Giải chi tiết chuyên đề Vật lí 12 CTST bài 3: Chỉnh lưu dòng điện xoay chiều

KHỞI ĐỘNG

Trong cuộc sống, bên cạnh các thiết bị điện sử dụng dòng điện xoay chiều như quạt điện, nồi cơm điện, bóng đèn,… còn có các thiết bị điện sử dụng dòng điện một chiều như điện thoại, xe đạp điện, xe máy điện, ô tô điện (Hình 3.1a)…Tuy nhiên, khi sạc pin cho điện thoại (Hình3.1b) ta vẫn cắm điện thoại vào ổ điện xoay chiều thông qua bộ sạc pin. Làm thế nào có thể chuyển dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều?

Bài làm chi tiết:

Ta lấy hình ảnh cấu tạo bên trong cục sạc iphone:

Trong hình ảnh trên ta thấy có diode bán dẫn. Diode bán dẫn là một loại linh kiện bán dẫn chỉ cho phép dòng điện đi qua nó theo một chiều nhất định. Chính hệ thống này trong bộ sạc sẽ chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Và có thêm tụ điện lọc trong bộ sạc sẽ giúp dòng điện có điện áp ổn định và phù hợp với nhu cầu sạc pin điện thoại.

1. THÍ NGHIỆM VỀ SỰ DẪN ĐIỆN CỦA DIODE BÁN DẪN

Thảo luận 1:Tiến hành thí nghiệm theo các bước gợi ý, từ đó thu thập và ghi nhận số liệu vào vở theo mẫu Bảng 3.1, Bảng 3.2.

Bài làm chi tiết:

Bảng số liệu như sau:

Thảo luận 2:Từ đồ thị, nhận xét về tính dẫn điện của diode khi phân cực thuận và phân cực ngược.

Bài làm chi tiết:

Nhận xét: 

Tính dẫn điện của diode khi phân cực thuận: ta thấy điệp áp tăng dần thì cường độ dòng điện cũng tăng lên.

Tính dẫn điện của diode khi phân cực ngược: ta thấy điện áp giảm dần thì cường độ dòng điện vẫn bằng 0.

Từ đó cho thấy tính dẫn điện của diode khi phân cực thuận tốt hơn phân cực ngược.

Luyện tập: Quan sát các Hình 3.4 và 3.5, nhận xét và giải thích về cách mắc ampe kế A trong mạch điện.

Bài làm chi tiết:

Hình 3.4, ampe kế được mắc nối tiếp với nguồn điện để đo dòng điện toả ra từ nguồn còn Hình 3.5 là ampe kế mắc nối tiếp với điện trở để đo dòng điện qua điện trở.

2. CHỈNH LƯU DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU.

Thảo luận 3: Dựa vào tính dẫn điện một chiều của diode bán dẫn, giải thích kết quả của đồ thị điện áp ra trong Hình 3.8b.

Bài làm chi tiết:

Trong nửa chu kì đầu tiên ( thời gian từ 0 đến ) điện áp  U_AK dương, diode phân cực thuận nên cho dòng điện chạy qua điện trở R. Khi đó điện áp ra U_r bằng điện áp vào: U_r = U_R = U_v.

Trong nửa chu kì sau thì điện áp U_AK âm, diode phân cực ngược, không có dòng điện qua điện trở R nên điện áp ra bằng 0.

Thảo luận 4: Dựa vào tính dẫn điện một chiều của diode bán dẫn, hãy mô tả chiều dòng điện chạy qua điện trở R trong mỗi nửa chu kì.

Bài làm chi tiết:

- Diode bán dẫn chỉ cho phép dòng điện chạy qua theo một chiều, từ cực dương (anode) sang cực âm (cathode).

- Do tính dẫn điện một chiều, diode sẽ chặn dòng điện trong một nửa chu kỳ và cho phép dòng điện đi qua trong nửa chu kỳ còn lại.

- Trong hai nửa chu kì , dòng điện qua điện trở R chỉ chạy theo cùng một chiều xác định.

