Tổng Quan Về Mạch Lọc

Mạch lọc

Mạch Lọc – Sơ Đồ Khối

Chúng ta đã học trong các mạch chỉnh lưu về cách chuyển đổi điện áp xoay chiều hình sin thành một chiều xung tương ứng. Ngoài thành phần dc, điện áp dc dao động này sẽ có các thành phần xoay chiều không mong muốn như các thành phần tần số cung cấp cùng với các sóng hài của nó (gọi chung là gợn sóng). Những gợn sóng này sẽ là mức cao nhất đối với bộ chỉnh lưu nửa sóng một pha và sẽ giảm hơn nữa đối với bộ chỉnh lưu toàn sóng một pha . Độ gợn sóng sẽ ở mức tối thiểu đối với mạch chỉnh lưu 3 pha . Nguồn cung cấp như vậy không hữu ích cho việc điều khiển các mạch điện tử phức tạp. Đối với hầu hết các mục đích cung cấp, cần có điện áp một chiều không đổi so với đầu ra xung của bộ chỉnh lưu. Đối với hầu hết các ứng dụng, nguồn cung cấp từ bộ chỉnh lưu sẽ làm cho hoạt động của mạch kém. Nếu đầu ra của bộ chỉnh lưu được làm mịn và ổn định rồi truyền vào dưới dạng điện áp cung cấp thì hoạt động tổng thể của mạch sẽ trở nên tốt hơn. Do đó, đầu ra của bộ chỉnh lưu phải được truyền qua mạch lọc để lọc các thành phần xoay chiều.

Bộ lọc là thiết bị cho phép truyền thành phần dc của tải và chặn thành phần ac của đầu ra bộ chỉnh lưu. Như vậy đầu ra của mạch lọc sẽ là điện áp một chiều ổn định.

Mạch lọc có thể được xây dựng bằng sự kết hợp của các thành phần như tụ điện, điện trở và cuộn cảm. Cuộn cảm được sử dụng vì đặc tính của nó là nó chỉ cho phép các thành phần dc đi qua và chặn tín hiệu ac. Tụ điện được sử dụng để chặn dòng điện một chiều và cho dòng điện xoay chiều đi qua. Tất cả sự kết hợp và hoạt động của chúng được giải thích chi tiết dưới đây.

Bộ lọc cuộn cảm dòng

Sơ đồ mạch của bộ chỉnh lưu toàn sóng với bộ lọc cuộn cảm nối tiếp được đưa ra dưới đây.

Bộ lọc cuộn cảm dòng

Đúng như tên gọi của mạch lọc, cuộn cảm L được mắc nối tiếp giữa mạch chỉnh lưu và tải. Cuộn cảm có đặc tính chống lại sự thay đổi của dòng điện chạy qua nó.

Nói cách khác, cuộn cảm có trở kháng cao đối với các gợn sóng và không có trở kháng đối với các thành phần dc mong muốn. Do đó các thành phần gợn sóng sẽ bị loại bỏ. Khi dòng điện đầu ra của bộ chỉnh lưu tăng lên trên một giá trị nhất định, năng lượng được lưu trữ trong nó dưới dạng từ trường và năng lượng này sẽ bị mất đi khi dòng điện đầu ra giảm xuống dưới giá trị trung bình. Do đó, tất cả những thay đổi đột ngột về dòng điện xảy ra trong mạch sẽ được làm dịu đi bằng cách đặt cuộn cảm nối tiếp giữa bộ chỉnh lưu và tải.

Dạng sóng dưới đây cho thấy việc sử dụng cuộn cảm trong mạch.

Từ mạch điện, đối với điện áp một chiều tần số bằng 0, điện trở cuộn cảm Ri mắc nối tiếp với điện trở tải RL tạo thành mạch phân áp, và do đó điện áp một chiều trên tải là

Vdc = RL/(Ri + RL)

Vdc là đầu ra của bộ chỉnh lưu toàn sóng. Trong trường hợp này, giá trị của Ri nhỏ không đáng kể khi so sánh với RL.

