ: cầu U₀ = 10 V cho trung bình 6,37 V, nửa chu kì 3,18 V.
✦Dùng f = 50 Hz cho mạch cầu khi ước lượng ΔU: ra 2 V thay vì 1 V.
✦Quên đổi µF ra F: 1000 µF = 10⁻³ F, không phải 1000 F.
✦Cho rằng cả 4 diode của cầu dẫn cùng lúc, hoặc diode dẫn suốt nửa chu kì khi có tụ lọc lớn.

📏 Kiểm tra đơn vị và độ lớn

✦Điện áp trung bình sau chỉnh lưu luôn nhỏ hơn U₀ khi chưa có tụ: nửa chu kì ≈ 0,32 U₀, cầu ≈ 0,64 U₀. Có tụ lọc thì tiến sát U₀.
✦Độ gợn phải nhỏ hơn U₀ (ΔU < U₀). Nếu ΔU ≥ U₀ thì RC quá nhỏ, công thức ước lượng không dùng được.
✦Đổi nhanh: 1 µF = 10⁻⁶ F; 1 mF = 10⁻³ F; 1000 µF = 1 mF; ΔU = I/(f_r·C) ra V khi I (A), f_r (Hz), C (F).
✦Dòng đỉnh qua R là U₀/R; dòng trung bình luôn nhỏ hơn dòng đỉnh.

✏️ Luyện tập

Làm xong mỗi nhóm bấm Kiểm tra. Câu sai có lời giải ngắn và nút quay lại phần kiến thức.

➡️

Diode và chỉnh lưu nửa chu kì

1
Nhận biết
Diode bán dẫn lí tưởng cho dòng điện đi qua khi
2
Nhận biết
Mạch chỉnh lưu nửa chu kì gồm
3
Thông hiểu
Đặt điện áp u = 12 sin(100πt) V vào hai đầu đoạn mạch gồm diode lí tưởng nối tiếp với R = 60 Ω. Cường độ dòng điện cực đại qua R là
4
Thông hiểu Trong mạch ở câu trên, trong mỗi chu kì dòng điện chạy qua R trong thời gian ms.
5
Vận dụng
Nguồn xoay chiều có điện áp hiệu dụng 12 V, tần số 50 Hz nối với diode lí tưởng và R = 24 Ω. Cường độ dòng điện cực đại qua R (làm tròn) là

◇

Cầu 4 diode

1
Nhận biết
Mạch cầu chỉnh lưu hai nửa chu kì có số diode là
2
Thông hiểu
Cầu diode có D₁ nối A → P, D₂ nối B → P, D₃ nối Q → B, D₄ nối Q → A (P là đầu ra dương, Q là đầu ra âm). Ở nửa chu kì mà A cao hơn B, các diode đang dẫn là
3
Thông hiểu
Nguồn xoay chiều 50 Hz đưa vào cầu chỉnh lưu (chưa có tụ lọc). Điện áp trên tải có tần số
4
Thông hiểu Cầu chỉnh lưu (chưa có tụ), nguồn có điện áp cực đại U₀ = 10 V. Điện áp trung bình trên tải là V (làm tròn đến 0,1).
5
Vận dụng
So với mạch chỉnh lưu nửa chu kì (cùng nguồn, cùng tải, chưa có tụ), mạch cầu cho điện áp trên tải có

〰️

Tụ lọc và độ gợn

1
Nhận biết
Tụ lọc trong mạch chỉnh lưu dùng để
2
Thông hiểu
Tụ lọc của mạch chỉnh lưu được mắc
3
Thông hiểu Cầu chỉnh lưu, nguồn U₀ = 20 V, 50 Hz, R = 200 Ω, tụ lọc C = 500 µF. Dùng công thức ước lượng ΔU ≈ I/(f_r·C) với I ≈ U₀/R, độ gợn là V.
4
Vận dụng
Mạch chỉnh lưu nửa chu kì, nguồn U₀ = 10 V, 50 Hz, R = 100 Ω, C = 1000 µF. Độ gợn ước lượng bằng công thức ΔU ≈ I/(f_r·C) là
5
Vận dụng Cầu chỉnh lưu, U₀ = 10 V, 50 Hz, R = 100 Ω. Muốn độ gợn ước lượng không vượt quá 0,25 V thì điện dung tối thiểu của tụ lọc là µF.
6
Thông hiểu
Mắc thêm tụ lọc lớn vào mạch chỉnh lưu cầu, so với khi chưa có tụ thì điện áp trung bình trên tải

🔬

Thí nghiệm và số liệu

1
Thông hiểu
Đo độ gợn của mạch cầu chỉnh lưu có tụ lọc (R = 500 Ω không đổi): $C (μ F) Δ U (mV) 4703801000185220086470041$ Nhận xét nào đúng?
2
Thông hiểu Theo bảng số liệu ở câu trên, với tụ C = 3300 µF thì độ gợn khoảng mV (làm tròn đến hàng đơn vị).
3
Thông hiểu
Trong thí nghiệm trên, giữ C = 1000 µF nhưng đổi tải từ R = 500 Ω xuống R = 100 Ω thì độ gợn
4
Vận dụng Cho tích ΔU·C ≈ 185 mV·mF (không đổi) của mạch trong thí nghiệm trên. Muốn độ gợn chỉ còn 20 mV thì cần tụ C ≈ µF.

