Diode zener, Schottky và cầu chỉnh lưu: ổn áp đơn giản, nguồn từ biến áp

Diode zener hoạt động thế nào, cách tính mạch ổn áp zener, khi nào chọn diode Schottky, nguyên lý cầu chỉnh lưu, điện áp ra và độ gợn khi có tụ lọc trong nguồn dùng biến áp.

Ngoài diode chỉnh lưu thông thường, có ba "biến thể" người mới hay gặp: diode zener (dùng ở chiều ngược để giữ một điện áp cố định), diode Schottky (điện áp thuận thấp, đóng ngắt nhanh) và cầu chỉnh lưu (bốn diode ghép để chỉnh lưu cả hai nửa chu kỳ). Bài viết giải thích đặc tuyến và thông số của zener, cách tính mạch ổn áp zener đơn giản, khi nào chọn Schottky, nguyên lý cầu chỉnh lưu, cách tính điện áp ra và độ gợn khi có tụ lọc trong một bộ nguồn dùng biến áp.

1. Diode zener

• Diode zener được chế tạo để làm việc ở vùng đánh thủng ngược mà không hỏng. Khi điện áp ngược vượt điện áp zener Uz, dòng ngược tăng mạnh còn điện áp trên zener gần như không đổi. Đó là tính chất dùng để giữ điện áp.
• Zener luôn được mắc ngược: cathode (vạch) về phía điện áp dương. Mắc thuận thì nó chỉ là một diode bình thường, rơi 0,7 V.
• Thông số chính: điện áp zener Uz (2,7 V, 3,3 V, 5,1 V, 12 V…, sai số thường ±5 %), công suất (0,5 W hoặc 1 W), dòng thử Izt mà tại đó Uz được đo.
• Zener 5,1 V hay 6,2 V cho điện áp ổn định với nhiệt độ hơn các loại điện áp thấp; với điện áp mẫu chính xác dùng IC tham chiếu như TL431.

2. Mạch ổn áp zener và cách tính

Mạch gồm một điện trở nối tiếp và một zener song song với tải. Điện trở hạ phần điện áp dư; zener lấy đi phần dòng thừa để điện áp ra giữ khoảng Uz.

1. Chọn dòng zener tối thiểu khoảng 5 mA (để zener chắc chắn nằm trong vùng ổn áp).
2. Tính R = (Uin − Uz) / (Itải + Iz). Ví dụ 12 V xuống 5,1 V cho tải 10 mA: R = 6,9 / 0,015 = 460 Ω. Với zener phải chọn giá trị E12 nhỏ hơn (để vẫn đủ dòng cho zener khi tải lấy đủ 10 mA): 390 Ω, cho dòng tổng 6,9 / 390 ≈ 17,7 mA.
3. Kiểm tra trường hợp xấu nhất là hở tải: toàn bộ dòng qua zener, Iz ≈ 17,7 mA, công suất zener ≈ 5,1 × 0,0177 ≈ 90 mW, zener 0,5 W thừa sức. Công suất điện trở ≈ 6,9² / 390 ≈ 0,12 W, dùng loại 1/4 W.

Mạch zener đơn giản nhưng tốn điện (luôn có dòng qua R kể cả khi tải không dùng) và chỉ hợp với tải nhỏ, vài chục mA. Cấp nguồn cho vi điều khiển, module thì dùng IC ổn áp (bài 24) hoặc mạch hạ áp. Zener vẫn rất hay dùng để kẹp bảo vệ: một zener 3,3 V qua điện trở hạn dòng giữ chân ADC không vượt quá mức an toàn khi tín hiệu vào bị quá áp.

3. Diode Schottky: khi nào nên chọn

• Schottky có điện áp thuận thấp (khoảng 0,2–0,45 V) và hầu như không có thời gian phục hồi ngược. Chọn Schottky khi: chống cắm ngược nguồn (mất ít điện áp hơn), diode OR giữa pin và USB, diode trong mạch hạ áp, tăng áp (tần số cao), mạch pin mặt trời.
• Nhược điểm: dòng rò ngược lớn hơn nhiều (tăng mạnh khi nóng) và điện áp ngược tối đa thấp. Không dùng Schottky để chỉnh lưu điện áp cao, và không dùng ở chỗ cần dòng rò thật nhỏ (giữ điện tích, đo dòng nhỏ).
• Mã thông dụng: 1N5817/1N5819 (1 A, 20/40 V), SS14, SS34 (dán, 1 A và 3 A, 40 V), SB560 (5 A, 60 V).

