Nguồn nuôi trong các thiết bị điện tử.DOC

Tài liệu về Nguồn nuôi trong các thiết bị điện tử.

Chơng 10 Nguồn nuôi 10.1 Khái niệm chung.

Nguồn nuôi trong các thiết bị điện tử không ngừng đợc cải tiến theohớng tăng độ ổn định,độ bền, hiệu suất, giảm kích thớc -trọng lợng-giáthành- Nguồn nuôi có nhiệm vụ cung cấp năng lợng cho các máy

điện tử làm việc ,

thờng phải cấp điện một chiều với dòng ổn định Thiết bị nguồn đợc chiathành hai lớp: lớp thiết bị nguồn nuôi sơ cấp và lớp thiết bị nguồn nuôithứ cấp.Lớp thiết bị nguồn sơ cấp là các thiết bị biến đổi các dạng nănglợng không điện (hoá năng, cơ năng, nhiệt năng, quang năng v.v ) vềdạng năng lợng điện Việc nghiên cứu chúng không thuộc phạm vi củagiáo trình này Lớp các thiết bị nguồn thứ cấp có nhiệm vụ biến đổi nănglợng điện từ dạng này sang dạng khác cho phù hợp với các mạch tiêu thụnguồn.Đó là các mạch chỉnh lu, ổn áp, ổn dòng, các mạch biến đổi dòngmột chiều thành dòng xoay

chiều, biến đổi dòng một chiều

mức điện áp này sang dòng một

chiều mức điện áp khác ở đây

Trong máy bay, tàu thuỷ ngời ta

có thể thiết kế mạng điện xoay

chiều có tần số 400 hz

Yêu cầu kỹ thuật đối với các thiết bị nguồn rất đa dạng Ví dụ,

điện áp ra của các thiết bị nguồn khác nhau có dải biến đổi rất rộng: từvài phần von tới hàng ngàn von; dòng điện: từ vài miliampe tới hàng trămAmpe Cách kết cấu của các thiết bị nguồn cũng rất khác nhau: Mạchnguồn có thể đợc bố trí là một phần mạch liền khối hoặc tách rời thành

khối riêng trong máy, hoặc cũng có thể là một hộp nguồn cơ động riênghoặc là một tủ nguồn cố định trong phòng máy.

Trớc khi đi vào nghiên cứu các mạch nguồn thứ cấp cụ thể chúng taxét qua các dạng điện áp và dòng điện thờng gặp trong các mạch nguồn

và các đại lợng đặc trng của chúng Hình 10.1a là dòng điện xoay chiều,luôn biến thiên theo thời gian về cả trị số và dấu Nếu dòng điện biếnthiên theo quy luật hình sin thì nó đợc đặc trng bởi các đại lợng:

-Giá trị trung bình trong một chu kỳ

/ T

t T sin I T

)sin

bộ khuếch đại công suất thì KĐ=0.10,05%

Sơ đồ khối của một mạch nguồn thông thờng có dạng nh ở hình 10.2

Biến áp có nhiệm vụ phối hợp điện áp, tức là tạo ra điện áp cần thiết

để đa vào bộ chỉnh lu; mặt khác nó còn có tác dụng ngăn điện áp lới vớimáy Các biến áp thờng đợc chế tạo công nghiệp theo địên áp và côngsuất tiêu chuẩn Tuy nhiên có thể tính toán, lựa chọn tạo ra một biến ápcho mạch nguồn thích hợp không mấy khó khăn

Tiếp theo biến áp là mạch chỉnh lu hay nắn điện để biến dòng xoaychiều thành dòng một chiều Điện áp ở đầu ra của mạch chỉnh lu thờng códạng đập mạch, vì vậy cần qua bộ lọc san bằng để giảm lợng đập mạch Tiếp sau đó là mạch ổn áp một chiều rồi đa ra tải

Một mạch nguồn thờng đợc đánh giá bằng các chỉ tiêu kỹ thuật sau

Hình 10.3a Là mạch chỉnh lu một pha đơn giản(dùng một diot-chỉnh

lu 1/2 chu kỳ hay nửa sóng) Để phân tích ta coi biến áp là lý tởng( khôngtổn hao), và diot cũng là lý tởng (điện trở thuận bằng không, điện trở ng-

ợc vô cùng lớn) Nếu điện áp đa vào có dạng hình sin nh ở hình 10.3b thì

dễ dàng nhận thấy điện áp ra sẽ là những

xung hình sin Thành phần I0 đợc xác định

theo biểu thức:

I 0,45 I

0,318 π

I t) td(ω ω sin I

t

u (t)20

b)

U 0

Hình 10 3 a) Chỉnh l u nửa chu kỳ b)Giản đồ điện áp

14 3

14 3

U , U U

I , R

U R

U I

m ng

t t

m m

Sơ đồ trên cho ra điện áp là các xung hình sin, khác xa với dạng điện

áp 1 chiều lý tởng Biên độ của thành phần sóng hình sin có tần số bằng1/2 tần số vào phân tích theo chuỗi Furiê có trị số lớn nên có hệ số đậpmạch rất lớn (K=157% !), vì vậy không thể sử dụng nó để cấp nguồn chocác mạch điện tử

Về mặt lý thuyết, ta xét xem nếu tăng số pha của cuộn thứ cấp củabiến áp thì dạng của điện áp chỉnh lu sẽ thay đổi nh thế nào Hình10.4 là mạch chỉnh lu hình 10.4 là mạch chỉnh lu nhiều pha đơn giản vàgiản đồ điện áp tơng ứng

10.2.2.Chỉnh l u cả chu kỳ

Với đồ thị hình 10.4b ta thấy khi tăng số pha thì lợng đập mạchgiảm, điện áp chỉnh lu U0 càng tiến tới giá trị Um, hệ số đập mạch giảm,tần số đập mạch tăng Tuy nhiên giải quyết theo cách này thì biến áp sẽ

có cấu trúc rất phức tạp Trong thực tế ngời ta dùng các sơ đồ chỉnh lu cảchu kỳ theo mạch cân bằng hoặc mạch cầu

Hình 10.5a là mạch chỉnh lu cân bằng Đặc điểm của sơ đồ này làcuộn thứ cấp của biến áp phải có hai cuộn có thông số giống nhau để tạo

điện áp nguồn, tạo thành hai điện áp u =u2(t) có biên độ nh nhau để đavào hai diot ở nửa chu kỳ dơng (a là +,b là -) thì D1 thông, D2 ngắt; dòng

điện có chiều a+ D1Rtc ở nửa chu kỳ âm thì D2thông, D1 ngắt,dòng điện có chiều :

b+D2Rtc Nh vậy dòng điện qua tải là dòng một chiều có dạng cácxung hình sin Điện áp trên tải Rt lặp lại dạng dòng điện Giản đồ điện áptrình bày trên hình 10.5b

H×nh 10.5c lµ m¹ch chØnh lu m¾c kiÓu cÇu cÇu dïng bèn diot (lu ý

lµ ngêi ta s¶n xuÊt c¸c cÇu chuyªn dông cho m¹ch chØnh lu) Trong m¹chnµy nÕu

Tô ®iÖn Ct n¹p ®iÖn qua ®iÖn trë r0 víi h»ng sè n¹p n¹p=r0.Ct vµ cãchiÒu nh trªn h×nh10.6a T¹i thêi ®iÓm mµ gi¸ trÞ tøc thêi cña ®iÖn ¸pthø cÊp u2 b»ng ®iÖn ¸p trªn tô Ct (®iÖn ¸p ra) th× diot ng¾t, tô phãng

®iÖn qua ®iÖn trë t¶i Rt víi h»ng sè phãng phãng=Rt.Ct.V× Rt>>r0 nªn

t b)

H×nh 10 5 a) ChØnh l u c©n b»ng b) §å thÞ thêi gian ®iÖn ¸p c) ChØnh l u cÇu

0 D

a)

u=u (t)2

u (t)Rtc)

2 1 3 4

Có thể chứng minh rằng trong trờng hợp C và Rt thì điện

áp ra tiến tới U2m Nh vậy mắc thêm tụ điện Ct có tác dụng tăng trị số của

điện áp ra

(với ngỡng trên là U2m) và làm giảm hệ số đập mạch nên tụ Ct gọi là

tụ lọc

nguồn Nhng trong thực tế thì Rt không thể bằng vô cùng, nên để tănggiá trị U0 và giảm hệ số đập mạch thì trị số của tụ Ct phải chọn cỡ hàngchục, hàng trăm,

thậm trí là hàng

ngàn F (trong các

mạch chỉnh lu điện

áp thấp) Thông

th-ờng cho trớc yêu

cầu hệ số đập mạch, từ đó xác định giá trị tụ Ct

Trong tất cả các sơ đồ đã xét trên điện áp ra trong mọi trờng hợpkhông thể vợt quá mức biên độ của điện áp vào U2m Trong thực tế nhiềulúc đòi hỏi điện áp ra lớn gấp q lần điện áp của sơ đồ chỉnh lu một nửachu kỳ Lúc đó sử dụng các sơ đồ chỉnh lu bội (nhân) áp Xét sơ đồ nhân

đôi hình 10.7 Thực chất sơ đồ này là hai sơ đồ chỉnh lu một nửa chu kỳmắc nối tiếp, điện áp ra của chúng đợc cộng lại trên tải ở bán chu kỳ d-

ơng diot D1 thông, tụ C1 nạp điện Nửa chu kỳ tiếp theo tụ C2 nạp qua diot

D2 thông Chiều của các điện

Hình 10 6 a) Chỉnh nửa sóng mắc tụ b) Đồ thị thời gian điện áp

R

t

u (t)Rt+

_

t Ct

a)

b) r

u o

2

Hình 10 7Mạch nhân đôi diện

áp

R +

_

1 t

C D

u

1

2

C D E

2 0 0

+ _

_ 2E

u2

C

C1

2 1

D

D

R t

D C

3 2 3

a)

Hình 10 8Mạch Chỉnh l u

nhân áp a)) Nhân đôi điện áp b) Nhân ba điện áp

0

trên tụ C2 bằng điện áp cuộn thứ cấp cộng với điện áp đã đợc nạp trên tụ

C1 nên có trị số xấp xỉ 2E0 Tấn số đập mạch bằng tần số nguồn xoaychiều Tơng tự nh vậy

số đập mạch

Trong trờng hợp mắc tụ lọc có trị số khá lớn (tụ càng lớn thì kíchthớc và giá thành càng tăng) mà hệ số đập mạch vẫn cha đạt yêu cầu thìphải mắc bộ lọc san bằng giữa tải và mạch chỉnh lu Mạch lọc san bằng

đơn giản nhất là mạch lọc RC nh hình 10.9a Cần chọn hằng số thời gian

=RC thoả mãn yêu cầu hệ số đập mạch đối với tần số đập mạch cơ bản.Hiệu quả san bằng càng lớn nếu nh ta chọn mức thoả mãn của bất đẳngthức (10.12) càng cao

R>>1/(2fđmC) (10.13) Trong đó fđm-tần số đập mạchcủa điện áp ra

Vì vậy thờng ở đây ngời ta

tăng giá trị của tụ C Nếu tăng giá

R

a)

C C Rt

L

C C Rt

b)

bằng a)lọc RC b)lọc LC

điện tử ở các trạm hoặc các tổng trạm thông tin ngời ta sử dụng cácmạch chỉnh lu ba pha công suất lớn đặt trong các tủ cấp nguồn Các mạchchỉnh lu ba pha không những cho công suất lớn mà còn cho hệ số đậpmạch nhỏ, hiệu suất cao.

