Chuyên đề Vật lí 12 Bài 3 (Chân trời sáng tạo): Chỉnh lưu dòng điện xoay chiều

Giải Chuyên đề Vật lí 12 Bài 3: Chỉnh lưu dòng điện xoay chiều

Mở đầu trang 18 Chuyên đề Vật Lí 12: 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 (Hình 3.1b) 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?

Lời giải:

Nhờ có bộ chuyển đổi dòng điện từ dòng điện xoay chiều sang dòng điện một chiều, thông thường thiết bị chính của bộ chuyển đổi đó là diode.

1. Thí nghiệm về sự dẫn điện của diode bán dẫn

Thí nghiệm trang 18 Chuyên đề Vật Lí 12:

* Mục đích: Khảo sát mối quan hệ giữa dòng điện chạy qua diode bán dẫn và điện áp giữa hai cực của nó.

* Dụng cụ:

Bộ dụng cụ được sử dụng để khảo sát đặc tính dẫn điện của diode bán dẫn được cho trong Hình 3.3, gồm:

- Nguồn điện không đổi (1).

- Diode bán dẫn Đ (2).

- Biến trở R_b (3), điện trở R₀ (4).

- Ampe kế A (5), vôn kế V (6).

- Bộ dây nối (7) và khoá K (8).

* Tiến hành thí nghiệm:

a) Phân cực thuận

Bước 1: Đặt ampe kế ở thang đo mA.

Bước 2: Mắc mạch điện như Hình 3.4 để khảo sát mạch diode phân cực thuận.

Bước 3: Điều chỉnh biến trở R_b để số chỉ của vôn kế tăng dần từ 0, ghi lại số chỉ trên vôn kế và ampe kế vào vở sau mỗi lần điều chỉnh R_b theo mẫu Bảng 3.1.

b) Phân cực ngược

Bước 1: Đặt ampe kế ở thang đo mA.

Bước 2: Mắc mạch điện như Hình 3.5 để khảo sát mạch diode phân cực ngược.

Bước 3. Điều chỉnh biến trở R_b để số chỉ trên vôn kế tăng dần từ 0, ghi lại số chỉ trên vôn kế và ampe kế vào vở sau mỗi lần điều chỉnh R_b theo mẫu Bảng 3.2. (Khi mắc mạch có Đ phân cực ngược thì U < 0)

- Từ bảng số liệu vừa khảo sát, hãy vẽ đồ thị I theo U của diode (đường đặc trưng I - U của diode bán dẫn (Hình 3.6)).

- Từ đồ thị, nhận xét về chiều dòng điện chạy qua diode bán dẫn.

Lời giải:

Nhận xét: Dòng điện chạy quay mạch khi diode phân cực thuận và không có dòng điện chạy qua khi diode phân cực ngược.

Câu hỏi 1 trang 19 Chuyên đề Vật Lí 12: 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

Lời giải:

Nội dung đang được cập nhật ...

Câu hỏi 2 trang 20 Chuyên đề Vật Lí 12: Từ đồ thị, nhận xét về tính dẫn điện của diode khi phân cực thuận và phân cực ngược.

Lời giải:

Khi diode phân cực thuận thì nó cho dòng điện chạy qua, khi phân cực ngược thì hầu như không có dòng điện chạy qua.

Luyện tập trang 20 Chuyên đề Vật Lí 12: Quan sát các Hình 3.4 và 3.5, nhận xét và giải thích về cách mắc ampe kế A trong mạch điện.

Lời giải:

- Khi diode phân cự thuận thì ta quan tâm đến điện áp rơi trên diode nên vôn kế được mắc song song với diode, dòng điện qua vôn kế thường rất bé nên khi mắc ampe kế như thế sẽ đo được dòng (I_diode + I_V) thường thì I_diode >> I_V nên xem như ampe kế đo dòng tải I_diode.

- Khi phân cực ngược thì diode khóa, ta quan tâm đến dòng rò qua diode vì vậy nên ampe kế mắc như hình 3.5, dòng này thường rất nhỏ, nếu ta mắc vôn kê như ở sơ đồ phân cực thuận thì dòng đo được sẽ có cả dòng của vôn kế kết quả sẽ không chính xác.

2. Chỉnh lưu dòng điện xoay chiều

Câu hỏi 3 trang 21 Chuyên đề Vật Lí 12: 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.

Lời giải:

Giả sử trong nửa chu kì đầu tiên (thời gian từ 0 đến $\frac{T}{2}$), 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 (cũng là điện áp ở hai đầu điện trở R) bằng điện áp vào: u_r = u_R = iR = u_v

Trong nửa chu kì sau (thời gian từ $-\frac{T}{2}$ đến T), điện áp u_AK âm, diode phân cực ngược, không có dòng điện qua điện trở R, nên điện áp ra bằng 0. Kết quả này được lặp lại trong các chu kì tiếp theo của điện áp vào diode. Do diode chỉ dẫn điện trong nửa chu kì nên mạch ở Hình 3.7 được gọi là mạch chỉnh lưu nửa chu kì.

Câu hỏi 4 trang 22 Chuyên đề Vật Lí 12: 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.

Lời giải:

Đặt điện áp xoay chiều vào hai đầu A và B của mạch chỉnh lưu. 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 diện trở R, qua Đ₄ và về A. Kết quả này được lặp lại trong các chu kì tiếp theo. Như vậy, trong hai nửa chu kì, dòng điện qua điện trở R chỉ chạy theo cùng một chiều xác định.

Luyện tập trang 22 Chuyên đề Vật Lí 12: 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.

Lời giải:

Dựa vào đồ thị ta thấy chu kì của điện áp sau chỉnh lưu bằng một nửa chu kì điện áp trước chỉnh lưu nên tần số của điện áp sau chỉnh lưu gấp đôi tần số điện áp trước chỉnh lưu.

Câu hỏi 5 trang 22 Chuyên đề Vật Lí 12: So sánh đồ thị điện áp ra trong chỉnh lưu nửa chu kì (Hình 3.8b) và đồ thị điện áp ra trong chỉnh lưu cả chu kì (Hình 3.11b) về: chu kì và biên độ.

Lời giải:

Vận dụng trang 23 Chuyên đề Vật Lí 12: 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.

Lời giải:

Học sinh dựa vào sơ đồ 3.7 và 3.10 để lắp mạch.

Bài tập

Bài tập 1 trang 23 Chuyên đề Vật Lí 12: 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 thỏa mãn yêu cầu bài toán.

Lời giải:

Ta có thể mắc thêm một diode nối tiếp với diode Đ1 và một diode nối tiếp với diode Đ2.

Bài tập 2 trang 23 Chuyên đề Vật Lí 12: 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.

Lời giải:

Giả sử trong nửa chu kì đầu, A dương, B âm thì lúc này chỉ có Đ₁ phân cực thuận, nên không có dòng điện chạy qua mạch. Trong nửa chu kì sau A âm, B dương, Đ₂, Đ₃, Đ₄ đều phân cực thuận, nên có dòng điện qua R. Do có sự sụt áp nên điện áp sau chỉnh lưu nhỏ hơn điện áp U₀.