- Giả sử trong nửa chu kì đầu của điện áp vào, A là cực dương, B là cực âm, diode Đ₁ và Đ₃ phân cực thuận, dòng điện từ A đi qua Đ₁, qua điện trở R, qua Đ₃ và về B. Trong nửa chu kì tiếp theo, cực B dương, cực A âm, diode Đ₂ và Đ₄ phân cực thuận, dòng điện từ B đi qua Đ₂, qua R, qua Đ₄ về A.

Luyện tập:Từ Hình 3.11, giải thích tại sao tần số của điện áp sau chỉnh lưu lớn gấp đôi tần số điện áp trước chỉnh lưu.

Bài làm chi tiết:

- Mạch chỉnh lưu biển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều bằng cách cắt bớt một phần hoặc toàn bộ nửa chu kì âm của điện áp AC.

- Điện áp AC có hình dạng sóng sin, chu kì lặp lại hai lần trong một s (chu kì dương và chu kì âm).

- Điện áp sau chỉnh lưu chỉ giữ lại phần chu kì dương của điện áp AC, do đó chu kì của nó lặp lại một lần trong một s.

- Do chu kì của điện áp sau chỉnh lưu bằng một nửa chu kì của điện áp AC nên tần số của nó lớn gấp đôi tần số điện áp AC.

Thảo luận 5: So sánh đồ thị điện áp ra trong chỉnh lưu nửa chu kì (Hình3.8b) và đồ thị điện áp ra trong chỉnh lưu cả chu kì (Hình 3.11b) về: chu kì và biên độ.

Bài làm chi tiết:

Chu kì:

- Chỉnh lưu nửa chu kì:  bằng chu kì điện áp vào

- Chỉnh lưu cả chu kì: bằng nửa chu kì điện áp vào.

Biên độ:

- Chỉnh lưu nửa chu kì: bằng biên độ điện áp vào

- Chỉnh lưu cả chu kì: bằng biên độ điện áp vào

Vận dụng: Sử dụng đèn LED bán dẫn (Hình 3.12) để tạo ra mạch điện minh hoạ cho chỉnh lưu nửa chu kì và chỉnh lưu cả chu kì.

Bài làm chi tiết:

Vì đèn LED bán dẫn có hoạt động giống với diode bán dẫn nên ta có mạch điện minh hoạ như sau:

Sơ đồ mạch chỉnh lưu nửa chu kì sử dụng đèn LED bán dẫn.

Sơ đồ mạch chỉnh lưu cả chu kì.

3. BÀI TẬP

Câu hỏi 1: Giả sử có sẵn một số diode bán dẫn giống nhau chỉ cho phép dòng điện thuận tối đa cỡ 1,0 A. Trong khi ta lại cần một mạch chỉnh lưu cả chu kì cho phép hoạt động với dòng điện 2,5 A. Hãy vẽ sơ đồ mạch chỉnh lưu thoả mãn yêu cầu bài toán.

Bài làm chi tiết:

Ta sử dụng mạch chỉnh lưu cầu: sử dụng 4 diode được kết nối theo hình cầu để chỉnh lưu điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều. Sử dụng diode song song: mỗi nhánh của cầu chỉnh lưu sử dụng hai diode 1A được mắc song song.

Lý do mắc song song: khi mắc song song, hai diode sẽ chia sẻ dòng điện, mỗi diode chỉ chịu 1,25A, Nên không bị vượt qua khả năng chịu đựng của mỗi diode riêng lẻ.

Câu hỏi 2: Một bạn học sinh dự định lắp một mạch điện chỉnh lưu cả chu kì sử dụng cầu chỉnh lưu, nhưng do sơ suất nên mắc nhầm cực của diode Đ₃ (Hình 3P.1a). Đặt vào hai đầu A, B một điện áp xoay chiều có dạng như Hình 3P.1b. Hỏi ở đầu ra trên điện trở R có tạo được điện áp chỉnh lưu cả chu kì như Hình 3.11b không? Hãy vẽ hình dạng đồ thị điện áp ra trên điện trở R khi đó.

Bài làm chi tiết:

- Điện áp ra trên điện trở không còn là điện áp chỉnh lưu cả chu kì như Hình 3.11b

- Hình dạng đồ thị điện áp ra trên điện trở R khi đó: