GIÁO TRÌNH CÁC LOẠI NGUỒN DC

Vì Mạch nguồn trên đây hoạt động dựa theo nguyên tắc là nếu khi tải càng tiêu thụ cường độ dòng điện càng lớn tức là trở kháng của tải sẽ càng giảm thì sụt áp lên tải sẽ bị giảm đi khiến

Trên cơ sở đó, mạch biến đổi điện áp của Lưới điện Xoay chiều thành dòng điện một chiều

DC được thực hiện một cách đơn giản bởi một Biến áp T và một mạch chỉnh lưu (có thể bằng 1

diode hoặc 2 diode hoặc Cầu chỉnh lưu diode…) sau đó sẽ lọc bằng tụ điện C.

Sau khi được chỉnh lưu thì dòng xoay chiều hình sine sẽ bị biến thành các xung bán – sinetheo cùng một chiều không đổi nên sẽ tạo ra các gợn nguồn không ổn định có thể gây nhiễu loạncho các Mạch Khuyếch đại có độ nhạy cao

Để đảm bảo khả năng lọc sạch gợn nguồn do các xung bán – sine gây ra, có thể sử dụng cácmạch lọc nguồn phối hợp bằng cuộn cảm L và tụ điện C… tuy nhiên vẫn có nhiều biện pháp kháchiệu quả hơn để lọc gợn nguồn bằng cách sử dụng mạch lọc bằng Transitor như hình nói trên:

Nhờ có một mạch RC được tạo bởi R = 1k và tụ C = 1000µF ghép vào cực B của Transitornên điện áp được giữ ở chân B của Transitor rất sạch vì hằng số thời gian phóng nạp của dòng điện

do mạch RC nói trên tạo ra sẽ là τ ≈ RC lớn hơn rất nhiều lần so với độ dài của các gợn xung (ví

dụ, nếu chỉnh lưu một nửa chu kỳ thì độ dài các gợn xung được tạo ra bởi tần số 50 Hz tương đương với khoảng 20mS Nếu được chỉnh lưu cả hai nửa chu kỳ thì độ dài các gợn xung chỉ là 10mS) nên điện áp ở chân B của Transistor được giữ rất ổn định nhờ đó điện áp ra trên chân E của

Transistor cũng sẽ được giữ rất ổn định theo hệ thức dưới đây:

UE ≈ UB – 0,7V đối với Transistor Silic

UE ≈ UB – 0,3V đối với Transistor GermanyTrong đó, UE là điện áp ra trên tải được tạo ra bởi chân E của Transistor và UB là điện ápđược đặt tại chân B của Transistor do mạch RC tạo ra

Theo trên, nếu Hệ số Khuyếch đại cường độ dòng điện (được gọi là β) càng lớn thì điện áp

ra sẽ càng ổn định Đồng thời nếu β càng lớn (có thể tra bảng thông số của các Transistor để biết

được β của Transistor cần sử dụng là bao nhiêu) thì lại càng cho phép tăng giá trị của điện trở đầu

vào cho cực B của Transistor nên Hằng số thời gian τ được tạo bởi RC sẽ càng lớn và nếu RC cànglớn bao nhiêu thì nguồn ra càng được lọc sạch bấy nhiêu

Ưu điểm của mạch lọc sử dụng Transistor theo hình nói trên là tạo ra dòng điện sạch gợntuyệt đối không gây ra các sóng nhiễu điện – từ giống như các mạch lọc nguồn sử dụng LC

 Mạch Nguồn Tuyến tính tự cân bằng

Mạch nguồn Tuyến tính đơn giản nhất được mô tả như hình trên đây cho thấy linh kiện chủ yếunhất của mạch nguồn này là một Transistor có khả năng cung cấp được một Cường độ dòng điện

khá lớn (ví dụ như 2N3055, 2SC2335…) với Hệ số Khuyếch đại β càng lớn càng tốt và một diode

Zener để ổn định điện áp cho cực B của Transistor Theo đó, điện áp ra sẽ được xác định bởi các hệthức dưới đây:

UE ≈ UB – 0,7V đối với Transistor Silic

UE ≈ UB – 0,3V đối với Transistor Germany

Trong đó, UE là điện áp ra trên tải được tạo ra bởi chân E của Transistor và UB là điện áp được đặt

tại chân B của Transistor do diode Zener tạo ra (ví dụ, nếu diode Zener là loại 6V thì điện áp ra

trên tải sẽ được xác định trong khoảng 5,3 đến 5,7V tuỳ theo loại Transistor được sử dụng cho mạch nguồn nói trên).

Vì Mạch nguồn trên đây hoạt động dựa theo nguyên tắc là nếu khi tải càng tiêu thụ cường độ dòng

điện càng lớn (tức là trở kháng của tải sẽ càng giảm) thì sụt áp lên tải sẽ bị giảm đi khiến cho chênh lệch điện áp giữa chân E và chân B của Transistor càng tăng lên (vì B được giữ ổn định nhờ Zener

còn E bị giảm đi do tải bị sụt áp) nên theo nguyên lý làm việc của Transistor là chênh lệch điện áp

giữa B và E càng lớn thì Cường độ dòng điện qua tiếp giáp C – E càng lớn tức là Cường độ dòngđiện chạy qua tải càng tăng lên sẽ làm cho điện áp ra tăng lên

Ngược lại, nếu điện áp ra trên tải tăng lên thì nó sẽ khiến cho hiệu điện thế giữa B và E củaTransistor giảm xuống theo nguyên lý là chênh lệch điện áp giữa B và E càng thấp thì Cường độdòng điện qua cực E và cực C của Transistor càng giảm nên điện áp ra trên tải sẽ giảm xuống saocho có thể cân bằng được với giá trị ban đầu đã được tạo ra

Vì hoạt động theo nguyên lý vừa được giải thích trên nên mạch nguồn nói trên được gọi là Mạchnguồn Tuyến tính tự cân bằng hay còn gọi là Mạch nguồn Thu động

Chú ý: R1 được xác định để cung cấp dòng điện cho cực B của Transistor thông qua dòng điện chạyqua trên Zener phải được xác định sao cho dòng điện này không được phép vượt quá dòng điện tối

đa cho phép qua Zener

Để xác định được dòng điện tối đa cho phép của Zener phải xác định thông qua bảng tra cứu Zener.Tuy nhiên, có thể dễ dàng xác định được dòng điện này bằng cách ước đoán theo kinh nghiệm đốivới các loại Zener được bán phố biến trên Thị trường hiện nay chỉ có hai loại có Công suất chịu

đựng khác nhau gồm một loại Zener có vỏ bằng thuỷ tinh với kích thước nhỏ nhất (có đường kính

vào khoảng 1,5 ÷ 2mm) chỉ cho phép chịu được Công suất tối đa là 0,3W nhờ vậy có thể xác định

được Cường độ dòng điện chịu đựng tối đa của nó bằng hệ thức:

IMax = PZener/UZener tức là IMax = 0,3W/UZener

(U Zener là điện áp làm việc của Zener mà ta cần lựa chọn).

Trên cơ sở đó, loại Zener có Công suất chịu đựng lớn hơn mà hiện nay được bán trên Thị trường là

loại 1W cũng có vỏ bằng thuỷ tinh nhưng có kích thước lớn hơn (có đường kính vào khoảng 2,5 ÷

3mm)thì cũng có thể xác định được IMax của nó theo hệ thức là:

IMax = 1W/UZener

Trên cơ sở đã xác định được Cường độ IMax cho phép của Zener theo hệ thức nói trên, có thể xácđịnh R1 để cường độ dòng điện qua Zener không thể vượt quá IMax theo hệ thức dưới đây:

IR1 = (UInMax – UZener)/R1 ≤ IMax

Trong đó: UInMax là điện áp vào cực đại, UZener là điện áp làm việc của Zener mà ta cần chọn: Cầnchọn điện áp của Zener sao cho điện áp UZener ≈ UOut + 0,5V (UOut là điện áp cần cấp cho tải

Để đảm bảo độ chính xác cao hơn và không bị trôi điện áp nhiệt độ gây ra, người ta thường dùng mạch nguồn tuyến tính kiểu phản hồi như dưới đây:

Mạch bên đây mô tả nguyên lý cơ bản của một Mạch Nguồn Tuyến tính có phản hồi điện áp ra trở

về để so sánh và sau đó điều chỉnh lại điện áp ra nên được gọi là Mạch nguồn Tuyến tính phản hồi,mạch hoạt động theo nguyên lý đơn giản như sau:

Điện áp ra VOut trên tải RL sẽ được phân áp qua R1R2 để đưa về so sánh tại Mạch Khuyếch đại Thuậttoán Error Amp sao cho nếu điện áp ra trên tải càng tăng lên thì điện áp ra của Mạch Khuyếch đạiError Amp sẽ càng giảm khiến cho Transistor NPN ghép trực tiếp với Error Amp sẽ càng giảmdòng điện qua nó vì thế kéo theo làm giảm Cường độ dòng điện qua Transistor PNP cung cấp dòngcho cặp Darlington Q1 vì thế dòng điện qua Q1 cũng sẽ giảm theo khiến cho điện áp ra trên tải RL sẽgiảm theo vì điện áp này là tích số của I1 qua Q1 với trở kháng của tảo RL

Mạch bên đây còn được gọi là Mạch Nguồn Tích cực vì có Khuyếch đại Sai số Điện áp phảnhồi nhằm tạo độ chính xác cao hơn

Nguồn tuyến tính tích hợp

Ngày nay, người ta đã chế tạo ra những IC Nguồn tuyến tính tích hợp chuyên dụng rất đơn giản mà sử dụng rất thuận tiện cũng như với độ chính xác - ổn định rất cao

Họ IC Ổn áp 78xx là loại IC có 3 chân với chức năng của từng chân như sau:

Chân 1: Nguồn vào cung cấp cho IC;

Chân 2: Cực âm chung cho cả nguồn vào và ra;

Chân 3: Điện áp ra đã được ổn định cấp cho tải.

Mạch ổn định tích hợp đơn giản nhất là sử dụng một IC 7805 như hình bên đây: Nếu điện áp

vào lớn hơn 5V (và giả sử R2 = 0) thì Điện áp ra luôn được giữ ở mức không đổi đúng bằng 5V.

Nếu cần có điện áp ra lớn hơn 5V thì có thể tạo mạch phân áp R1R2 để có thể nâng điện áp

ra theo tỷ lệ dưới đây:

VOut = 5V.R2/R1

Tức là nếu R2 càng lớn hoặc R1 càng nhỏ thì điện áp ra sẽ càng lớn Tuy nhiên, nếu tỷ lệ

R2/R1càng lớn quá thì độ ổn định của điện áp ra sẽ càng kém

Chú ý: Ưu điểm của loại Nguồn Tuyến tính là rất đơn giản về mặt cấu tạo và lắp ráp mạch

nhưng nhược điểm là nó phải gánh toàn bộ ‘điện áp dư’ sao cho thỏa mãn hệ thức dưới đây:

VOut = VIn – VS

Trong đó: Vs được gọi là điện áp dư mà bộ nguồn tuyến tính phải gánh

Vì thế, Nguồn Tuyến tính có hai nhược điểm lớn là vừa phải gánh toàn bộ điện áp dư củaNguồn cung cấp VIn tạo ra nên nếu điện áp dư càng lớn thì hiệu suất nguồn càng thấp và chính thế

nếu điện áp dư càng lớn thì Bộ nguồn Tuyến tính sẽ phải tỏa nhiệt càng nhiều tức là sẽ rất nóng và

dễ bị cháy hỏng nếu vượt quá nhiệt độ chịu đựng cho phép của các linh kiện

Mạch nguồn dưới đây sử dụng một biến áp ra có 2 nửa cuộn thứ cấp được cuốn đối xứng đểtạo ra hai điện áp xung đối sao cho sau khi được chỉnh lưu sẽ tạo ra 2 nguồn âm và dương đối xứngnhau là ± 24V Sau đó, đường nguồn dương sẽ được ổn định bằng IC ổn áp 7815 để tạo ra + 15V vàđường nguồn âm sẽ được ổn áp bằng 7915 để tạo ra điện áp – 15V

Bên cạnh đây là hình dạng bên ngoài và thứ tự cùng chắc năng của các chân IC Ổn áp thuộc họ

78xx (từ 7805 đến 7824…): Học 78xx về mặt lý thuyết có thể cho phép cung cấp được dòng tải tối

đa là 1,5A nhưng trên thực tế các loại 78xx được bán phổ biến trên Thị trường hiện nay chỉ chophép cịu tải tối đa 0,5A

Điện áp vào tối đa cho phép không vượt quá 40V

Trên thực tế, để đảm bảo được hiệu suất nguồn cao nhất, nên chọn điện áp tối đa không vượtquá 2 lần giá trị điện áp ra Ví dụ, điện áp ra cho tải yêu cầu là 5V thì điện áp vào được xác địnhbiến thiên trong khoảng 7V đến 10V là có thể đảm bảo khả năng ổn định tốt nhất và hiệu quả nguồn

cao nhất (trong trường hợp điện áp tải yêu càu là 24V thì điện áp vào tối đa không thể vượt quá

40V).

Dưới đây là hình dạng bên ngoài và thứ tự chân cùng chức năng các chan IC Ổn áp thuộc họ

IC Ổn áp 79xx (Ổn áp từ 5V đến 24) cho thấy chỉ khác nhau về thứ tự chân, các yêu cầu kỹ thuật

khác đều tương tự như đối với 78xx

Như vậy, để tạo ra một Hệ thống nguồn 2 cực tính đối xứng thì chỉ cần lắp một cặp 78xx và79xx có cùng điện áp ra như mạch trên đây là được

IC Ổn áp LM 317 là loại IC có 3 chân cũng gần giống như họ Ổn áp 78xx hoặc 79xx Tuy nhiên, giữa chúng có nhiều đặc tính kỹ thuật khác nhau Chức năng của các chân được mô tả dưới đây:

Chân 1: Chân hồi tiếp để điều chỉnh điện áp ra;

Chân 2: Điện áp ra đã được giữ ổn định để cấp cho tải;

Chân 3: Điện áp vào cung cấp cho mạch hoạt động.

• Mạch nguồn có điện áp ra giữ cố định (mạch trên đây)

Mạch nguồn trên đây hoạt động theo nguyên lý đơn giản như sau: Nếu R1 được giữ với giátrị cố định là 100Ω và R2 càng lớn thì điện áp phản hồi từ đường ra (cấp cho tải) thông qua mạch

phân áp được tạo bởi R1R2 sẽ càng lớn tức là hiệu số điện áp so sánh được tạo bởi hệ thức dưới đây:

Bảng tra các tham số được giới thiệu nói trên cho thấy rằng nếu giữ nguyên R1 mà thay đổi R2thì

điện áp ra (Out) sẽ thay đổi theo một cách tương ứng.

• Mạch nguồn điều chỉnh được điện áp ra

Mạch dưới đây mô tả một cách đơn giản rằng thay vì thay đổi giá trị của R2, hoàn toàn cóthể giữ nguyên giá trị của R1 nhưng R2 có thể thay bằng một biến trở để có thể điều chỉnh được điện

áp ra trong khoảng từ 1,5V đến 22V (Điện áp vào tối đa là 24V xoay chiều được chỉnh lưu thành

dòng một chiều có thể biến thiên trong khoảng từ 24 đến 35VDC).

Chú ý: Như đã mô tả đối vơi Họ IC 78xx hoặc 79xx thì với một IC 78xx hoặc 79xx bất kỳ

nếu tạo ra một mạch phân áp R1R2 để phản hồi điện áp ra về chân GND của IC Ổn áp thì cũng cóthể làm thay đổi được điện áp ra giống như đối với LM317 hoặc LM337

Tuy nhiên vì Họ IC 78xx và 79xx đã được chế tạo thành các loại có giá trị điện áp ra địnhmức theo những yêu cầu cụ thể là 5V, 9V, 12V, 18V và 24V rất thông dụng và phổ biến nên việc sửdụng các IC 78xx hoặc 79xx cho các mạch ổn áp có thể thay đổi được điện áp ra là việc không cầnthiết và không hiệu quả

§ Nguồn lưỡng cực âm – dương giữ ổn định

Để có thể tạo ra được một Bộ nguồn hai cực tính âm và dương hoàn toàn có thể thực hiện

được nhờ hai IC LM 317 và LM337 (LM337 và LM317 hoạt động đối nghịch nhau tương tự như

78xx và 79xx) như hình bên đây:

Trong đó, các biến trở VR1 và VR2 được sử dụng để điều chỉnh độc lập cho từng điện áp rasao cho có thể đạt được +5V ở đường nguồn ra dương và – 5V ở đường nguồn ra âm.

Mạch Nguồn Lưỡng cực điều chỉnh được điện áp ra

Hoàn toàn có thể tạo ra một mạch nguồn hai cực tính âm và dương có điện áp ra điều chỉnhđược bằng cách sử dụng Chiết áp kép VR1A và VR1B là loại Chiết áp đồng chỉnh có thể điều chỉnhđược đồng thời cả VR1A và VR1B khi vặn núm của chiết áp để có thể thay đổi đồng thời giá trị điện

áp phản hồi của cả 2 đường nguồn ra thì khi đó cả 2 đường nguồn ra sẽ cùng thay đổi giá trị điện ápnhư yêu cầu

Chú ý: cả hai loại IC LM337 và LM317 đều có 3 chân nhưng chỉ có chân phản hồi Adj là

cùng chung chân 1 Điện áp ra của LM337 là chân 3 (trong lúc đó điện áp ra của LM317 là chân 2

– theo sơ đồ trên cũng đã chỉ rõ thứ tự các chân của các IC tương ứng) và ngược lại điện áp vào

của LM337 là chân 2 (điện áp vào của LM317 là chân 3) giống nhau.

Bởi vì LM317 và LM337 chỉ có thể cho phép tạo ra một Cường độ dòng điện cung cấp cho tải tối

đa là 1,5A nên để có thể tạo ra được một Cường độ dòng điện tải lớn thì cần phải phối hợp với nhiều Transistor với chân ra của LM317 Hình trên đây cho thấy rằng cần phải có một biến áp tạo một đường nguồn 10VDC để nuôi IC LM317 và một đường nguồn 12VAC đưwợc chỉnh lưu với khả năng cung được một Cường độ dòng điện rất lớn để cấp cho tải thông qua các Transistor

2N3055 (hoặc 2SC2335 hoặc 2SC1061 tức là H1061…)được mắc song song với nhau để tăng

cường độ dòng tải

Transitor 2N3904 được sử dụng để tạo ra cường độ dòng điện phản hồi đủ mức để cho IC

LM317 có thể so sánh được (có thể thay Transistor này bằng 2SC458 hoặc 2SC828 rất thông dụng

trên Thị trường).

Chân B của các Transistor Công suất 2N3055 sẽ được đấu chung với nhau và được đấu vào

chân cấp điện áp ra (Chân số 2) của LM317 để tạo ra điện áp ổn định cho tải thông qua chân E của

các Transistor cũng được nối chung với nhau… nhờ vậy có thể tạo ra Cường độ dòng điện cung cấpcho tải lên tới 5A hoặc lớn hơn nếu lắp nhiều Transistor Công suất song song với nhau

 Nguồn dòng ổn áp DC song song

Trong thực tế có rất nhiều nguyên nhân gây nên sự bất ổn định của điện áp cung cấp Vì thế, để cóthể có được một hệ thống thiết bị bất kỳ hoạt động tốt, đáp ứng được mọi điều kiện làm việc thìkhông chỉ cấu trúc thiết kế của thiết bị phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật mà nhất thiết cần phảithiết kế được một khối cung cấp nguồn điện áp một cách cực kỳ ổn định Với lý do đó, Giáo trình

Kỹ thuật Nguồn có nhiệm vụ phân tích kỹ cấu trúc hệ thống khối, nguyên lý hoạt động cũng như tất

cả các phương pháp tính toán và thiết kế cho các khối ổn áp nguồn cung cấp

1 Nguồn dòng song song

1.1.a Nguyên lý

Mạch ổn định điện áp theo nguyên lý nguồn dòng song song là một hệ thống cấu trúc hiệu chỉnh

hiệu điện thế (điện áp) và cường độ dòng điện (dòng) theo nguyên lý mạch hoạt động song songvới tải sử dụng

Nguyên lý cơ bản của mạch nguồn này được mô tả đơn giản hoá bởi hình bên

Giả sử rằng, R2 là tải sử dụng với yêu cầu điện áp cung cấp cho phép là VCC Ouput (VOut ) trong khi

điện áp cung cấp là VCCInput (VIn ) luôn có thể lớn hơn hoặc bằng điện áp yêu cầu của tải.

Để có thể làm ổn định điện áp cung cấp cho tải R2, ta cần thực hiện ổn định điện áp cho tải R2 thôngqua một điện trở ghánh R1 và một bộ điều chỉnh dòng điện rẽ nhánh R3 và còn được gọi là phần tửtác động hiệu chỉnh điện áp song song

Ta thấy rằng, toàn bộ mạch điện trở thành một mạch phức hợp bao gồm R23 được tạo bởi R2 và

R3ghép song song nhau nên:

VIn thay đổi hoặc do tải R2 bị thay đổi thì R3 phải thay đổi sao cho sụt áp trên điện trở ghánh R1 là

VS cũng phải thay đổi theo và được xác định bởi:

V S = V In – V Out (4)

Nếu gọi I là cường độ dòng điện đi qua trong toàn mạch chính thì sụt áp trên điện trở ghánh R1đượcxác định bởi:

V S = I.R 1 (5)

Ta thấy rằng, biểu thức này chứng minh cho điều đã lý luận nói trên là để có thể làm ổn định điện

áp ra do sự thay đổi của tải R2 hoặc do sự thay đổi của nguồn cung cấp thì cần phải thay đổi giá trịsụt áp trên ghánh R1 sao cho hệ thức (4) luôn xác định được giá trị không đổi của điện áp ra VOut.Tức là cần làm thay đổi giá trị của R3 sao cho dòng điện qua mạch chính là I thay đổi theo để có thểtạo ra sụt áp trên ghánh R1 nhằm làm cho giá trị của VOut luôn không đổi

Để làm được điều này thì ngoài việc làm thay đổi giá trị của điện trở hiệu chỉnh điện áp R3 và thôngqua các hệ thức nói trên thì cần phải có các điều kiện dưới đây:

Điện áp cung cấp có thể biến thiên trong một khoảng cho phép sao cho giá trị tối thiểu của

VIn không nhỏ hơn giá trị điện áp ra cần được cung cấp VOut

Công suất làm việc cho phép của điện trở ghánh luôn phải lớn hơn công suất tổn thất tối đa củanguồn cung cấp trên nó Công suất tổn thất tối đa trên điện trở ghánh R1 được xác định bởi:

P S = (I Max ) 2 R 1 (6)

Trong đó, IMax: Cường độ dòng điện qua toàn mạch cực đại (tức là qua R1 ).