Ảnh hưởng của điện áp hài cao hơn có thể dễ dàng bị bỏ qua vì việc lọc các thành phần hài cao hơn diễn ra tốt hơn. Điều này là do thực tế là khi tần số tăng thì điện kháng của cuộn cảm cũng tăng. Cần lưu ý rằng việc giảm giá trị điện trở tải hoặc tăng giá trị dòng điện tải sẽ làm giảm lượng gợn sóng trong mạch. Vì vậy, bộ lọc cuộn cảm nối tiếp chủ yếu được sử dụng trong trường hợp dòng tải cao hoặc điện trở tải nhỏ. Bộ lọc cảm ứng nối tiếp đơn giản có thể không được sử dụng đúng cách. Sẽ tốt hơn nếu sử dụng tụ điện shunt (C) với cuộn cảm nối tiếp (L) để tạo thành Bộ lọc LC.

Bộ lọc tụ điện Shunt

Đúng như tên gọi, một tụ điện được sử dụng làm bộ lọc và tụ điện có giá trị cao này được nối song song hoặc đặt ngang qua trở kháng tải. Tụ điện này khi được đặt trên bộ chỉnh lưu sẽ được tích điện và lưu trữ năng lượng tích điện trong suốt thời gian dẫn điện. Khi bộ chỉnh lưu không dẫn điện, năng lượng được tích điện bởi tụ điện sẽ được đưa trở lại tải. Thông qua quá trình lưu trữ và phân phối năng lượng này, khoảng thời gian mà dòng điện chạy qua điện trở tải tăng lên và độ gợn sóng giảm đi rất nhiều. Do đó, đối với thành phần gợn sóng có tần số 'f' megahertz, tụ điện 'C' sẽ có trở kháng rất thấp. Giá trị của trở kháng này có thể được viết là:

Trở kháng của tụ điện Shunt = 1/2 fC

Do đó, các thành phần dc của tín hiệu đầu vào cùng với một số thành phần gợn sóng dư chỉ được phép đi qua điện trở tải RLoad. Lượng thành phần gợn sóng lớn của dòng điện được truyền qua tụ điện C.

Bây giờ chúng ta hãy xem xét hoạt động của bộ chỉnh lưu nửa sóng và bộ chỉnh lưu toàn sóng với bộ lọc Tụ điện, dạng sóng được lọc đầu ra của chúng, hệ số gợn sóng, ưu điểm và nhược điểm một cách chi tiết.

2.1 Bộ chỉnh lưu nửa sóng với bộ lọc tụ điện

Bộ chỉnh lưu nửa sóng với bộ lọc tụ điện

Sơ đồ mạch trên cho thấy bộ chỉnh lưu nửa sóng với bộ lọc tụ điện. Bộ lọc được áp dụng trên tải RLoad. Đầu ra của RLoad là VLoad, dòng điện chạy qua nó là ILoad. Cường độ dòng điện qua tụ là Ic.

Trong nửa chu kỳ dương của điện áp xoay chiều đầu vào, diode D sẽ được phân cực thuận và do đó bắt đầu dẫn điện. Trong khoảng thời gian này, tụ điện 'C' bắt đầu sạc đến giá trị cực đại của điện áp nguồn Vsm. Khi tụ điện được sạc đầy, nó sẽ giữ điện tích cho đến khi nguồn điện xoay chiều đầu vào cho bộ chỉnh lưu đạt đến nửa chu kỳ âm. Ngay khi đạt đến một nửa nguồn âm, diode sẽ bị phân cực ngược và do đó ngừng dẫn điện. Trong thời gian không dẫn điện, tụ điện 'C' phóng điện tất cả các điện tích được lưu trữ thông qua điện trở tải đầu ra RLoad. Vì điện áp trên RLoad và điện áp trên tụ 'C' bằng nhau (VLoad = Vc), nên chúng giảm theo cấp số nhân với hằng số thời gian (C*RLoad) dọc theo đường cong của chu kỳ không dẫn điện. Điều này được thể hiện trong biểu đồ dưới đây.