4. Cầu chỉnh lưu

• Chỉnh lưu một diode (bài 15) bỏ phí nửa chu kỳ âm. Cầu chỉnh lưu bốn diode cho dòng qua tải cùng một chiều ở cả hai nửa chu kỳ: nửa dương có hai diode dẫn, nửa âm hai diode còn lại dẫn.
• Vì luôn có hai diode nối tiếp trên đường dòng, điện áp ra mất khoảng 2 × 0,7 = 1,4 V. Điện áp sau cầu là các nửa sóng sin dương nối nhau, tần số gợn gấp đôi lưới: 100 Hz.
• Cầu chỉnh lưu bán sẵn trong một vỏ có 4 chân: hai chân ký hiệu "~" nối điện xoay chiều, chân "+" và "−" là đầu ra một chiều. Chọn cầu có dòng và điện áp ngược định mức lớn hơn mạch thật ít nhất 1,5–2 lần.

5. Tụ lọc, điện áp ra và độ gợn

• Thêm một tụ hóa lớn sau cầu: tụ nạp tới gần đỉnh sóng rồi cấp dòng cho tải trong khoảng giữa hai đỉnh, điện áp chỉ sụt một chút. Phần sụt này gọi là độ gợn.
• Điện áp ra không tải ≈ đỉnh của điện áp xoay chiều trừ 1,4 V. Biến áp 12 V AC (hiệu dụng) có đỉnh 12 × √2 ≈ 17 V, sau cầu ≈ 15,6 V, lớn hơn nhiều so với "12 V" ghi trên biến áp.
• Độ gợn gần đúng: ΔU ≈ I / (2 × f × C) với chỉnh lưu cầu. Tải 0,5 A, tụ 2200 µF, lưới 50 Hz: ΔU ≈ 0,5 / (2 × 50 × 0,0022) ≈ 2,3 V. Muốn gợn nhỏ hơn thì tăng tụ, hoặc thêm IC ổn áp phía sau (bài 24).
• Tụ lọc phải chịu được điện áp đỉnh (chọn 25 V hoặc 35 V cho ví dụ trên) và dòng gợn; lúc mới cắm điện tụ hút dòng nạp rất lớn, cầu chỉnh lưu và cầu chì phải chịu được.

An toàn: phía sơ cấp biến áp nối điện lưới 220 V. Chỉ thí nghiệm phần sau biến áp khi biến áp đã được lắp kín, có cầu chì; người mới nên dùng adapter có sẵn thay vì tự làm nguồn từ biến áp (bài 5).

6. Tự kiểm tra

1. Cần ổn áp 3,3 V từ 5 V cho tải 5 mA, dòng zener tối thiểu 5 mA. R bằng bao nhiêu? (Đáp án: (5 − 3,3) / 0,01 = 170 Ω, chọn giá trị nhỏ hơn là 150 Ω; dòng tổng ≈ 11,3 mA nên zener còn khoảng 6,3 mA.)
2. Biến áp 9 V AC qua cầu chỉnh lưu và tụ lọc, điện áp ra không tải khoảng bao nhiêu? (Đáp án: 9 × 1,414 − 1,4 ≈ 11,3 V.)
3. Vì sao không dùng 1N5819 để chỉnh lưu điện lưới? (Đáp án: điện áp ngược tối đa chỉ 40 V, nhỏ hơn rất nhiều so với 311 V đỉnh.)

7. Xem thêm

• Mạch hạ áp LM2596 và MP1584: nguồn xung dùng diode Schottky.
• Vòng dòng 4–20 mA và cách đọc bằng ESP32: có dùng zener, điện trở để bảo vệ đầu vào.
• Bài tiếp theo của loạt điện tử căn bản: transistor BJT NPN, PNP và hệ số khuếch đại.