Từ các hệ thức nói trên cho thấy rằng nếu sự thay đổi của điện áp cung cấp càng rộng hoặc

sự thay đổi của cường độ dòng điện của tải R2 càng lớn thì tổn thất trên điện trở ghánh càng lớn

· Cũng từ các hệ thức nói trên, ta dễ chứng minh được rằng để độ ổn định của điện áp ra càng caokhi tải tiêu thụ có độ biến thiên lớn hoặc do dải điện áp cung cấp càng rộng thì biến đổi của điện trởhiệu chỉnh R3 cũng phải thay đổi được rất rộng

· Vì các lý do nói trên nên hiệu suất của mạch hiệu chỉnh ổn định điện áp theo nguyên lý nàythường không cao hoặc là khoảng ổn định cho phép của điện áp ra theo sự tiêu thụ của tải hoặc do

sự biến thiên của điện áp cung cấp thường rất hẹp

1.1.b Mạch căn bản

Theo nguyên lý căn bản nói trên, mạch ổn định điện áp đơn giản nhất làm việc theo nguyên

lý nguồn dòng song song là một mạch bao gồm điện trở ghánh R1 và một diode Zener như hình bên:

Theo hình bên, ta thấy rằng hai phần tử quan trọng nhất của mạch ổn định điện áp theonguyên lý nguồn dòng song song là R1 và diode Zener D1 Trong đó, R1 được gọi là điện trở ghánh

và Zener D1 được gọi là phần tử tác động hiệu chỉnh điện áp song song đối với tải ở mạch ngoài (tạilối ra của điện áp cung cấp VSupply)

Mạch này hoạt động chủ yếu dựa trên khả năng tự động thay đổi trở kháng nội tại của diodeZener D1

Diode Zener là một loại linh kiện bán dẫn có khả năng tự giảm nội kháng (do một hiện tượngvật lý được gọi là hiệu ứng Zener) khi điện áp ngược đặt trên Anode và Cathode của diode Zenervượt quá điện áp làm việc cho phép của nó gây nên hiện tượng đánh thủng tiếp giáp và làm chocường độ dòng điện qua nó càng lớn hơn sao cho nó có thể gây nên sự sụt áp trên điện trở ghánh

R1 càng tăng lên để điện áp đặt trên diode Zener luôn được giữ bởi một giá trị không đổi

Ta có thể tham khảo đáp tuyến điện áp trên diode Zener khi điện áp vào tăng lên theo hìnhminh họa bên:

Giả sử, chúng ta có một nguồn điện một chiều có điện áp cung cấp biến thiên và tăng dần đều

và ta hãy xét cho hai trường hợp là trong mạch chỉ gồm các điện trở thuần túy (được gọi là thuần

trở) và trường hợp thứ hai là có sử dụng diode Zener theo mạch ở hình trên.

Trong trường hợp thứ nhất, đối với mạch điện chỉ các thuần trở thì ta dễ dàng có thể chứngminh được rằng, điện áp trên bất kỳ một điện trở nào của mạch khi điện áp cung cấp của nguồn tănglên cũng sẽ tăng lên theo đúng cùng một tỷ lệ Có nghĩa rằng đáp tuyến điện áp trên các điện trởcũng như đối với chính bản thân nguồn cung cấp sẽ có cùng một độ dốc đặc tuyến như nhau

Trong trường hợp thứ hai là trường hợp sử dụng diode Zener thì điện áp trên diode Zener ban

đầu cũng sẽ tăng lên gần như theo đúng cùng một tỷ lệ tăng của điện áp cung cấp của nguồn (đặc

tuyến điện áp có cùng độ dốc như độ dốc của nguồn cung cấp) nhưng khi bắt đầu đạt đến giới hạn

điện áp UZ (được gọi là điện áp làm việc danh định hay còn được gọi là điện áp ổn định của Zener

– mỗi một Zener tùy theo yêu cầu mà sẽ có một điện áp U Z khác nhau, ví dụ, Zener 6V sẽ có diện áp

U z = 6V và Zener 12V sẽ có U z = 12V ) thì độ dốc của đặc tuyến điện áp sẽ bắt đầu bị giảm xuống.

Và đặc biệt là khi vượt qua giá trị UZ thì độ dốc của đặc tuyến điện áp bị suy giảm tới mức tối thiểulàm cho điện áp giáng trên diode Zener hầu như không tăng lên cho đến khi cường độ dòng điện

chạy qua Zener quá lớn (vì khi điện áp cung cấp càng lớn thì Zener sẽ càng giảm trở kháng làm cho

cường độ dòng điện qua nó tăng lên càng cao) mà sẽ kéo theo công suất gây ra trên Zener cũng

tăng lên tới mức có thể làm hỏng Zener được gọi là hiệu ứng đánh thủng thì khi nó khả năng hồi

phục của Zener sẽ không còn nữa (Zener sẽ bị hỏng nếu cường độ dòng điện qua nó vượt quá giá

trị cho phép).

Mạch theo nguyên lý nói trên được gọi là mạch ổn áp kiểu nguồn dòng song song vì lúc nàyphần tử tác động hiệu chỉnh điện áp là diode Zener làm việc song song với tải

Ưu điểm của mạch ổn định điện áp theo nguyên lý nguồn dòng song song như mô tả nói trên

là đơn giản, dễ thực hiện, hầu như không phải tính toán phức tạp nhưng một nhược điểm rất lớn làhiệu suất cung cấp của nguồn không cao và công suất cung cấp của mạch không lớn

Bởi vì vậy, hiện nay, trên thị trường cung cấp linh kiện cũng như các nhà sản xuất linh kiện khôngbao giờ sản xuất ra các diode Zener có công suất lớn mà thông thường các diode Zener thường chỉ

có công suất rất nhỏ chỉ vào khoảng vài chục mW cho đến hơn một trăm mW

 Xác định dòng Nguồn dòng song song

Các diode Zener thông dụng thường có vỏ bằng thuỷ tinh và có các kích thước linh kiện có đườngkính chỉ vào khoảng 1,2mm ¸ 1, 5mm và chiều dài của diode vào khoảng 8 ¸ 12mm chỉ cho phéplàm việc với công suất tối đa là 150mW Và một loại có vỏ thuỷ tinh có cùng đường kính nhưng cóchiều dài ngắn hơn (chỉ vào khoảng 5 ¸ 7mm) thì chỉ cho phép làm việc với công suất tối đa là80mW

Khi đó, cường độ dòng điện tối đa IZ Max mà Zener có thể làm việc được xác định bởi:

I Z Max = p Z Max /V Reg (7)

Trong đó VReg được gọi là là điện áp ổn định của Zener (hay còn gọi là UZ ), PZ Max: Công suất làmviệc cực dại cho phép của Zener

Căn cứ vào công suất tối đa cho phép của diode Zener mà có thể xác định được cường độ dòng điệncần phải làm việc của Zener trong mạch theo các hệ thức đơn giản dưới đây:

Vì diode Zener được mắc song song với tải sử dụng R2 nên cường độ dòng điện do nguồn cung cấpđược tạo bởi điện áp VCC sẽ tạo thành hai dòng điện mạch rẽ gồm một dòng cung cấp cho tải R2 là

IR2 và một dòng chạy qua diode Zener là IZ Vì thế, nếu hoặc là tải giảm dòng tiêu thụ hoặc là nguồncung cấp tăng điện áp thì cường độ dòng điện IZ qua Zener tăng lên

Do đó, cường độ dòng điện tối đa chạy qua diode Zener được xác định bởi cả hai điều kiện là điện

áp vào VCC cực đại và cường độ dòng điện tiêu thụ của tải đạt tới cực tiểu (hoặc phải tính đến cảtrường hợp đầu ra không tải) thì lúc bấy giờ cường độ dòng điện qua Zener là lớn nhất

Để quả và hiệu suất ổn định điện áp nguồn đạt giá trị cao nhất thì dòng tải tối đa Ia Max có thểđạt được không thể lớn hơn 1/2 dòng tối đa có thể qua diode Zener là IZ Max, tức là:

I a Max <= I Z Max /2 (8)

Ta cần phải chứng minh điều này theo các hệ thức dưới đây

Nếu xác định trong trường hợp điện áp cung cấp tăng đến giá trị cực đại thì cường độ dòng điện cực

đại khi qua mạch chính (qua điện trở R1 ) sẽ là:

I Max = (V In Max – V Reg )/R 1 (9)

Trong đó, VIn Max: Điện áp cung cấp cực đại, VReg: Điện áp cần được ổn định cáp cho tải, R1:Giá trị của điện trở ghánh.

Theo nguyên lý mạch song song thì ta sẽ xác định được:

I = I R1 = I Z + I a (10)

Với IZ : Cường độ dòng điện qua Zener D1, Ia: Dòng mà tải có thể tiêu thụ

Nếu đầu ra tải R2 xác định một cường độ dòng điện tiêu thụ cực tiểu là Ia min thì cường độ dòng điện

mà Zener cần phải rẽ mạch để ổn định điện áp cho tải là:

I Z = I R1 Max = I Z Max (V In Max & I a min ) (12) Chú ý: Ký hiệu (½)đằng sau I® Max không phải là ký hiệu của phép chia mà là để biểu thị rằng IZ đạtcực đại bằng giá trị IZ Max với điều kiện là VIn Max và Ia min

Như trên đã trình bày, cường độ dòng rẽ cực đại qua Zener không thể lớn hơn cường độ dòng điệnlàm việc tối đa cho phép của Zener là IZ Max được xác định bởi hệ thức (7)

Và vì Zener được ghép song song với tải nên ta có thể chứng minh được rằng để tải luôn được giữ

ổn định điện áp thì cường độ dòng điện tối đa qua tải IR2 Max (còn được gọi là dòng Ia Max) không vượtquá cường độ dòng điện cực đại cho phép của Zener IZ Max

Mà vì, theo hệ thức (10) thì cường độ dòng điện mạch chính qua R1 bằng tổng cường độ dòng tải vàdòng qua Zener nên nếu hệ thức (11) xác định dòng tối đa qua Zener trong trạng thái mạch khôngtải thì khi tải đạt giá trị tối đa ta có thể xác định được:

I Max = I R1 Max = I Z + I a Max = I Z Max V In Max (13)

Tức là, tại thời điểm điện áp cung cấp cực đại và tải cũng đạt giá trị cực đại thì dòng quaZener sẽ phải bị giảm đi

Mặt khác, Ia Max (tức là dòng IR2 Max ) cũng cần phải được xác định sao cho khi điện áp vào cực tiểu

thì IZ phải đạt cực tiểu sao cho điện áp ra trên tải cũng không đổi, tức là:

I R1 = I Z min + I a Max VIn min (14)

Để hiệu suất nguồn đạt giá trị cao nhất, ta cần phải xác định giá trị điện áp vào cực tiểu sao chodòng qua Zener đúng bằng cường độ dòng điện rò đi qua nó, trên thực tế vì dòng rò qua diode

Zener cực nhỏ (vào khoảng vài mA) nên có thể bỏ qua và xem như bằng 0 Nên ta có thể viết lại hệthức trên:

I R1 = I a Max VIn min (14b)

Từ đó, để có thể thỏa mãn đồng thời các điều kiện của cả các hệ thức (12), (13) và (14b ta có thểxác định được cường độ cực đại của dòng mạch chính mà nguồn cần phải cung cấp bởi hệ thức dướiđây:

I Max = I R1 Max = I R2 Max + I Z = 2I R2 Max = I Z Max (15)

Để hiểu rõ thêm phần chứng minh này, cần theo dõi thêm các phần trình bày dưới đây Đây chính làđiều kiện cần và đủ để mạch nguồn thỏa mãn cả hai điều kiện là hiệu quả ổn định điện và hiệu suất

cao nhất (để độ ổn định càng cao thì hiệu suất nguồn càng giảm và ngược lại).

 Xác định điện áp cung cấp cực đại

Theo hệ thức (9) của 'Xác định dòng Nguồn dòng song song' , điện áp cung cấp cực đại của nguồnđược xác định nhờ sự biến đổi của hệ thức (9) nói trên thành hệ thức dưới đây:

V In Max = V Reg + I Max R 1

Trong đó, IMax là cường độ dòng điện cực đại cho phép có thể qua mạch (tức là dòng qua

R 1 ) và được xác định bởi hệ thức (15):

I Max = I Z Max = 2I R2 Max

Với IZ Max: Cường độ dòng điện qua diode Zener cực đại, IR2 Max: Cường độ dòng tải cực

đại (qua R2 ), còn được gọi là dòng Ia Max Và theo hệ thức (10) ta có thể suy diễn:

V In Max = V Reg + I Z Max R 1 = V Reg + 2I R2 Max

Với VReg = UZ: Điện áp được giữ chuẩn của Zener

 Xác định công suất tổn thất cực đại

Công suất tổn thất cực đại thực chất có hai thành phần gồm một phần tổn thất trên diodeZener và một phần tổn thất trên điện trở ghánh R1

Như vậy, công suất tổn thất cực đại trên diode Zener được xác định bởi:

P Z Max = V Reg I Z Max

Và công suất tổn thất cực đại trên điện trở ghánh R1 được xác định bởi:

P S Max = U S I Max

Trong đó, US: Sụt áp trên điện trở ghánh R1, IMax: Cường độ cực đại của dòng điện qua mạchchính hay còn gọi là tổng cường độ dòng điện cung cấp của nguồn (được xác định trên R1)

Để có thể đạt được hiệu suất cao nhất cho mạch nguồn cung cấp, ta cần phải xác định trị sốcủa điện trở ghánh R1 sao cho tổn thất cực đại trên R1 đúng bằng tổn thất cực đại có thể đạt đượctrên diode Zener.