Bộ chỉnh lưu nửa sóng có bộ lọc tụ điện – Dạng sóng

Giá trị của hằng số thời gian phóng điện (C*RLoad) rất lớn, tụ điện 'C' sẽ không có đủ thời gian để phóng điện đúng cách. Ngay khi tụ điện bắt đầu phóng điện, thời gian sẽ kết thúc. Do đó, giá trị của RLoad tại thời điểm phóng điện cũng sẽ cao và có giá trị thấp hơn một chút so với giá trị đầu ra của RLoad. Đây là khi nửa chu kỳ dương lặp lại một lần nữa và diode bắt đầu dẫn điện. Điều kiện cần quan tâm ở giai đoạn này là điện áp chỉnh lưu có giá trị lớn hơn điện áp tụ. Khi điều kiện này xảy ra, tụ điện bắt đầu sạc đến giá trị Vsm. Điều kiện lại thay đổi khi nửa chu kỳ âm bắt đầu hoạt động và toàn bộ chu kỳ lại được lặp lại để tạo thành dạng sóng đầu ra như minh họa ở trên. Đầu ra cho thấy điện áp một chiều gần như không đổi ở tải và điện áp đầu ra tăng lên đáng kể.

Như vậy, nói tóm lại:

• Nếu giá trị điện trở tải lớn thì hằng số thời gian phóng điện sẽ có giá trị cao và do đó thời gian phóng điện của tụ điện sẽ sớm hết. Điều này làm giảm lượng gợn sóng ở đầu ra và tăng điện áp đầu ra. Nếu điện trở tải nhỏ, hằng số thời gian phóng điện sẽ nhỏ hơn và gợn sóng sẽ nhiều hơn khi điện áp đầu ra giảm.
• Giá trị của tụ điện được sử dụng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định độ gợn sóng đầu ra và mức dc trung bình. Nếu giá trị tụ điện cao thì lượng điện tích mà nó có thể tích trữ sẽ cao và lượng điện tích mà nó phóng ra sẽ ít hơn. Do đó các gợn sóng sẽ ít hơn và mức dc trung bình sẽ cao. Tuy nhiên, có một giới hạn về mức độ điện dung có thể tăng lên. Nếu giá trị tụ điện tăng lên một giá trị rất cao thì lượng dòng điện cần thiết để sạc tụ điện đến một điện áp nhất định sẽ cao. Giá trị dòng điện này phụ thuộc vào nhà sản xuất diode và chắc chắn sẽ bị giới hạn ở một giá trị nhất định. Như vậy, có một giới hạn trong việc tăng giá trị tụ điện trong mạch lọc tụ điện song song chỉnh lưu nửa sóng.
• Điều chỉnh điện áp kém.

Yếu tố gợn sóng

Giá trị rms phụ thuộc vào giá trị cực đại của cường độ nạp và xả, Vpeak.

Vac rms = Vpeak/2

Vpeak = Idc/fC

Hệ số gợn sóng = Vac rms/Vdc = (Vpeak/2 ) * (1/Idc.RLoad)

                           = Idc/(2 .Idc.RLoad.fC) = 1/(2 fCRLoad)

2.2 Bộ chỉnh lưu toàn sóng với bộ lọc tụ điện Shunt

Sơ đồ mạch của bộ lọc tụ điện chỉnh lưu toàn sóng được trình bày dưới đây.

Bộ chỉnh lưu toàn sóng với bộ lọc tụ điện

Tụ lọc C được đặt ngang qua điện trở tải RLoad. Toàn bộ hoạt động khá giống với bộ chỉnh lưu nửa sóng với tụ điện shunt đã giải thích ở trên. Sự khác biệt duy nhất là hai xung dòng điện sẽ sạc tụ điện trong các nửa chu kỳ dương (D1) và âm (D2) xen kẽ. Tương tự, tụ điện C phóng điện hai lần qua RLoad trong một chu kỳ đầy đủ. Điều này được thể hiện trong dạng sóng bên dưới.