🔌

Hiện tượng quanh ta

1
Thông hiểu
Một bộ nguồn đơn giản dùng máy biến áp lõi sắt đổi 220 V xoay chiều thành 5 V một chiều. Thứ tự các khối chính là

🏆 Luyện theo dạng đề tốt nghiệp

Đề Vật lí có 3 phần: 18 câu 4 lựa chọn, 4 câu đúng/sai (mỗi câu 4 ý) và 6 câu trả lời ngắn (đáp số tối đa 4 ký tự, kể cả dấu − và dấu phẩy). Dưới đây là đủ 3 dạng, chỉ dùng kiến thức của bài này.

🅰️

Kiểm tra · Trắc nghiệm

1
Thông hiểu
Mạch cầu chỉnh lưu, nguồn có điện áp cực đại U₀ = 20 V, tải R = 40 Ω, chưa có tụ lọc. Dòng điện trung bình qua R xấp xỉ
2
Thông hiểu
Tăng điện dung của tụ lọc (giữ nguyên mạch, R và tần số), điện áp trên tải sẽ
3
Thông hiểu
Mạch cầu chỉnh lưu có tụ lọc điện dung lớn. Trong mỗi nửa chu kì, mỗi diode dẫn

✅

Kiểm tra · Đúng / sai

1
Thông hiểu
Mạch cầu 4 diode lí tưởng, nguồn xoay chiều U₀ = 10 V, 50 Hz, tải R = 100 Ω, chưa có tụ lọc.

a)Trong nửa chu kì dương (đầu A cao hơn B), hai diode D₁ và D₃ dẫn.

b)Dòng điện qua R luôn chạy theo cùng một chiều.

c)Tần số của điện áp trên R là 50 Hz.

d)Cường độ dòng điện trung bình qua R là 100 mA.
2
Vận dụng
Mạch cầu 4 diode lí tưởng, nguồn U₀ = 10 V, 50 Hz, R = 100 Ω, tụ lọc C = 1000 µF (RC lớn hơn nhiều chu kì 10 ms).

a)Điện áp trên tải luôn lớn hơn 0 (không về 0 như khi không có tụ).

b)Độ gợn ước lượng khoảng 1 V.

c)Nếu thay C bằng 2000 µF thì độ gợn tăng gấp đôi.

d)Nếu bỏ bớt hai diode để thành mạch nửa chu kì (giữ nguyên C và R) thì độ gợn giảm một nửa.

🔢

Kiểm tra · Trả lời ngắn

1
Thông hiểu Mạch cầu chỉnh lưu chưa có tụ, nguồn có điện áp cực đại U₀ = 12 V. Điện áp trung bình trên tải là bao nhiêu vôn (làm tròn đến 0,1)? Đáp số:
2
Vận dụng Mạch chỉnh lưu nửa chu kì, U₀ = 10 V, 50 Hz, R = 50 Ω, tụ lọc C = 2000 µF. Độ gợn ước lượng ΔU ≈ I/(f_r·C) với I ≈ U₀/R là bao nhiêu vôn? Đáp số:
3
Vận dụng Mạch cầu chỉnh lưu, U₀ = 12 V, 50 Hz, R = 60 Ω. Muốn độ gợn ước lượng không quá 0,4 V thì tụ lọc tối thiểu bao nhiêu µF? Đáp số:

🎯 Bài này vào đề tốt nghiệp ở đâu?

•Chuyên đề không có trong đề thi tốt nghiệp; nội dung này dùng cho kiểm tra trên lớp và đánh giá chuyên đề.
•Hay hỏi nhận biết mạch chỉnh lưu nửa chu kì và cầu 4 diode, diode nào dẫn trong từng nửa chu kì, dạng điện áp ra và tần số của nó.
•Hay hỏi tính điện áp, dòng điện cực đại hoặc trung bình trên tải; chú ý đề cho giá trị hiệu dụng hay cực đại.
•Có thể hỏi vai trò tụ lọc và ước lượng độ gợn ΔU ≈ I/(f_r·C), hoặc đọc số liệu thí nghiệm độ gợn theo điện dung.

Làm đề thi thử trọn bộ

Bài tiếp theo
Tia X