Như vậy, ta sẽ xác định được giá trị cực đại của điện trở R1 qua hệ thức:

P S Max = P Z Max  R 1 = P Z Max /(2I a Max ) 2 = P Z Max /(I Z Max ) 2

Do đó, công suất chịu đựng cho phép của điện trở R1 cũng được xác định bởi công suất tổn

thất nói trên (thông thường cần phải chọn các điện trở đóng vai trò của điện trở ghánh R1 có công suất lớn hơn công suất tổn thất nói trên để đảm bảo tuổi thọ làm việc của nó trong mạch điện).

Xác định điện áp vào cực tiểu

Để điện áp cung cấp cho tải luôn được giữ ổn định thì ngoài việc xác định điện áp cung cấptối đa, cần phải xác định mức cung cấp cực tiểu có thể cho phép của điện áp nguồn

Để có thể xác định được điều này, ta cần phải nắm bắt thêm một đặc tính vật lý của diode

Zener là khi điện áp trên tải (và cũng là điện áp đặt trên cathode của Zener hay nói đúng hơn là

hiệu điện thế trên Zener) có giá trị dưới ngưỡng làm việc UZ của Zener thì dòng qua Zener coi nhưgần bằng 0 và có thể bỏ qua dòng này Vì thế, cường độ dòng điện mạch chính qua toàn mạch lúcnày gần như đúng bằng dòng qua tải R2

Để đảm bảo cho tải có thể làm việc bình thường thì cường độ dòng điện qua mạch phải đápứng trong khoảng yêu cầu từ mức tối thiểu cho tới tối đa của tải

Ta dễ chứng minh rằng, khi tải tiêu thụ tới mức tối thiểu thì điện áp trên tải sẽ tăng lên nênZener sẽ bị quá ngưỡng làm việc và ngay lập tức nó sẽ tự giảm kháng trở để cho dòng qua nó tănglên và nhờ đó sẽ làm cho điện áp trên tải được giữ ổn định Trong trường hợp, tải tiêu thụ tối đa vàđiện áp cực tiểu thì dòng qua Zener phải bị triệt tiêu để điện áp ra trên tải không bị suy giảm: Nênkhi đó, điện áp vào cực tiểu cho phép được xác định bởi hệ thức dưới đây:

V In min = V Reg + I R2 Max R 1 = V Reg + I Z Max R 1

Như vậy, theo các hệ thức nói trên, cần phải xác định khoảng làm việc cho phép của điện áp

vào và khả năng (công suất) chịu đựng cho phép của các linh kiện trong mạch sao cho đảm bảo các

chế độ làm việc ổn định cũng như tuổi thọ cao

Trên đây là những công thức được rút ra trên cả phương diện thực nghiệm cũng như có thểđược chứng minh cả trên phương diện lý thuyết, đó là những công thức cơ bản và quan trọng nhất

mà những phần sau đều phải kế thừa

 Mạch ổn định điện áp bù dòng song song

Mạch ổn định điện áp với nguyên lý và cấu trúc như hình nói trên chỉ cho phép đáp ứng được một công suất cực nhỏ chỉ từ vài chục đến vài trăm mW cho các tải nhỏ do công suất làm việc cho phép của diode Zener bị hạn chế cũng như hiệu suất nguồn rất thấp.

Vì vậy, mạch ổn định điện áp theo nguyên lý nguồn dòng song song chỉ được sử dụng để tạođiện áp chuẩn hoặc để kích thích cho các mạch ổn áp theo nguyên lý khác làm việc

Một trong những ứng ứng của nguồn dòng song song là tạo ra mạch ổn áp theo nguyên

lý bù dòng song song để có thể làm ổn định được điện áp cung cấp cho các tải có công suất tiêu thụ

có thể lên tới vài Watt:

Theo hình dưới đây, ta thấy rằng mạch ổn định điện áp được bổ sung bởi một transistor

Q1 để có nhiệm vụ tạo nên một dòng bù lớn hơn so với dòng rẽ cho phép của diode Zener D1

Thật vậy, khi điện áp cung cấp cho tải R là VSupply lớn hơn điện áp VZ của diode Zener thì một dòng

rẽ sẽ chạy qua Zener và gây sụt áp trên R2 để tạo nên một điện áp phân cực cho transistor Q1 làmviệc

Trong mạch này, transistor Q1 và diode Zener hợp thành một bộ khuyếch đại cho dòng điệncủa Zener nên mạch này cũng chỉ có vai trò và nguyên lý hoạt động tương tự như nguồn dòng song

song(chỉ khác là cho phép làm việc được với công suất lớn hơn vì nó cho cho phép dòng qua Q1

lớn hơn so với dòng qua Zener rất nhiều lần).

Trên cơ sở đó, mọi tính toán cho mạch đều tương tự như đã áp dụng cho mạch ổn áp kiểunguồn dòng song song nói trên, chỉ cần bổ sung thêm phần tính toán và lý giải nguyên tắc hoạt độngcủa transistor Q1:

Nếu điện áp ra càng lớn thì sụt áp trên R2 cũng sẽ càng lớn và làm cho transistor Q1 sẽ càngtạo nên một cường độ dòng điện chạy qua các tiếp giáp C – E của nó càng lớn và được gọi là IQ1

Nhờ có dòng điện này mà điện áp ra sẽ được giữ ổn dịnh với công suất cung cấp khá lớn vìcường độ dòng điện IQ1 thông thường sẽ lớn hơn cường độ làm việc tối đa của Zener rất nhiều (nếu

chọn transistor có công suất làm việc càng lớn).

Thực chất, IQ1 có 2 thành phần bởi vì nó được tạo bởi cường độ dòng điện IC và dòng điện

IE và được xác định bởi các hệ thức sau đây:

I B = V R2 /r e

Trong đó, re: Trở kháng vào của transistor tạo bởi cặp tiếp giáp B – E; VR2: Điện áp sụt trên

R2 do dòng qua Zener D1 gây ra:

V R2 = V Supply – V Z

Với VZ: Điện áp làm việc của Zener hay còn còn gọi là giá trị điện áp được giữ ổn định củaZener.

Khi đó, cường độ dòng điện IC được xác định bởi:

I C = b.I B

Trong đó, b: Hệ số khuyếch đại cường độ dòng điện của transistor (được xác định bằng

cách tra bảng thông số khuyếch đại của transistor).

I E = I B + I C = (b + 1).I B

Đối với các mạch nguồn theo nguyên lý này, các công thức tính toán cần thiết cho việc thiết

kế nguồn được trình bày theo dưới đây:

Dễ thấy rằng, cường độ dòng điện qua Zener D1 là IZ đúng bằng tổng cường độ dòng điệnqua R2 và qua Base của Q1 nên:

I Z = I R2 + I E

Kế thừa nguyên lý nguồn dòng song song cho phần hiệu quả và hiệu suất ổn định cực

đại (theo hệ thức 15), ta có thể xác định được cường độ dòng điện mà mạch bù dòng song song

được tạo bởi Q1, Zener D1 và R2 là Ia Max có thể được xác định bởi:

I a Max = (I Z Max + I C Max )/2

Với IZ Max được xác định bởi:

I Z Max = I B Max + I R2 Max

Trên thực tế, cường độ dòng điện qua điện trở R2 là IR2 có thể được bỏ qua và ta có thể rútgọn các hệ thức nói trên dưới dạng sau đây:

I Z Max » I B Max Þ I C Max » b.I Z Max

Þ I a Max » (I Z Max + I C Max)/2 » (b + 1).IZ Max/2Như vậy, đối với mạch ổn áp theo nguyên lý bù dòng song song, cường độ dòng rẽ giúp chotải ổn định điện áp lớn hơn rất nhiều so với khả năng làm việc của Zener Tóm lại, ta cần phải chốtlại những thông số cơ bản của mạch ổn áp bù dòng song song dưới đây

Xác định giá trị điện áp cần cung cấp

Điện áp cung cấp cho tải cần được ổn định là VSupply:

V Supply  V Z + V BE (10)

Trong đó, VZ: Điện áp ổn định của Zener được xác định bởi bảng tra linh kiện đối với Zener(ví dụ Zener 12V thì điện áp ổn định của nó là 12V) VBE: Điện áp phân cực cho tiếp giáp B – E củatransistor Q1, thông thường được tính xấp xỉ là 0,6 ¸ 0, 7V đối với các transistor được chế tạo bằngSillicone và 0,2 ¸ 0, 3V đối với các transistor Germanie

Đối với cường độ dòng điện cực đại rẽ qua transistor cũng được tính hoàn toàn tương tự nhưđối với Zener thông qua hệ thức (9) tuy nhiên chỉ khác là cường độ dòng điện rẽ cực đại màtransistor thường có thể cho phép lớn hơn rất nhiều lần so với của Zener (có thể lên tới vài ampe)

 Xác định công suất làm việc của transistor

Công suất làm việc tối đa mà transistor phải ghánh khi đạt tới cường độ dòng điện rẽ cực đạiđược xác định bởi:

P Max Q1 = I C Max V Supply (11)

Trong dó, IC Max: Là cường độ dòng rẽ cực đại qua transistor Q1 VSupply: Điện áp ổn định củamạch điện cần cấp cho tải

Cường độ dòng điện cực đại qua transistor Q1 là IC Max chính là dòng qua cực collector của

nó là IC và dòng này được xác định bởi trạng thái không tải của đầu ra:

I C Max = I E Max – I B Max (11b)

Mà ta biết rằng (theo phần trên đã lý luận):

I a Max = (I C Max + I Z Max )/2

Với Ia Max là dòng tải cực đại có thể đạt được, và ta hoàn toàn có thể chứng minh được rằng:

I Z Max  I C Max / (11.c)

Trong đó, b: Hệ số khuyếch đại cường độ dòng điện của transistor Q1

Vì hệ số b cực lớn (vào khoảng vài chục đến vài trăm lần) nên có thể bỏ qua giá trị IZ Max, hệthức (11) có thể được viết dưới dạng gần đúng như sau:

P Max Q1 = I C Max V Supply  2I a Max V Supply (11d)

Khi đó, cần phải chọn transitor có công suất cho phép làm việc tối đa lớn hơn so với côngsuất PMax Q1 nói trên (đối với các linh kiện bán dẫn nếu không được làm nguội tốt, không có các cánhtản nhiệt thì công suất làm việc cực đại không được vượt quá 1/10 công suất cho phép tối đa đượcxác định bởi bảng tra cứu linh kiện Nếu được làm nguội tốt thì cũng không được vượt quá 1/3 côngsuất tối đa cho phép của linh kiện) và cường độ dòng điện tối đa cho phép của transistor phải tốithiểu lớn gấp 3 lần so với cường độ dòng rẽ cực đại qua nó và với cường độ dòng điện làm việc chophép tối thiểu phải lớn gấp 3 lần so với giá trị cường độ dòng điện được xác định bởi hệ thức (11.d)nói trên

Xác định các thông số làm việc của điện trở ghánh R 1

Các giá trị và các thông số kỹ thuật liên quan điện trở R 1 hoàn toàn được xác định tương tự như trong trường hợp nguồn dòng song song Tuy nhiên, vì trường hợp này cho phép dòng tải lớn hơn nhiều lần (lớn hơn b lần, lớn hơn hệ số khuyếch đại cường độ dòng điện của transistor) nên công suất của R 1 cũng sẽ phải lớn hơn đúng bấy nhiêu lần.