Bộ chỉnh lưu toàn sóng với bộ lọc tụ điện – Dạng sóng

Dòng tải giảm một lượng nhỏ hơn trước khi nhận được xung tiếp theo vì có 2 xung dòng điện trong mỗi chu kỳ. Điều này giúp giảm đáng kể độ gợn sóng và tăng thêm dòng điện tải một chiều trung bình.

Bộ lọc LC

Trong mạch lọc tụ điện shunt đơn giản đã giải thích ở trên, chúng ta đã kết luận rằng tụ điện sẽ làm giảm điện áp gợn sóng nhưng lại làm cho dòng điện điốt tăng lên. Dòng điện lớn này có thể làm hỏng điốt và sẽ gây ra vấn đề nóng hơn và làm giảm hiệu suất của bộ lọc . Mặt khác, một cuộn cảm nối tiếp đơn giản làm giảm cả giá trị đỉnh và giá trị hiệu dụng của dòng điện đầu ra và điện áp đầu ra. Sau đó, nếu chúng ta kết hợp cả bộ lọc (L và C), một bộ lọc mới gọi là bộ lọc LC có thể được thiết kế sẽ có hiệu suất tốt, với dòng đi-ốt hạn chế và hệ số loại bỏ gợn sóng đủ. Hoạt động ổn định điện áp của tụ điện shunt và dòng điện hoạt động làm mịn của bộ lọc cuộn cảm nối tiếp có thể được kết hợp để tạo thành một mạch lọc thực tế hoàn hảo.

Bộ lọc LC có thể có hai loại: Bộ lọc phần L đầu vào cuộn cảm và bộ lọc đầu vào tụ điện LC

Bộ lọc phần L đầu vào cuộn cảm

Bộ lọc cuộn cảm làm tăng hệ số gợn sóng khi dòng tải R tăng. Bộ lọc tụ điện có hệ số gợn tỷ lệ nghịch với điện trở tải. Về mặt kinh tế, cả bộ lọc cuộn cảm và bộ lọc tụ điện đều không phù hợp cho mục đích sử dụng cao cấp.

Đầu vào cuộn cảm LC hoặc bộ lọc tiết diện L bao gồm một cuộn cảm 'L' được mắc nối tiếp với bộ chỉnh lưu một nửa hoặc toàn sóng và một tụ điện 'C' trên tải. Sự sắp xếp này còn được gọi là bộ lọc đầu vào cuộn cảm hoặc bộ lọc tiết diện chữ L vì hình dạng của nó giống và hình chữ L ngược. Để tăng hiệu quả làm mịn bằng mạch lọc, chỉ một mạch LC sẽ không đủ. Một số bộ lọc tiết diện chữ L sẽ được bố trí để có được đầu ra được lọc mượt mà. Sơ đồ mạch và dạng sóng được làm mịn của đầu ra bộ chỉnh lưu toàn sóng được hiển thị bên dưới.

                         Bộ lọc LC Đầu vào cuộn cảm Bộ lọc tiết diện L

Như thể hiện trong sơ đồ mạch trên, cuộn cảm L cho phép dòng điện một chiều đi qua nhưng hạn chế dòng điện xoay chiều vì điện trở dc của nó rất nhỏ và trở kháng ac lớn. Sau khi tín hiệu đi qua cuộn cảm, nếu còn lại bất kỳ dao động nào của dòng điện, nó sẽ bị bỏ qua hoàn toàn trước khi đến tải bởi tụ điện shunt vì giá trị của Xc nhỏ hơn nhiều so với Rload. Số lượng gợn sóng có thể giảm xuống rất nhiều bằng cách làm cho giá trị của XL lớn hơn Xc ở tần số gợn sóng.

