Bài giảng môn Điện - Điện tử - Chương 2: Mạch xén và mạch ghim điện áp

Chương 2: Mạch xén và mạch ghim điện áp 18 Chương 2 MẠCH XÉN VÀ MẠCH GHIM ĐIỆN ÁP 2.1 Mạch xén Mạch xén là mạch cắt đi một phần của dạng điện áp vào ở trên hay ở dưới một mức chuẩn nào đó. Mối liên hệ giữa ngõ vào và ngõ ra của mạch xén thường có các dạng sau: Vo Vi 0 Vdc Vdc Vo Vi 0 Vdc Vdc (a) (b) Vo Vi 0 Vdc1 Vdc1 Vdc2 Vdc2 Vo Vi 0 Vdc Vdc (c) (d) Vo Vi0 Vdc Vdc Vo Vi 0 Vdc1 Vdc1 Vdc2 Vdc2 (e) (f) Hình 2.1 Đặc tuyến truyền đạt của một số mạch xén cơ bản Chương 2: Mạch xén và mạch ghim điện áp 19 Dựa vào cấu trúc mạch xén gồm mạch xén song song và mạch xén nối tiếp.  Mạch xén song song là mạch xén có phần tử xén nối song song với ngõ ra.  Mạch xén nối tiếp là mạch xén có phần tử xén nối nối tiếp với ngõ ra. 2.1.1 Mạch xén song song  Xét mạch sau: D R Vi Vdc Va Vk Vo Hình 2.2 Gọi Va là điện thế tại anode, Vk là điện thế tại cathode. Mạch trên có hai trường hợp xảy ra:  Trường hợp 1: Khi Va>Vk  Vi>Vdc, diode dẫn, sơ đồ mạch trở thành:  Vo= Vdc Hình 2.3  Trường hợp 2: Khi Va<Vk  Vi<Vdc, diode ngưng dẫn, sơ đồ mạch trở thành:  Vo= Vi Hình 2.4 Vo Vk Vdc R Va Vi D D Va Vo Vdc R Vi Vk Chương 2: Mạch xén và mạch ghim điện áp 20 Ví dụ 1: Cho Vi và Vdc như hình 2.5. Điện áp ngõ ra được xác định như sau: Khi 0<t<t1: Vi<Vdc  Diode ngưng dẫn, thuộc trường hợp 2, Vo= Vi. Khi t1Vdc  Diode dẫn, thuộc trường hợp 1, Vo= Vdc. Khi t2<t<t3: Vi<Vdc  Diode ngưng dẫn, thuộc trường hợp 2, Vo= Vi. Khi t3Vdc  Diode dẫn, thuộc trường hợp 1, Vo= Vdc. Hình 2.5 Từ hình 2.5 ta thấy, khi Vi lớn hơn Vdc thì điện áp ngõ ra luôn bằng Vdc, khi Vi nhỏ hơn Vdc thì điện áp ngõ ra luôn băng Vi. Vì vậy, đặc tuyến truyền đạt có dạng như hình 2.1a.  Xét mạch sau: Vi Vdc Vk D R Vo Va Hình 2.6 Gọi Va là điện thế tại anode, Vk là điện thế tại cathode. Mạch trên có hai trường hợp xảy ra:  Trường hợp 1: Khi Va>Vk  Vi>Vdc, diode dẫn, sơ đồ mạch trở thành:  Vo= Vdc Hình 2.7 V t V t 0 0 Vdc Vi Vdc Vm -Vm t1 t2 t3 t4 t1 t2 t3 t4 Vo Va Vdc R D Vi Vo Vk Chương 2: Mạch xén và mạch ghim điện áp 21  Trường hợp 2: Khi Va<Vk  Vi<Vdc, diode ngưng dẫn, sơ đồ mạch trở thành:  Vo= Vi Hình 2.8 Ví dụ2: Cho Vi và Vdc như hình 2.9. Điện áp ngõ ra được xác định như sau: Khi 0Vdc  Diode dẫn, thuộc trường hợp 1, Vo= Vdc. Khi t1<t<t2: Vi<Vdc  Diode ngưng dẫn, thuộc trường hợp 2, Vo= Vi. Khi t2Vdc  Diode dẫn, thuộc trường hợp 1, Vo= Vdc. Khi t3<t<t4: Vi<Vdc  Diode ngưng dẫn, thuộc trường hợp 2, Vo= Vi. Hình 2.9 Từ hình 2.9 ta thấy, khi Vi lớn hơn Vdc thì điện áp ngõ ra luôn bằng Vdc, khi Vi nhỏ hơn Vdc thì điện áp ngõ ra luôn băng Vi. Vì vậy, đặc tuyến truyền đạt có dạng như hình 2.1e.  