Cũng như, để vừa đáp ứng hiệu quả ổn định cao và hiệu suất nguồn lớn thì công suất tổn thấtcực đại trên R1 như đã được trình bày trong nguyên lý nguồn dòng song song là đúng bằng côngsuất tổn thất cực đại trên transistor Q1

Xác định các thông số của diode Zener

Theo hệ thức T (10), điện áp ra VSupply phụ thuộc vào giá trị VReg của diode Zener và điện áp

VBE của transistor Q1 nên khi điện áp cung cấp cho tải đã được xác định với một giá trị VSupply thìcần chọn diode Zener có diện áp làm việc là:

V Z = V Supply – V BE (14)

Trong đó, VZ: Điện áp làm việc ổn dịnh của diode Zener, VSupply: Giá trị điện áp mà tải cầnđược giữ ổn định, VBE: Điện áp điều khiển cực Base của transistor Q1 có giá trị vào khoảng 0,6 ¸ 0,

7 V đối với transistor Sillicon và khoảng 0,3 ¸ 0, 4 V đối với các transistor Germany

Công suất làm việc của diode Zener được xác định bởi:

P Z = V Z I Z (15)

Trong đó, IZ là cường độ dòng điện đi qua diode Zener và ta cần phải xác định cường độdòng điện này sao cho không vượt quá công suất làm việc cho phép của Zener (các Zener thôngdụng trên thị trường hiện nay chỉ có công suất làm việc cho phép vào khoảng 50mW ¸ 80mW đốivới các Zener có vỏ bằng thuỷ với đường kính khoảng 1,5 ¸ 2mm và chiều dài 4 ¸ 6mm, và có côngsuất chừng 100 ¸ 150mW đối với các Zener có chiều dài chừng 8 ¸ 12mm)

Từ đó có thể xác định được cường độ tối đa cho phép đi qua diode Zener IZ và cường độdòng điện này sẽ được xác định bởi hai dòng điện bao gồm một dòng đi qua điện trở phân áp chocực Base của transistor Q1 và một dòng đi vào cực Base của Q1 là IBE:

I Z = I R2 + I BE (16)

Trong đó: Cường độ dòng điện qua điện trở R2 là IR2 được xác định bởi công thức gần đúnglà:

I R2 = V BE /R 2 (17)

 (0,6 ¸ 0,7)V/R1 đối với các transistor sillicon

 (0,3 ¸ 0,4)V/R1 đối với các transistor Germany

Do đó, cường độ dòng điện qua R2 là rất bé (chỉ được xác định vào khoảng vài mA) Giá trịcủa điện trở R2 được xác định vào khoảng 1 ¸ 4,7kW sao cho khi dòng rò của diode Zener đi qua nóthì nó sẽ gây một điện áp rất nhỏ không đủ để kích mở transistor (dưới điện áp làm việc UBE của cáctransistor)

Cường độ dòng điện qua cực Base của Q1 được xác định bởi:

I BE  I C Max / (18)

Trong đó, IC Max là cường độ dòng điện cực đại mà transitor Q1 phải rẽ mạch giúp cho tải ổnđịnh điện áp và cường độ dòng điện này chính là dòng điện qua cực collector của Q1 là IC vì vậycường độ dòng điện qua Base của Q1 được xác định bởi cường độ IC

Chú ý: Ta cần phải xác định hệ số khuyếch đại phải lớn để IBE chỉ đòi hỏi với một cường độrất nhỏ sao cho không vượt quá cường độ làm việc cho phép của diode Zener

Ta thấy rằng, mạch nguồn song song có ít nhất 3 phần tử chính trong mạch bao gồm tải R là mộtphần tử quan trọng nhất vì nó yêu cầu mạch nguồn phải đáp ứng các điều kiện cung cấp nguồn điệncho nó

Phần tử thứ hai là phần tử tác động hiệu chỉnh gồm D1, R2 và Q1 (được gọi là Variable

Resistor – và được gọi tắt là VR) có nhiệm vụ tạo dòng mạch rẽ để thay đổi điện áp mạch ngoài

cung cấp cho tải khi điện áp vào bị thay đổi hoặc do chính tải thay đổi mức tiêu thụ

Phần tử thứ ba là điện trở ghánh R1 có vai trò hỗ trợ với phần tử tác động hiệu chỉnh VR đểtạo sụt áp nhằm làm ổn định điện áp ra cho tải

Trên cơ sở đó, ta có thể xác định hiệu suất làm việc cho từng phần tử hoặc cho toàn mạchnguồn Ta cần xác định các phần mạch làm việc trong toàn mạch bao gồm:

* Mạch song song

Mạch song song là mạch được tạo bởi tải R và phần tử tác động hiệu chỉnh điện áp VR Đểmạch này đáp ứng được hiệu suất cao nhất cũng như có thể đảm bảo được độ ổn định cao nhất đốivới điện áp ra thì phần tử tác động hiệu chỉnh điện áp VR phải đảm bảo sự tác động sao cho khi tải

tiêu thụ cực đại thì nó (dòng qua VR) phải giảm xuống mức cực tiểu sao cho điện áp ra luôn được giữ không đổi Ngược lại, khi tải tiêu thụ cực tiểu (không tải) thì VR phải tiêu thụ với cường độ cực

đại sao cho điện áp ra cũng không đổi

Nghĩa là tác động của tải và VR hoàn toàn đối nghịch nhau nếu tải R tăng thì VR phải giảm

và ngược lại sao nếu điện áp vào VCC không đổi thì tổng cường độ dòng điện mạch chính cũng làmột hằng số

Vì vậy nếu khi tải tiêu thụ với cường độ dòng điện đạt giá trị trung bình thì phần tử tác độnghiệu chỉnh cũng sẽ tiêu thụ với một cường độ trung bình tương đương với tải

Ta dễ dàng xác định được hiệu suất nguồn trong trường hợp tải trung bình là 50% đối vớicông suất cung cấp cho mạch ngoài của tải được xác định bởi điện áp VSupply– Vì điện áp mạchngoài là VCC chỉ bằng hiệu giữa điện áp cung cấp của toàn mạch là VCC và sụt áp trên điện trở ghánh

R1 (vì lúc này công suất mà tải tiêu thụ đúng bằng công suất tiêu thụ của phần tử tác động hiệu

chỉnh).

Khi tải tiêu thụ cực đại thì phần tử tác động hiệu chỉnh sẽ tiêu thụ cực tiểu (xem như bằng

0) nên hiệu suất đạt 100%.

Trường hợp không tải thì hiệu suất nguồn chỉ đạt 0%

* Mạch nối tiếp

Ta thấy rằng, tải và phần tử tác động hiệu chỉnh điện áp là một mạch song song nhưng cả hai phần

tử này lại mắc nối tiếp với điện trở ghánh R1 nên hiệu suất lại được xác định bởi hai trường hợpgồm khi điện áp vào VCC đạt giá trị cực tiểu và khi đạt cực đại

Trong trường hợp này vì điện trở ghánh mắc nối tiếp với tải và phần tử tác động hiệu chỉnhđiện áp nên hiệu suất nguồn được xác định bởi:

1

 = (V CC – V Supply ).100%/V CC (19)

Như vậy, theo hệ thức này ta thấy rằng nếu chọn khoảng điện áp vào thay đổi càng rộng thì

hiệu suất của mạch nguồn sẽ càng thấp Trong đó, h 1 chỉ là hiệu suất của mạch chính còn đối với

hiệu suất tải thực sự còn nhỏ hơn như vậy rất nhiều và theo như phân tích ở phần trên thì hiệu suất

tải h 2 sẽ nhỏ hơn hiệu suất nói trên (trung bình là 50%h 1 ) cho nên hiệu suất tải tính trung bình chỉ

đạt tới 25% hiệu suất nguồn cung cấp nếu chọn h 1 = 50%.

Trên thực tế, hiệu suất trung bình của các mạch nguồn dòng nối tiếp trong chế độ động (vìtrong quá trình tải hoạt động thì cường độ tiêu thụ tức thời liên tục thay đổi tuỳ theo từng thời điểmkhác nhau nên ta chỉ có thể xác định được cường độ trung bình nên ta gọi chế độ hoạt động vớicường độ dòng điện tức thời luôn thay đổi là chế độ động) đạt được trong khoảng 35 ¸ 45%

Nguồn dòng ổn áp nối tiếp

Vì mạch ổn định điện áp theo nguyên lý nguồn dòng song song thường chỉ có thể đáp ứng được vớicông suất làm việc rất nhỏ nên không thể đáp ứng được các yêu cầu cung cấp với công suất lớn

2.1.a Nguyên lý

Để có thể ổn định điện áp đối với các nguồn cung cấp công suất lớn thì cần phải áp dụngmột nguyên lý khác đó là phương pháp nguồn dòng nối tiếp Nguyên lý này được minh hoạ sơ đẳngtheo hình dưới đây:

Theo hình bên, R được gọi là tải của nguồn cung cấp và điện áp trên tải được gọi là VSupply,điện áp cung cấp tại nguồn là VCC

Khi đó, ta thấy rằng điện trở hiệu chỉnh điện áp cho tải chính là R1 và toàn mạch điện sẽ trởthành một mạch nối tiếp bao gồm R và R1 Điện trở hiệu chỉnh R1 lúc này vừa có vai trò hiệu chỉnhđiện áp cho tải và vừa giữ vai trò là ghánh của mạch nguồn

Vì thế, khả năng hiệu chỉnh điện áp của mạch nguồn nối tiếp là linh hoạt và có thể đáp ứngvới công suất lớn hơn so với nguyên lý nói trên Theo hình minh hoạ nói trên, căn bản của mạch ổnđịnh điện áp được xác định bởi các hệ thức dưới đây:

Điện áp ra VSupply trên tải:

Vì thế, sự hiệu chỉnh điện áp của mạch được xác định bởi:

V Supply = V CC – V S = V CC [1 – R 1 /(R 1 + R)] (23)

Hay nói cách khác là để hiệu chỉnh điện áp cung cấp cho tải thì vai trò của R1 cần phải đượcthể hiện một cách linh hoạt bằng cách luôn thay đổi giá trị theo các biến đổi của tải sử dụng cũngnhư của nguồn cung cấp

2.1.b Hiệu suất

Điều quan trọng nhất của mạch nguồn chính là khả năng ổn định điện áp cũng như hiệu suất cungcấp điện cho tải và được xác định bởi:

 = (V CC – V Supply ).100%/V CC (24)

Theo mạch nguyên lý nói trên ta thấy rằng mạch nguồn dòng nối tiếp chỉ có hai phần tử nối tiếp

gồm tải và phần tử tác động hiệu chỉnh điện áp (phần tử này vừa đảm nhiệm vai trò của gánh) nên

không có hiệu suất mạch rẽ như đối với nguồn dòng song song Vì thế, hiệu suất của nó sẽ cao hơn

so với hiệu suất của mạch nguồn dòng song song

Tuy nhiên, hiệu suất của các mạch nguồn dòng song song trên thực tế trong chế độ động cũng

không bao giờ vượt quá 60% (nếu muốn hiệu suất nguồn càng cao thì cần phải hy sinh độ ổn định

tức là chỉ cho phép khoảng thay đổi của điện áp vào hẹp – tức là độ biến của điện áp vào nhỏ)

Mạch ổn áp thụ động nối tiếp cơ bản

Mạch ổn áp thụ động nối tiếp cơ bản

Kiểu nguồn được đưa vào sử dụng lâu đời nhất và thông dụng nhất là kiểu nguồn ổn áp thụ động

Ta sẽ hiểu khái niệm thụ động của mạch nguồn theo hình minh hoạ dưới đây:

Mạch ổn định điện áp theo nguyên lý nguồn dòng nối tiếp thụ động có hai bộ phận chính gồm bộtạo điện áp chuẩn VREF và một bộ khuyếch đại cường độ dòng điện (theo sự mô tả ở hình trên).

