Giải chi tiết chuyên đề Vật lí 12 KNTT bài 4: Chỉnh lưu dòng điện xoay chiều

KHỞI ĐỘNG

Câu hỏi: Dòng điện được truyền từ nhà máy đến nơi tiêu thụ là dòng điện xoay chiều, nhưng một số thiết bị điện tử lại sử dụng dòng điện một chiều. Làm thế nào từ dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều?

Bài làm chi tiết:

Sử dụng thiết bị diode bán dẫn cho dòng điện xoay chiều biến đổi thành dòng điện một chiều.

I. DIODE BÁN DẪN

Hoạt động: Thí nghiệm khảo sát mối quan hệ giữa dòng điện chạy qua diode bán dẫn và điện áp giữa hai cực của nó

Mục đich thí nghiệm: Vẽ đường đặc trưng I - U (đường biểu diễn mối quan hệ giữa dòng điện chạy qua diode bán dẫn và điện áp giữa hai cực của nó).

Dụng cụ: 

Diode bán dẫn (1), điện trở 10 (2), biến trở 0 - 100 (3), công tắc (4), hai đồng hồ đo điện đa năng (5), biến áp nguồn (6), bảng lắp mạch điện (7), dây nối (8) (Hình 4.5).

Thiết kế phương án:

- Thảo luận các bước thí nghiệm để tìm mối liên hệ giữa cường độ dòng điện và điện áp.

- Nêu các bước vẽ đường đặc trưng I - U của diode.

Tiến hành:

- Điều chỉnh biến áp nguồn ở chế độ dòng điện một chiều có điện áp đầu ra 7 V.

a) Phân cực thuận

- Lắp ráp dụng cụ theo sơ đồ mạch điện như Hình 4.5a.

- Điều chỉnh biến trở để số chỉ vôn kế tăng dần từ 0.

- Ghi số chỉ trên vôn kế, ampe kế vào vở sau mỗi lần điều chỉnh biến trở theo mẫu Bảng 4.1 (mắc thuận).

b) Phân cực ngược

- Lắp ráp dụng cụ theo sơ đồ mạch điện như Hình 4.5b.

- Điều chỉnh biến trở để số chỉ vôn kế tăng dần từ 0.

- Ghi số chỉ trên vôn kế, ampe kế vào vở sau mỗi lần điều chỉnh biến trở theo mẫu Bảng 4.1 (mắc ngược).

Khi mắc mạch phân cực ngược U < 0.

Thực hiện các yêu cầu sau:

1. Từ kết quả thí nghiệm thu được ở Bảng 4.1, hãy vẽ đường đặc trưng I - U của diode.

2. Nhận xét về giá trị của cường độ dòng điện qua diode khi diode mắc thuận và khi diode mắc ngược.

Giải chi tiết:

1. Đường đặc trưng I - U

2. Nhận xét:

- Khi mắc thuận, U tăng thì I tăng;

- Khi mắc ngược, U tăng còn I không thay đổi, giữ ở 0 mA.

II. CHỈNH LƯU DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

1. Chỉnh lưu nửa chu kì

Hoạt động: Quan sát Hình 4.7a và Hình 4.7b, thực hiện các yêu cầu sau:

1. Nêu sự khác nhau về hình dạng đồ thị điện áp vào và điện áp ra theo thời gian.

2. Mô tả dòng điện chạy trong mạch khi hiệu điện thế giữa anode và cathode của diode là âm hoặc dương.

Bài làm chi tiết:

1. Đồ thị điện áp vào là dạng đồ thị hình sin thường thấy của mạch điện xoay chiều. 

Đồ thị điện áp ra (đã chỉnh lưu qua diode) có phần giá trị điện áp dương vẫn giữ nguyên; còn phần điện áp âm của đồ thị 4.7a có giá trị bằng 0 tại đồ thị 4.7b.

2. Khi hiệu điện thế giữa anode và cathode của diode là dương, dòng điện đi từ anode sang cathode, qua điện trở R, trở về nguồn U_v. Vôn kế chỉ giá trị của U_v.

Dòng điện xoay chiều đi từ nguồn qua R đến diode (hiệu điện thế giữa anode và cathode là âm), dòng điện không đi qua được diode. Vôn kế chỉ giá trị là 0.

2. Chỉnh lưu cả chu kì

Câu hỏi: Từ sơ đồ như Hình 4.8, hãy chứng tỏ rằng dù hiệu điện thế giữa hai điểm 1 và 3 có giá trị dương hay âm thì hiệu điện thế giữa điểm 2 và điểm 4 luôn có giá trị dương.

Bài làm chi tiết:

Hiệu điện thế giữa hai điểm 1 và 3 là hiệu điện thế của nguồn;

Hiệu điện thế giữa hai điểm 2 và 4 là hiệu điện thế của R;

Khi dòng điện xoay chiều đi qua điểm 1 hoặc 3 đều sẽ phải đi qua D₁ và D₂, không thể đi qua D₃ và D₄ do chiều của 2 diode này không cho dòng điện đi qua đến 4. Khi qua D₁ và D₂, hiệu điện thế có giá trị dương nên hiệu điện thế giữa điểm 2 và điểm 4 luôn có giá trị dương.

Hoạt động: Quan sát Hình 4.9 và Hình 4.10, thực hiện các yêu cầu sau:

1. Nêu sự khác nhau về hình dạng đồ thị điện áp giữa hai đầu đoạn mạch và hai đầu điện trở.

2. Hãy mô tả chiều dòng điện chạy qua điện trở R (Hình 4.8) trong mỗi chu kì.

3. Hãy so sánh đồ thị điện áp chỉnh lưu nửa chu kì (Hình 4.7b) và chỉnh lưu cả chu kì (Hình 4.10).

Bài làm chi tiết:

1. Phần dương của đồ thị điện áp vẫn giữ nguyên ở đồ thị điện trở;

Phần âm của đồ thị điện áp thì đổi dấu, nhưng vẫn giữ nguyên giá trị tuyệt đối ở đồ thị điện trở.

2. Dòng điện đi từ nguồn đến điểm 1, đi qua D₁ đến điểm 2 (không qua D₄ vì chiều của diode này không cho dòng điện xoay chiều đi qua), sau đó qua R đến điểm 4, rồi qua D₃ đến điểm 3 và trở về nguồn.

Dòng điện xoay chiều, đi từ nguồn đến điểm 3, đi qua D₂ đến điểm 2 (không qua D₃ vì chiều của diode này không cho dòng điện xoay chiều đi qua), sau đó qua R đến điểm 4, rồi qua D₄ đến điểm 1 và trở về nguồn.

3. Ở đồ thị điện áp chỉnh lưu nửa chu kì, phần hiệu điện thế âm của nguồn có giá trị bằng 0; Ở đồ thị điện áp chỉnh lưu cả chu kì, phần hiệu điện thế âm của nguồn giữ nguyên giá trị tuyệt đối, nhưng đổi dấu từ âm thành dương.