Bài tập: Hãy vẽ và giải thích dạng điện áp ngõ ra của các mạch ở hình 2.10. Biết tVi sin10 , với ω bất kỳ, Vdc có độ lớn bằng 5v. D Vdc Vi Vo R D Vi Vo R Vdc Vdc D Vi Vo R (a) (b) (c) Va R Vk D Vdc Vi Vo V t V t0 0 Vdc Vi Vdc Vm -Vm t1 t2 t3 t4 t1 t2 t3 t4 Vo Chương 2: Mạch xén và mạch ghim điện áp 22 R Vi D Vdc Vo D Vi R Vdc Vo VoVi DVdc R (d) (e) (f) Hình 2.10 2.1.2 Mạch xén nối tiếp  Xét mạch sau: Va DVdc R Vo Vk Vi Hình 2.11 Gọi Va là điện thế tại anode, Vk là điện thế tại cathode. Mạch trên có hai trường hợp xảy ra:  Trường hợp 1: Khi Va>Vk  Vi>Vdc, diode dẫn, sơ đồ mạch trở thành:  Vo= Vi - Vdc Hình 2.12  Trường hợp 2: Khi Va<Vk  Vi<Vdc, diode ngưng dẫn, sơ đồ mạch trở thành:  Vo= 0V Hình 2.13 Vi Vo Vdc Va Vk R Vi Vdc Va Vo Vk R Chương 2: Mạch xén và mạch ghim điện áp 23 Ví dụ 3: Cho Vi và Vdc như hình 2.14. Điện áp ngõ ra được xác định như sau: Khi 0<t<t1: Vi<Vdc  Diode ngưng dẫn, thuộc trường hợp 2, Vo= 0V. Khi t1Vdc  Diode dẫn, thuộc trường hợp 1, Vo= Vi - Vdc. Khi t2<t<t3: Vi<Vdc  Diode ngưng dẫn, thuộc trường hợp 2, Vo= 0V. Khi t3Vdc  Diode dẫn, thuộc trường hợp 1, Vo= Vi - Vdc. Hình 2.14  Xét mạch sau: Vi Va Vdc D R Vk Vo Hình 2.15 Gọi Va là điện thế tại anode, Vk là điện thế tại cathode. Mạch trên có hai trường hợp xảy ra:  Trường hợp 1: Khi Va>Vk  Vi>Vdc, diode dẫn, sơ đồ mạch trở thành:  Vo= Vi - Vdc Hình 2.16  Trường hợp 2: Khi Va<Vk  Vi<Vdc, diode ngưng dẫn, sơ đồ mạch trở thành:  Vo= 0V Hình 2.17 V t V t 0 0 Vdc Vi Vm-Vdc Vm t1 t2 t3 t4 t1 t2 t3 t4 Vo Vi Vdc R Va Vk Vo Vi Vdc Va Vk VoR Chương 2: Mạch xén và mạch ghim điện áp 24 Ví dụ 4: Cho Vi và Vdc như hình 2.18. Điện áp ngõ ra được xác định như sau: Khi 0Vdc  Diode dẫn, thuộc trường hợp 1, Vo= Vi – Vdc= Vi + 5. Khi t1<t<t2: Vi<Vdc  Diode ngưng dẫn, thuộc trường hợp 2, Vo= 0V. Khi t2Vdc  Diode dẫn, thuộc trường hợp 1, Vo= Vi – Vdc= Vi + 5. Khi t3<t<t4: Vi<Vdc  Diode ngưng dẫn, thuộc trường hợp 2, Vo= 0V. Hình 2.18  Bài tập: Hãy vẽ và giải thích dạng điện áp ngõ ra của các mạch ở hình 2.19. Biết tVi sin10 , với ω bất kỳ, Vdc có độ lớn bằng 5v. R Vdc Vo D Vi Vo Vi R Vdc D Vi Vo D Vdc R (a) (b) (c) Vi Vo Vdc R D R Vdc D Vi Vo Vo Vi R D Vdc (d) (e) (f) Hình 2.19 V t V t 0 0 Vdc Vi Vm +5 Vm t1 t2 t3 t4 t1 t2 t3 t4 Vo 5 -5 Chương 2: Mạch xén và mạch ghim điện áp 25 2.2 Mạch ghim 2.2.1 Mạch ghim đỉnh trên  Cho mạch hình 2.20a, điện áp Vi và Vdc như hình 2.20b. VoVi Vdc Vk c Va R t V 0 Vm Vdc t1 t3t2 t4 Vi Vdc -Vm t5 (a) (b) Hình 2.20 Gọi Va là điện thế tại anode, Vk là điện thế tại cathode và Vc là điện áp trên tụ. Giả sử, ban đầu điện áp trên tụ Vc bằng không.  