Vì bộ tạo điện áp chuẩn(thường được tạo bởi một nguồn dòng song song) chỉ có thể tạo ra một điện

áp ổn định nhưng chỉ có khả năng ổn định với một độ biến thiên cường độ rất nhỏ nên để có thể tạođược khoảng biến đổi rộng của cường độ dòng điện thì cần phải có bộ khuyếch đại cường độ dòngđiện như minh họa trên

Mạch nguồn thụ động hoạt động dựa vào một nguyên tắc cơ bản của transistor đó là khi hiệu điệnthế trên tiếp giáp B – E tăng lên thì cường độ dòng điện của tiếp giáp C – E sẽ tăng lên sao cho nó

có thể làm giảm được hiệu điện thế trên tiếp giáp B – E

Trên cơ sở đó, ta có thể giải thích sự hoạt động của mạch nói trên như sau: Cực Base của Q1 đượccung cấp một điện thế chuẩn VREF do một nguồn dòng song song được tạo bởi R1 và Zener D1 cùng

với tiếp giáp (B – E) của Q1 Tức là được tạo bởi 3 phần tử cơ bản gồm R1 là ghánh điện áp, Zener

D1 là phần tử tác động hiệu chỉnh điện áp và trở kháng mạch vào của Q1 (thông qua tiếp giáp B –E) là tải của mạch nguồn dòng song

Q1 được gọi là linh kiện khuyếch đại công suất cho nguồn, vì trong mạch nguồn này Q1 có nhiệm

vụ khuyếch đại cường độ dòng điện IB do mạch ổn áp được tạo bởi D1 và R1 Hơn nữa, với cường

độ dòng điện qua Q1 là sẽ bằng đúng cường độ dòng điện cấp cho tải là I, tức là:

Với cường độ I và điện áp rơi VS trên Q1 (tức là sụt áp trên Q1), nó sẽ tạo ra một công suất ghánh

(hay còn gọi là công suất rơi và cũng còn được gọi là công suất tổn thất ) PS trên Q1 và được xácđịnh bởi:

P S = V S I E = V S I = (V CC – V Supply ).I

Mà vì thế, ta gọi Q1 là công suất nguồn vì nó ghánh chịu và điều tiết phần lớn công suất của nguồn.Công suất rơi Ps trên Q1 sẽ gây ra nhiệt tiêu tán trên Q1 và làm nóng Q1 nên Q1 phải là linh kiện cókhả năng chịu công suất rất lớn

Ta hãy lần lượt xét các chế độ làm việc của Q1 như sau:

Điện thế của cực Emmitter của Q1 được tạo bởi sụt áp của nó lên tải là VSupply sao cho hiệu điện thế

Với R là điện trở mạch ngoài tương đương của tải, I là cường dộ dòng điện mạch chính và được xácđịnh bởi các hệ thức dưới đây:

I = I E = I C + I B  ( + 1).I B (27)

Trong đó, IE: Cường độ dòng điện do Emmitter của Q1 tạo ra, IC: Cường độ dòng điện do nguồncung cấp cho cực Collector của Q1 và IB: Cường độ dòng điện do điện thế chuẩn VREF cung cấp chocực Base của Q1 b: Hệ số khuyếch đại cường độ dòng điện của Q1

I B = U BE /r e (28)

Trong đó, re: Nội trở đầu vào của Q1 do tiếp giáp B – E và được xác định bởi hệ thức thực nghiệm:

r e  26,5mV /I C (29)

Theo hệ thức đó, ta thấy một điều rất hay rằng, trở kháng đầu vào re của Q1 càng bị giảm nếu

IC càng tăng nên hiệu điện thế UBE được xác định bởi tích số của IB và re sẽ giảm đi hay nói cáchkhác là UBE gần như không thay đổi khi IC thay đổi

Từ các hệ thức nói trên cho thấy rằng nếu UBE tăng thì cường độ IC cũng sẽ phải tăng lên nên điện

áp trên tải được tạo bởi IC.R tải sẽ tăng lên sao cho UBE bị giảm đi và phải được giữ nguyên với mộtgiá trị không đổi vào khoảng 0,6 ¸ 0, 7V với một độ biến thiên rất nhỏ nên điện áp ra trên tải gầnnhư được giữ rất ổn định và được xác định bởi:

V Supply = V REF – V BE  V REF – 0,7V (30)

Theo các hệ thức nói trên ta thấy rõ nguyên tắc thụ động của mạch nguồn này ở chỗ là Q1 không tựchủ động điều chỉnh điện áp cho tải mà là do tải tiêu thụ làm thay đổi điện áp ra VSupply và làm chođiện áp UBE thay đổi và vì thế cường độ IC của Q1 cũng bị thay đổi theo sao cho nó sẽ làm cho sụt

áp trên tải thay đổi chống lại sự thay đổi của điện áp trên tải (điện áp trên tải bị thay đổi do tải thay

đổi mức tiêu thụ hoặc do V CC bị thay đổi).

Cũng theo các hệ thức nói trên, nguồn thụ động chỉ phù hợp với các tải có công suất nhỏ hoặc chỉcho phép với một độ thay đổi nhỏ của dòng tiêu thụ cũng như một khoảng thay đổi hẹp của điện ápđầu vào VCC

Sai số điện áp tối đa ở đầu ra của loại nguồn này (được xác định theo phương pháp thực

nghiệm) cho phép trong khoảng ± 0,5VP – P Tức là:

V Supply = V REF – V BE  0,5V P – P (31)

Tính toán thiết kế cho nguồn dòng thụ động

Cần phải xác định điện áp làm việc theo yêu cầu của tải là VSupply và công suất làm việc tối đa củatải là PMax, căn cứ vào đó có thể xác định được cường độ dòng điện tiêu thụ tối đa của tải là IMax

Từ đó có thể xác định được cường độ dòng điện IB cần phải cung cấp cho cực Base củatransistor Q1:

I Max = P Q1 Max /V Supply (32)

P Q1 Max = P a Max (34)

Căn cứ vào IB ta sẽ xác định được điện trở ghánh của mạch tạo điện áp chuẩn của R1 – D1thông qua giá trị điện áp cung cấp đầu vào cực tiểu VCC min:

R 1 = V CC min /I B = V CC min /I Max = V CC min V Supply /P Max (35)

Tiếp theo, ta cần xác định cường độ dòng điện làm việc cho diode Zener D1 Ta thấy rằng vìdòng điện đi qua R1 dược phân thành hai dòng mạch rẽ là ID1 qua diode Zener và dòng IB di qua cựcBase của Q1 nên:

R1 sẽ đi qua diode Zener và sẽ làm cho D1 có nguy cơ quá tải nên ta cần phải xác định dòng quá tải

IOver D1 của diode Zener D1:

I Over D1 = (V CC Max – V REF )/R 1 (39)

Ta không có quyền lựa chọn các diode Zener có dòng làm việc lớn hơn cường độ dòng điện

quá tải như đã xác định ở các phần trước (bởi vì các diode Zener hiện có trên thị trường chỉ là

những loại Zener có công suát nhỏ chỉ cho phép làm việc với công suất từ 50mW cho đến 150mW, thông qua đó, căn cứ vào điện áp làm viẹc của Zener mà xác định được cường độ dòng điện làm việc cho phép của nó) mà cần phải chọn hoặc là tải có dòng cực đại nhỏ sao cho có thể làm cho

dòng cực đại của IB nhỏ hơn dòng làm việc cho phép của diode Zener hoặc hạn chế dải thay đổi củađiện áp vào hoặc phải chọn transistor có hệ số khuyếch đại cường độ dòng điện b cực lớn.

Ngoài ra, để có thể tăng được công suất cho tải, cần ghép transistor theo kiểu Darlingtontheo một trong hai cách dưới đây:

Trên các mạch trên đây, ta có thể xác định được hệ số khuyếch đại tích hợp b của cặp Darlingtonđược tạo bởi hai transistor NPN gồm Q1 và Q3 bởi hệ thức:

- Cường độ dòng điện làm việc cực đại: Được xác định bởi cường độ dòng điện cực đại

của tải IMax;

- Điện áp ghánh cực đại: Điện áp ghánh hay còn gọi là điện áp rơi trên transistor công

suất được xác định bởi:

U S = V CC Max – V Supply (42)

- Công suất ghánh cực đại: Là công suất rơi trên transistor công suất và được xác định

bởi:

P S = U S I Max = (V CC Max – V Supply )/I Max (43)

Đây chính là thông số quan trọng nhất, để transistor có thể làm việc tốt thì chúng ta cần phảichọn transistor có công suất làm việc cho phép tối thiểu phải lớn gấp ba lần công suất nói trên và cócường độ dòng điện làm việc cho phép tối thiểu cũng phải lớn gấp ba cường độ dòng tải tối đa

Ngoài ra, để đảm bảo cho sự an toàn của transistor thì điện áp làm việc cho phép của tiếpgiáp C – E cũng phải lớn hơn hoặc bằng điện áp VCC Max.

Nguồn Blocking

Nguồn Blocking

Vì lý do hiệu suất thấp nên các loại nguồn tuyến tính không đáp ứng được các nhu cầu cung cấpnguồn cho các trường hợp sử dụng có công suất lớn hoặc có dải điện áp vào rộng… và trước khinguồn Switching ra đời thì người ta đã nghiên cứu chế tạo được Nguồn Blocking để cho phép tạo ranhững nguồn cung cấp ổn định hơn và ít tỏa nhiệt hơn so với các Nguồn tuyến tính NguồnBlocking đã được đưa vào ứng dụng rộng rãi cho các mục đích khác nhau với nhiều ưu điểm vượt

trội: Công suất lớn, độ ổn định cao, dải điện áp vào cho phép biến thiên rộng (khoảng biến thiên có

thể cho phép từ ±30% so với giá trị danh định cho phép)và một ưu thế nữa là kích thước rất nhỏ

gọn và hiệu suất nguồn cao hơn hẳn so với các nguồn tuyến tính

Về cơ bản, nguồn Blocking hiện nay đang bị nguồn Switching thay thế dần vì hiệu suất thấp

và khả năng gây nhiễu rất mạnh Một yếu điểm lớn của nguồn Blocking là khó đồng bộ tần số daođộng vì nguyên lý hoạt động của nó là thay đổi tần số dao động để điều chỉnh điện áp

Nhưng có thể nói rằng, nguồn Blocking là loại nguồn tựu trung mọi nguyên lý cơ bản nhấtcủa lý thuyết dòng mạch động và cũng là loại nguồn mang nhiều đặc trưng về nguyên lý nên xét

trên phương diện sư phạm thì nguồn Blocking rất cần phải được nghiên cứu để bổ trợ về mặt lýthuyết cho nguồn Switching và các loại nguồn hiện đại.

Nguyên lý Nguồn Blocking

Nguồn Blocking hoạt động theo nguyên lý bóp nghẹt sự dao động của một mạch dao động tự kích

Ta có thể mô tả lần lượt các nguyên lý của mạch nguồn này như sau:

Dao động tự kích

Về cơ bản, nguồn Blocking chính là một mạch dao động tự kích theo nguyên lý hồi tiếp dươngthông thường bằng một biến áp: Cuộn L1 được gọi là cuộn ghánh của mạch dao động nhằm biến đổidòng điện biến thiên do transitor Q1 tạo ra thành dòng xoay chiều hoàn thiện để có thể truyền quacuộn thứ cấp của biến áp là L2

Cuộn L2 được phân thành hai cuộn ghép liên tiếp nhau, trong đó, cuộn L2 được gọi là cuộn hồi tiếpdương trở về cho cực Base của Q1 để tạo sự dao động tự kích

Tụ C1 được gọi là tụ hồi tiếp của tín hiệu phản hồi để tạo dao động tự kích

Các cuộn L3 và L4 được gọi là các cuộn cung cấp điện áp ra với các giá trị điện áp khác nhau (nếu

số vòng dây của các cuộn khác nhau).