Yếu tố gợn sóng

Hệ số gợn sóng = Vac rms/Vdc = (√2/3)(Xc/XL) = (√2/3)(1/[2wc])(1/[2wL]) = 1/(6√2w 2 ^LC )

Mặc dù bộ lọc LC có tất cả những ưu điểm này nhưng hiện nay nó đã trở nên khá lỗi thời do kích thước khổng lồ của cuộn cảm và chi phí sản xuất. Ngày nay, bộ điều chỉnh điện áp IC được sử dụng phổ biến hơn cùng với các bộ lọc hoạt động, giúp giảm gợn sóng và giữ cho điện áp một chiều đầu ra không đổi.

Sơ đồ của bộ lọc và dạng sóng đầu vào Tụ LC được hiển thị bên dưới.

Π – Bộ lọc hoặc Bộ lọc đầu vào điện dung

Tên pi – Bộ lọc ngụ ý sự giống nhau của mạch điện có hình Π với hai điện dung shunt (C1 và C2) và bộ lọc điện cảm 'L'. Vì đầu ra của bộ chỉnh lưu được cung cấp trực tiếp vào tụ điện nên nó còn được gọi là bộ lọc đầu vào của tụ điện.

Đầu ra từ bộ chỉnh lưu trước tiên được cấp cho tụ điện shunt C. Bộ chỉnh lưu được sử dụng có thể là một nửa hoặc toàn sóng và các tụ điện thường là điện phân mặc dù chúng có kích thước lớn. Trong các ứng dụng thực tế, hai điện dung được đặt trong một hộp kim loại đóng vai trò là điểm nối đất chung cho hai tụ điện. Sơ đồ mạch và dạng sóng được đưa ra dưới đây.

                                Bộ lọc đầu vào tụ điện LC

Khi so sánh với các loại bộ lọc khác, Bộ lọc Π – có một số ưu điểm như điện áp dc cao hơn và hệ số gợn sóng nhỏ hơn. Nhưng nó cũng có một số nhược điểm như điều chỉnh điện áp kém, dòng diode cực đại cao và điện áp nghịch đảo cực đại cao.

Bộ lọc này được chia thành hai - bộ lọc tụ điện và bộ lọc tiết diện chữ L. Tụ C1 thực hiện hầu hết quá trình lọc trong mạch và phần gợn sóng còn lại được loại bỏ bởi bộ lọc tiết diện L (L-C2). C1 được chọn để cung cấp điện trở rất thấp đối với tần số gợn sóng. Mạch này điều chỉnh điện áp kém vì điện áp đầu ra giảm nhanh khi dòng tải tăng.

Yếu tố gợn sóng

Hệ số gợn sóng = √2/(8w ³ C1C2LRload)

Bộ lọc RC

Chúng ta đã thảo luận về những hạn chế của việc sử dụng bộ lọc pi. Nguyên nhân chính của tất cả những hạn chế này là việc sử dụng cuộn cảm trong mạch lọc. Nếu chúng ta sử dụng điện trở nối tiếp thay vì cuộn cảm làm bộ lọc thì những nhược điểm này có thể khắc phục được. Do đó mạch được đặt tên là bộ lọc RC. Trong mạch này, các gợn sóng phải được tạo ra để đi qua điện trở R thay vì điện trở tải RL. Để làm điều này, giá trị của RL được giữ lớn hơn nhiều so với giá trị điện kháng của tụ C2 (XC2). Điều này có nghĩa là mỗi phần làm giảm gợn sóng ít nhất là 10.

                                                   Bộ lọc RC

Mặc dù mạch vô hiệu hóa một số nhược điểm nhất định của bộ lọc pi, nhưng bản thân mạch cũng có một số vấn đề. Bộ lọc có khả năng điều chỉnh điện áp rất kém. Có sự sụt giảm điện áp lớn trên điện trở R. Mạch cũng sinh ra rất nhiều nhiệt và lượng nhiệt này phải được tiêu tán thông qua hệ thống thông gió đầy đủ và đầy đủ. Vì vậy, bộ lọc chỉ phù hợp với mạch có dòng tải nhỏ hoặc mạch điện trở tải lớn.