Trong khoảng thời gian 0 Vk làm diode dẫn, mạch hình 2.20a trở thành:  Vo = Vdc Tụ C nạp qua diode nên đầy tức thì, lúc này, Vc = Vi – Vo= Vm – Vdc  Trong khoảng thời gian t1 < t < t2, ta thấy Va < Vk làm diode ngưng dẫn, mạch hình 2.20a trở thành: Tụ C xả qua R. Do R rất lớn nên tụ xả không đáng kể  Vc là hằng số trong suốt khoảng thời gian từ t1 đến t2  Vc = Vm – Vdc Mà: Vo = Vi – Vc= –Vm –(Vm – Vdc)= –2Vm + Vdc  Trong khoảng thời gian t2 < t < t3: Ta có: –Vi +Vc +Vak +Vdc=0  Vak= Vi – Vc – Vdc Do trong thời gian trước tụ xả không đáng kể nên tại thời điểm t2 điện áp trên tụ Vc= Vm – Vdc.  Vak= Vi – (Vm – Vdc) – Vdc = Vm – Vm + Vdc – Vdc= 0 Vm R Vo + Va Vk Vdc - c Vm + Va VoR Vdc c Vk - R Vdc Vo - Va Vm c Vk + Chương 2: Mạch xén và mạch ghim điện áp 26 Lúc này, diode vẫn ngưng dẫn, Vo= Vi – Vc= Vm – (Vm – Vdc)= Vdc  Ta làm tương tự cho các khoảng thời gian khác. Từ những trình bày trên điện áp ra có dạng như hình 2.21: t V 0 Vm Vdc t1 t3t2 t4 Vi Vdc -Vm t5 t V 0 Vm Vdc t1 t3t2 t4 Vdc -(2Vm -Vdc) t5 Vo Hình 2.21  Bài tập: 1/ Hãy vẽ và giải thích dạng điện áp ngõ ra của các mạch ở hình 2.20a. Biết Vi như hình 2.20b nhưng Vdc > Vm. 2/ Hãy vẽ và giải thích dạng điện áp ngõ ra của các mạch ở hình 2.20a. Biết Vi như hình 2.20b nhưng Vdc < 0. Chương 2: Mạch xén và mạch ghim điện áp 27 2.2.2 Mạch ghim đỉnh dưới  Cho mạch hình 2.22a, điện áp Vi và Vdc như hình 2.22b. Vi R Vk Vdc c Va Vo t V 0 Vm Vdc t1 t3t2 t4 Vi Vdc -Vm t5 (a) (b) Hình 2.22 Gọi Va là điện thế tại anode, Vk là điện thế tại cathode và Vc là điện áp trên tụ. Giả sử, ban đầu điện áp trên tụ Vc bằng không.  Trong khoảng thời gian 0 Va làm diode ngưng dẫn, mạch hình 2.22a trở thành: Tụ C nạp qua điện trở R có giá trị rất lớn nên nạp không đáng kể.  Vc = 0V  Vo = Vi – Vc= Vi  Trong khoảng thời gian t1 Vk làm diode dẫn, mạch hình 2.22a trở thành:  Vo = Vdc Tụ C nạp qua diode nên đầy tức thì, lúc này, Vc = Vi – Vo= –Vm – Vdc  Trong khoảng thời gian t2 < t < t3: Diode ngưng dẫn, tụ xả qua R nên không đáng kể.  Vc là hằng số trong khoảng thời gian từ t2 đến t3 và Vc= –Vm – Vdc Mà: Vo= Vi – Vc  Vo= Vm + (Vm + Vdc)= 2Vm +Vdc - Vdc Va R c VoVm Vk + R Va Vk Vo Vdc + c - Vm Vk + Vm Vo c Va - R Vdc Chương 2: Mạch xén và mạch ghim điện áp 28  Trong khoảng thời gian t3 < t < t4: Ta có: –Vi +Vc +Vka +Vdc=0  Vka= Vi – Vc – Vdc Do trong thời gian trước tụ xả không đáng kể nên tại thời điểm t3 điện áp trên tụ Vc= –Vm – Vdc.  Vka = Vi + (Vm + Vdc) – Vdc = –Vm + Vm + Vdc – Vdc= 0  diode vẫn ngưng dẫn.  Vo= Vi – Vc= –Vm +(Vm +Vdc)  Vo= Vdc  Ta làm tương tự cho các khoảng thời gian khác. Từ những trình bày trên điện áp ra có dạng: t V 0 Vm Vdc t1 t3t2 t4 Vi Vdc -Vm t5 (2Vm+Vdc) t V 0 Vdc t1 t3t2 t4 Vdc t5 Vo Vm Hình 2.23  Bài tập: 1/ Hãy vẽ và giải thích dạng điện áp ngõ ra của các mạch ở hình 2.22a. Biết Vi như hình 2.22b nhưng Vdc < –Vm. 2/ Hãy vẽ và giải thích dạng điện áp ngõ ra của các mạch ở hình 2.22a. Biết Vi như hình 2.22b nhưng –Vm < Vdc < 0. Vk + Vm Vo c Va - R Vdc