T1 được gọi là biến áp xung và có lõi bằng bột Ferrit từ nén để có thể cho phép hoạt động được vớidòng điện có tần số cao từ 17KHz đến 68KHz hoặc thậm chí có thể lớn hơn, tới vài trăm KHz

Tạo Dao động bất đối xứng

Mạch Dao động Blocking là kiểu dao đọng tự kích thuần tuý, về cơ bản, dạng sóng của dòng điện

do nó tạo ra gần như là một hình sin đối xứng Tuy nhiên, do hiện tượng dòng dẫn của transistorthường bị méo phi tuyến khi khuyếch đại những tín hiệu mà nó có thể làm cho điện áp UBE củatransistor giảm xuống dưới mức phân cực cho phép (dưới 0,6V - 0, 7V đối với các transistorSillicon và dưới 0,3V - 0, 4V đối với các transistor Germany) thì nó sẽ làm giảm tỷ lệ cường độdòng điện cho nên nếu khi biên độ dao động càng tăng lên thì tỷ lệ biến thiên cường độ sẽ càngmạnh

Các hình dưới đây mô tả sự tạo thành xung bất đối xứng do sự làm việc của transistor dưới điểm tuyến tính (dưới 0,6V):

Ngược lại, nếu biên độ dao động càng giảm về âm thì tỷ lệ biến thiên cường độ dòng điện càng suygiảm mà sẽ làm cho dạng sóng của dòng điện trở thành không sin đối xứng và thông thường nửachu kỳ dương (nửa chu kỳ có cường độ dòng điện tăng và còn được gọi là nửa chu kỳ thuận) có độdài xung t1lớn hơn dộ dài xung của nửa chu kỳ âm t2 (nửa chu kỳ có cường độ dòng điện bị suygiảm)

Dao động nghẹt

Để có thể giảm bớt suy hao do xung ngược tạo ra, chỉ có hai phương án hoặc tạo dao động đối xứng

để có thể sử dụng được cả hai nửa chu kỳ (phương án này cũng đã được áp dụng để chế tạo các loạinguồn Switching đối xứng) hoặc tạo nên một tác động hỗ trợ nhằm làm khoảng thời gian tạo nênxung ngược càng ngắn càng tốt và có nghĩa là làm cho xung ngược bị nghẹt lại so với xung thuận vìthế ta sẽ biến mạch dao động nói trên trở thành mạch dao động nghẹt

Mạch tác động nghẹt được đưa vào mạch dao động tự kích nói trên bằng các phần tử diode và điện

trở để hỗ trợ cho việc đưa xung âm trở về mạnh hơn làm cho Base của Q1 bị khoá nhanh hơn (điều

đó có nghĩa là dao động nghẹt được hình thành trên cơ chế hồi tiếp âm mạnh hơn để làm cho xung âm bị cắt ngắn).

Mạch được trình bày ở hình trên minh hoạ cho ta thấy rõ điều này:

Khi xung ngược được tạo ra vì đây là một xung âm nên nó dẽ dàng đi qua diode D2 để đưa về chocực Base của Q1 với cường độ dòng điện âm cũng như điện áp âm đặt vào Base rất lớn làm cho Q1

bị khoá ngay lập tức

Các đồ thị trên đây mô tả cho ta thấy rõ điều này: Cường độ dòng điện IB của transistor Q1 được tạobởi ba dòng điện bao gồm dòng một chiều định thiên ban đầu là IDC do điện trở R1 cung cấp, dòngxoay chiều được phản hồi từ cuộn L2 thông qua tụ C1 là IC1 và một dòng bán dẫn được chỉnh lưumột nửa chu kỳ của dòng xoay chiều phản hồi từ cuộn L2 bởi diode D2 là ID2 Vì dòng qua diode

D2 chỉ được cho qua trong nửa chu kỳ âm nên lúc này dòng điện tổng hợp theo giá trị tức thời đượctạo bởi ba dòng nói trên được xác định bởi hệ thức dưới đây:

i B = I DC + I C1 + I D2

= I DC + I 0C1 sin t + I 0D2 sin t

Trong đó,  = 2 f là tần số góc của dòng xoay chiều do mạch dao động tạo ra.

 cũng được gọi là tần số góc của dòng xoay chiều do mạch dao động tạo ra nhưng chỉđược lưu ý là nó chỉ được xác định bởi pha của dòng điện sao cho:

 = .t với mọi giá trị của t sao cho k  <= t <= 2k. 

Hệ thức trên được gọi là hệ thức triệt xung ngược bằng xung hồi tiếp âm qua diode D2.Dòng ID2 chính là dòng được mô tả phía dưới nửa âm của đặc tuyến dòng điện (nửa chu kỳ âm được

tô đậm).

Nghĩa là chỉ với nửa chu kỳ âm thì dòng điện ID2 mới được xác định Khi đó, ta có thể mô tả

quá trình biến đổi biên dạng của xung dao động do mạch nói trên tạo ra như sau (ta hãy giả sử là

mạch dao động có thể tạo ra các xung dao động hình sin như mô tả trên) Trên thực tế, để có thể

tạo ra được các dao động hình sin thì mạch dao động cần phải được thiết kế theo đúng các nguyên

tắc của một mạch dao động tuyến tính (được trình bày trong giáo trình Vô tuyến điện tử, trong giáo

trình này không đề cập đến), còn đối với các mạch dao động bất kỳ thì thực chất không bao giờ tạo

ra các hình sin mà luôn có dạng phi sin như được mô tả dưới đây:

Ta hãy lý luận rằng, khi cường độ dòng điện đang tăng mạnh (trong khoảng tuyến tính được

xác định giữa hai điểm phi tuyến và điểm bão hoà) thì trong khoảng này tốc độ biến thiên của di /dt

rất lớn nên suất điện động tự cảm cũng sinh ra rất mạnh để chống lại sự tăng dòng mà làm cho biên

độ của điện áp ra trên cuộn sơ cấp L1cũng như cường độ dòng điện được tăng dần theo hệ thức dướiđây:

u = V CC + E = V CC – L 1 di/dt

Trong đó, i: Cường độ dòng điện tức thời do nguồn cung cấp qua mạch gồm Q1 và L1 (được

xác định bởi dòng I C qua transistor Q1).

Cho đến khi cường độ IC của transistor đạt tới bão hoà thì tốc độ biến thiên của cường độ

dòng điện là di /dt = 0 (bị triệt tiêu) thì khi đó biên độ điện áp trên L1 mới có thể đạt cực đại bằng

U +

0 (do có sự hỗ trợ của suất điện động cảm ứng nên giá trị biên độ cực đại lớn hơn so với điện áp

cung cấp V CC , trong thực tế U +

0 lớn khoảng gấp rưỡi đến gấp đôi V CC ).

Giả sử rằng, trong quá trình mà dòng điện IC tăng như đã được mô tả theo hình trên thì nó

sẽ gây ra một từ thông biến thiên qua mạch từ của biến áp và tạo ra trên L2 một suất điện động cảmứng EL2 có phase chậm hơn so với phase của cuộn sơ cấp L1

Suất điện động động EL2 cũng tăng dần và được hồi tiếp về cho Base của Q1 để tiếp tục làmcho cường độ dòng điện IC cho đến lúc đạt giá trị bão hoà Khi IC bão hoà thì từ thông không biếnthiên nên EL2 sẽ bị triệt tiêu Nhưng do EL2 chậm phase hơn so với suất điện động EL1 của cuộn

L1 (vào khoảng 90 0 ) nên sau khi từ thông ngừng biến thiên một khoảng thời gian đúng bằng độ trễ

phase thì EL2 mới thực sự bị triệt tiêu hoàn toàn Nhờ sự trễ phase này mà dòng IC vẫn được duy trìtại điểm bão hoà một khoảng thời gian đúng bằng độ trễ phase Y nói trên

Ta gọi trạng thái nói trên (khoảng thờigian IC đạt bão hoà kéo dài) là trạng thái quá độ của

mạch dao động, khoảng này có thời gian được xác định là Y: Trong khoảng thời gian này, cường độ

ICgần như không đổi (trên thực tế, trong khoảng này IC cũng bắt đầu giảm dần vì E L2 cũng bắt đầu

bị triệt tiêu dần).

Khi suất điện động EL2 bắt đầu bị triệt tiêu thì điện áp phản hồi về cho mạch dao động (về

Base của Q1 cũng sẽ bị giảm) nên nó sẽ làm cho cường độ dòng điện IB bị giảm đi mà sẽ làm cho

IC cũng bị giảm theo Khi IC giảm thì nó sẽ lại làm cho từ trường biến thiên theo chiều ngược lại sovới lúc trước để tạo ra suất điện động cảm ứng trên L2 hoàn toàn ngược chiều (bắt đầu tạo ra xung

âm) so với chiềucủa suất điện động cảm ứng lúc trước Nhưng do sự trễ phase giữa suất điện động

EL1 của L1 và EL2 của L2 nên khi IC bắt đầu giảm thì thực tế EL2 vẫn chưa đổi chiều mà chỉ mới đangbắt đầu giảm dần

Sự giảm dần của EL2 lại làm cho IC giảm dần và có thể tạo ra biên dạng của dòng điện được

sin hoá (được biến thiên theo hình sin) Nhưng khi giảm về dưới điểm phi tuyến thì do khác nhau về

tốc độ biến thiên nên lúc này cường độ dòng điện IC sẽ bị giảm nhanh hơn (theo đặc tuyến củatransistor được mô tả ở hình trên thì ta dễ dàng chứng minh được rằng nếu khi dòng IB bắt đầu tăng

từ 0 cho đến điểm phi tuyến thì tại trong khoảng này IC sẽ tăng lên rất chậm nhưng IB khi bắt đầugiảm từ trên điểm phi tuyến xuống ngang qua dưới điểm phi tuyến thì trong khoảng này IC sẽ bị suygiảm nhanh hơn) và sẽ làm cho EL2 bị biến thành xung âm tuyệt đối, đồ thì của điện áp trên L1 sẽvượt qua dưới điểm 0 của hệ trục toạ độ theo trục tung

Sau đó, vì I B vẫn tiếp tục giảm do EL2 tiếp tục giảm và làm cho điện áp trên L1 tiếp tục giảmxuống rất thấp và sẽ đạt tới biên độ cực tiểu U -

0.Điện áp trên L1 chỉ đạt tới biên độ cực tiểu U -

0L1 khi cường độ IB giảm về 0 hoàn toàn và lúc

đó do cường độ IC bị triệt tiêu nên sự biến thiên của từ thông cũng bị triệt tiêu và làm cho dòng phản

hồi do cuộn L2 tạo ra cũng bị triệt tiêu thì IB lại tăng lên do dòng phân cực của R1 (chú ý rằngc,

ngay trước khi I B bị triệt tiêu – bằng 0 tuyệt đối thì lúc đó nó sẽ tạo nên một biến thiên di /dt cực mạnh – vì lúc đó, từ một giá trị cực nhỏ của I B là một epsilon e đi về 0 trong một khoảng thời gian

cũng cực nhỏ là t thì tỷ số di /dt » e/t sẽ cực lớn – mà làm cho suất điện động trên L 1 và cả trên

L 2 đạt tới cực tiểu của biên âm tương ứng với mỗi cuộn là U

-0L1 và U

-0L2 ).

Khi IB bắt đầu tăng từ 0 đến điểm phi tuyến thì tại đây mặc dù tốc độ gia tăng của IC so vớitốc độ gia tăng của IB rất nhỏ nhưng do có sự hỗ trợ của xung ngược có tốc độ biến thiên rất

mạnh (vì xung ngược chỉ là xung thụ động nên khi bị mất năng lượng từ bên ngoài cung cấp thì nó

bị triệt tiêu rất nhanh và làm cho nó nhanh chóng tăng từ giá trị biên âm cực tiểu U

-0 về 0 để làm cho xung ngượcbị triệt tiêu hoàn toàn – nghĩa là nếu đối với xung thuận thì khi bị triệt tiêu nó sẽ giảm từ biên dương cực đại U +

0 về 0 còn đối với xung âm thì ngược lại khi bị triệt tiêu sẽ tăng từ biên âm cực tiểu U -

0 về 0) và tốc độ tăng nhanh của xung âm từ biên âm về 0 sẽ sinh ra dòng phản

hồi về co Base càng mạnh nên nó lại làm cho IC càng tăng mạnh để tạo thành một sườn xung âmtăng lên rất dốc như mô tả ở hình trên

Khi biên độ xung đạt tới 0 thì cũng là lúc mà IC bắt đầu vượt qua điểm phi tuyến để “đi” vàokhoảng tuyến tính thì sự thay đổi tốc độ biến thiên của di /dt bắt đầu xảy ra Đây chính là “bướcngoặt lịch sử” làm cho độ dốc của đặc tuyến điện áp trên L1 cũng như L2 có sự thay đổi khác

biệt (chú ý rằng suất điện động sinh ra trong L2 luôn lặp lại sự biến thiên của suất điện động được tạo bởi L 1 tuy nhiên sẽ chậm phase hơn so với của L 1 vào khoảng 90 0 ): Lúc này xung dương bắt đầu

được hình thành và vì nó được tạo bởi dòng tích cực của nguồn cung cấp nên sự đối kháng của

L1 và L2 cũng bắt đầu được hình thành như được mô tả ở phần trên (L1 và L 2 bắt đầu hình thành cảm kháng để chống lại sự tăng dòng tích cực của nguồn cung cấp qua nó).

Và quá trình dao động duy trì được hình thành nhờ sự tiếp diễn liên tục của các giai đoạntăng và giảm của điện áp trên các cuộn L1 và L2 như đã mô tả theo đúng các trình tự nói trên

Vấn đề đáng nói ở đây là cần phải làm triệt tiêu xung ngược tới mức tối thiểu có thể đạtđược Tại sao phải triệt tiêu xung ngược? Là bởi vì xung ngược được tạo ra bởi suất điện động cảm

ứng và chỉ có tính thụ động (không được sinh ra bởi dòng tích cực của nguồn cung cấp VCC ) vì thế

nó không đối xứng với xung thuận và có năng lượng trung bình bé hơn xung thuận (vì có độ rộng

xung ngắn hơn nên có năng lượng trung bình nhỏ hơn và khó ổn định được biên độ so với nếu chỉ

i B = I DC + I C1 + I D2

= I DC + I 0C1 sin t + I 0D2 sin t

Khi xung âm được ưu tiên hồi tiếp về mạnh hơn do dòng I0D2 thì khi biên độ điện áp củaxung sẽ nhanh bị giảm xuống dưới 0 và càng làm cho IB sớm bị giảm xuống dưới điểm phi tuyến

cũng như sớm bị triệt tiêu nên xung âm sẽ sớm đạt được giá trị cực trị (biên âm cực tiểu Ub

cảm của nó sinh ra càng cao (vì nếu xung âm càng ngắn thì tốc độ biến thiên cường độ dòng điện sẽ

càng lớn) nên khả năng gây nhiễu của nó càng mạnh và hài bậc cao của nó càng nhiều mà nó có thể

làm đánh thủng các tiếp giáp bán dẫn của các linh kiện bán dẫn như transistor và các diode, thậmchí có thể đánh xuyên giữa các vòng dây của biến áp làm hỏng các biến áp…

Vậy nên, người ta vẫn phải chấp nhận sự tồn tại của xung âm trong một khoảng thời giannhất định Để định thời gian tồn tại xung âm, ta phải ghép thêm một điện trở định thời cho nó là R2.Điện trở R2 phối hợp với hệ số tự cảm L của cuộn L2 (đoạn mạch giữa hai điểm 3 và 4 của cuộn

L 2 ) để tạo thành một hằng số thời gian là RL2 cho xung âm (trên thực tế, thời gian của xung âm

được xác định vào khoảng vài mS đến vài chục mS).

Mặt khác, vì xung ngược được kích về cực Base là rất lớn (khoảng 18 đến 30V) nên điện trở

R2cũng có nhiệm vụ hạn chế biên độ kích thích cho cực Base của Q1 nhằm bảo vệ cho transistor

không bị khoá tuyệt đối (không cho triệt tiêu xung ngược một cách tuyệt đối)

Kích mở bão hoà sớm (blocking)

Một trong những điều kiện để biến đổi một dao động tự kích thành dao động nghẹt là phải tạo ra sựbão hòa sớm ở chu kỳ thuận và cắt ngắn chu kỳ ngược vì nếu không thì nó có thể sẽ taoụ ra daođộng hình sine đối xứng

Ngoài ra, để tăng công suất của xung thuận cũng như để tránh tổn thất năng lượng lêntransistor Q1, vì theo mạch điện trên, ta thấy rằng cuộn L1 của biến áp T1 mắc nối tiếp với Q1 nêntheo định luật Kirshoft thứ hai đối với mạch dòng nối tiếp thì tổng các giá trị điện áp tức thời trêncác phần tử nối tiếp bằng điện áp mạch ngoài hay nói cách khác là bằng điện áp cung cấp theo biểuthức dưới đây:

công suất xấp xỉ một nửa công suất cung cấp của nguồn điện và làm cho hiệu suất của

nguồn giảm xuống trong phạm vi chỉ vào khoảng dưới 50% (một phần nữa bị tổn hao do không tận

dụng được năng lượng của xung ngược).

Để chống được tổn thất, hơn nữa tổn thất này sẽ gây nên

sự tiêu tán nhiệt cho transistor Q1 nên cần phải làm cho biên dạng của dòng điện trở thành khôngsin sao cho nó chỉ tạo ra hai trạng thái trên cuộn L1 hoặc bằng 0V hoặc bằng đúng điện áp nguồnnghĩa là tạo ra dạng xung vuông thì khi đó tổn thất trên transistor

mới đạt cực tiểu (do khi transistor mở bão hoà thì vẫn luôn tồn tại một điện áp rơi V S trên tiếp giáp

C – E khoảng 0,6 - 07V tạo nên công suất tiêu tán P S = V S I nhất định rất bé coi như không đáng kể).

Muốn vậy, người ta cần phải đưa dòng hồi tiếp thuận về càng mạnh thì dạng xung điện áp sẽ càngtăng mạnh và có độ dốc khi tăng càng nhanh để tạo thành sườn thẳng đứng của xung vuông nhờdiode D1, tức là cần phải kích cho transistor mở bão hoà khi phát xung (hay lúc xung đang tăng) và ngắt tuyết đối khi giảm biên độ xung (hay khi ngắt xung).

Triệt trạng thái quá độ Blocking

“Tránh vỏ dưa lại gặp vỏ dừa”, khi tạo ra dạng xung vuông cho dòng điện qua biến áp thì tại thờiđiểm “dừng” của biên độ điện áp (là thời điểm mà biên độ điện áp đạt cực đại đúng bằng giá trị củađiện áp nguồn cung cấp VCC thì nó kéo dài sườn xung mà không gây nên sự biến thiên điện áp haycòn gọi là trạng thái quá độ – khoảng này được gọi là khoảng “dừng” hay còn được gọi là khoảngBão hòa của biên độ xung, sau đó sẽ giảm nhanh xuống cũng theo sườn thẳng đứng)

Tại khoảng thời gian mà biên độ xung không thay đổi thì sự biến thiên của từ thông qua biến áp sẽ

bị triệt tiêu nên suất điện động cảm ứng trên L2 cũng sẽ bị triệt tiêu vì thế điện áp trên cuộn phản hồi

L2sẽ bị giảm trước khi điện áp trên cuộn L1 bị giảm (suất điện động cảm ứng trên L2 có sự biến thiên chậm phase hơn so với của L 1 khoảng 90 0 ) và làm cho Q1 bị mất phản hồi:

Điều này sẽ làm cho Q1 ngắt xung cung cấp cho cuộn L1 trước khi xung của nó thực sự bị cắt vàlàm cho nửa chu kỳ của xung thuận bị ngắn lại và đồng nghĩa với việc làm tăng tần số của xung vàcũng đồng thời sẽ làm giảm công suất ra của dòng điện cung cấp cho tải

Vì thế, việc kích điện áp dương nhằm làm cho xung dao động trở thành xung vuông chỉ được xácđịnh sao cho toàn bộ năng lượng của xung đều có thể gây nên từ thông biến thiên theo chiều thuận

để có thể truyền được năng lượng qua biến áp (vì nguyên tắc của biến áp là chỉ có dòng điện biến

thiên thì mới sinh ra từ thông biến thiên và khi đó mới truyền được năng lượng từ cuộn sơ cấp sang thứ cấp Còn nếu là cường độ không đổi thì từ thông sẽ không biến thiên nên sẽ không sinh ra suất điện động cảm ứng trên cuộn thứ cấp và làm cho điện áp ra bị triệt tiêu) Nếu xung vuông có độ

rộng xung quá dài thì không những nó không thể truyền được toàn bộ năng lượng của nó ra tảithông qua sự cảm ứng năng lượng điện từ của nó qua cuộn thứ cấp L2 Một mặt nữa là ở trạng thái

“dừng” thì vì từ thông không biến thiên nên cảm kháng bị triệt tiêu nên cường độ dòng điện sẽ tăngđột biến có thể gây đoản mạch cho mạch nguồn

Trên cơ sở đó, sự phản hồi nhằm làm cho transitor đạt trạng thái bão hoà sớm cũng chỉ được phépsớm hơn một khoảng nhất định, nếu đạt được trạng thái bão hoà quá sớm thì nó sẽ làm ngắn khoảng

tồn tại của xung dương như đã phân tích trên (tức làm giảm độ rộng xung của xung dương).

Mạch trên, cho thấy rằng, cần phải phối hợp với một điện trở R4 và điện trở R1 để hạn chế biên độxung hồi tiếp dương nhằm làm cho dòng điện Ic qua tiếp giáp C – E của transistor Q1 không bị bãohoà quá sớm mà phải bị trễ đi một khoảng nhất định được xác định gần đúng bởi hằng số thời giancủa mạch R4L2 Tức là:

 = R 4 L2

Trong đó, t: Thời gian trễ của điểm bão hoà so với thời điểm mà xung dao động bắt đầu tăng saumỗi chu kỳ

Nhờ có khoảng trễ t mà xung do mạch dao động tạo ra có độ biến thiên mạnh trong khoảng chưabão hoà nhằm tạo ra một điện từ trường biến thiên mạnh nhất qua các cuộn L1 để cung cấp nănglượng mạnh nhất cho toàn hệ thống và L2 hồi tiếp về mạnh nhất.

Để làm được việc này, khi có xung ngược xuất hiện thì nó sẽ tạo ra một dòng âm đi qua diode D2

và R2 để khóa Transistor ngay lập tức Ngược lại, để đặc tuyến sớm đặt được sự bão hòa thì diodeD1 gần như làm ngắn mạch từ cuộn phản hồi L2 về cực B của Q1 để Q1 mở dòng tăng lên nhanhnhất

Trường hợp thứ hai: Nếu tải thay đổi dòng tiêu thụ thì nó sẽ gây nên một điện từ trườngbiến thiên để làm cho điện từ trường tổng qua mạch từ của biến áp xung T1 cũng bị biến đổi theo mànhờ đó nó sẽ gây nên sự biến thiên của từ trường của cuộn L1 theo nguyên lý hỗ cảm nên lúc nàynăng lượng từ cuộn L1 lại tiếp tục được truyền qua các cuộn của biến áp xung T1 mặc dù cuộn

L1 đang bị bão hoà nhờ vậy hiệu suất truyền đạt năng lượng của biến áp sẽ được tăng lên

Bảo vệ transistor Blocking - Switching

Trong bất kỳ nguồn Blocking hay Switching thì Xung ngược sinh ra thường lớn gấp 3 đến 10 lần sovới Xung thuận vì vậy transistor làm việc trong điều kiện rất “nguy hiểm” vì có nhiều vấn đề rấtphức tạp:

· Kháng bão hoà:

Hiện tượng kháng bão hoà của biến áp là một trong những trường hợp nguy hiểm nhất đối với cảbiến áp và cả transistor Các cuộn dây của biến áp bị bão hoà kháng do một trong ba nguyên nhân:

–Bị quá tảiB: Do tải tiêu thụ quá mạnh vượt quá công suất cho phép của biến áp thì kháng trở của

các cuộn biến áp cũng sẽ bị suy giảm đột ngột;

– Do tần số thấp: Dòng điện đưa vào cuộn dây có tần số nhỏ hơn tần số làm việc cho phép của

biến áp làm giảm kháng trở của cuộn dây;

– Do sườn xung “dừng” quá dài: Việc kéo dài trạng thái biên độ cực đại của dòng điện xung đưa

vào cuộn L1 cũng sẽ làm cho cuộn L1 bị bão hoà vì sau một khoảng thời gian nhất định sau khi cuộn

L1đáp ứng kháng trở để chống lại sự tăng đột ngột biên độ của xung thì nó sẽ ngừng lại và sẽ độtngột suy giảm trở kháng về 0 Lúc này, transistor sẽ bị rơi vào tình trạng ngắn mạch tải (tải của Q1

là cuộn L1của biến áp) và có nguy cơ bị đánh hỏng do làm việc quá công suất

Do đó, quá trình kích thích để làm cho Q1 bão hoà sớm nhằm giảm tổn thất năng lượng trên Q1được xác định sao cho sườn xung dài nhất không vượt quá khoảng thời gian cảm kháng cho phép