10.3.1.Chỉnh lu ba pha đơn giản với tải thuần trở

Hình 10.10a là mạch chỉnh lu ba pha với cuộn sơ cấp đấu hình tamgiác, cuộn thứ cấp đấu sao có điểm trung tính là điểm 0 Các diot cócatot đấu chung, anot đấu vào các cuộn dây pha Diot nào đợc đấu vớicuộn có điện áp dơng hơn so với hai cuộn kia thì diot đó sẽ thông, haidiot còn lại sẽ ngắt Ví dụ trong khoảng thời gian từ t1 đến t2 thì diot D1

thông, điện áp dơng u2a đa tới catot của D2 và D3 nên hai diot nàyngắt,dòng điện dua D1,qua tải Rt về âm nguồn u2a Trong khoảng thời gian

t2t3 thì D2 thông,D1và D3 ngắt

Từ hình 10.10b) ta thấy cha cần mắc tụ san bằng mà điện áp ra đẫ có

độ đập mạch nhỏ, tần số đập mạch bằng ba lần tần số của nguồn điệnxoay chiều(chu kỳ đập mạch bằng 1/3 chu kỳ nguồn xoay chiều) Nếu

điến áp pha của cuộn thứ cấp là u2=U2m cost= 2U2 cos t thì trị sốtrung bình U0 của điện áp ra trên tải là:

U0= 2 u 2 co s ω t d(ω t) 1,17 u 2

3

π 2

3 π

3 π

IDmax=ITải max=1,21 I0

a b c t

R

a)

t 0

P    (10.19) Trong đó P0 là công suất ở tải P0=I0U0

10.3.2.Chỉnh lu ba pha cầu có tải thuần trở.

Mạch điện (hình 9.11a) là mạch chỉnh lu cầu ba pha có các cuộn sơcấp đấu hình tam giác (hoặc có thể đấu sao), các cuộn thứ cấp đấu sao,gọi là sơ đồ Larionop Sáu diot đợc chia làm hai nhóm: ba diot thuộcnhóm chẵn có anot đấu chung, ba diot thuộc nhóm lẻ có catot đấu chung.Trong một thời điểm luôn có hai diot thông, các diot còn lại đều ngắt.Diot thuộc nhóm chẵn thông nếu anot của nó đợc nối với pha có điện ápdơng hơn hai pha còn lại; còn diot thuộc nhóm lẻ thông nếu catot của nó

đợc nối với pha âm hơn hai pha còn lại Vídụ trong khoảng thời gian từ

t1đến t2 pha u2a dơng hơn cả, pha u2b âm hơn cả nên các diot D2 và D3

thông, các Diot khác đều ngắt Trong khoảng t2t3 thì pha u2a vẫn dơnghơn cả, nhng pha u2C lại âm hơn cả nên D2 và D5 thông, các diot khácngắt

Có thể xác định đợc các đại lợng sau:

Trị số trung bình của điện áp một chiều U 0 trên tải :

ID=I0/3=0,78U2/Rt (10.22) Dòng điện cực đại qua diot và qua tải :

ID max=It max=1,045I0 (10.23)

Điện áp ngợc cực đại trên mỗi diot (khi ngắt):

UDng= 3 2 U 2=1,045U0 (10.24)Công suất biến áp ba pha:

PBA=3U1I1=3U2I2=1,045P0 =1,045U0I0 (10.25)

Sơ đồ cầu Larionop làm việc tốt hơn chỉnh lu ba pha 1/2 chu kỳ(Hình 10.10a):

- So sánh (10.20) và (10.14) thì sơ đồ này cho điện áp trung bình ra

tải lớn gấp đôi

- Tần số đập mạch bằng sáu lần tần số điện áp đầu vào

- Diot chịu điện áp ngợc giảm đi một nửa giá trị

- Công suất bíên áp giảm đi một nửa

10.4.ổn áp một chiều.

Một mạch điện tử bất kỳ sẽ làm việc không tốt khi nguồn một chiều

cung cấp cho nó không giữ đúng giá trị danh định Nguyên nhân của sựthay đổi đó có khá nhiều, nhng đáng quan tâm nhất là sự thay đổi của

điện lới xoay chiều và sự thay đổi của tải Một trong những cách để khắcphục sự thay đổi điện áp nguồn điện lới là sử dụng các máy ổn áp xoaychiều đợc sản xuất công nghiệp Tuy nhiên nh vậy cha đủ để máy điện tửlàm việc bình thờng Vì vậy cần tạo ra các mạch điện giữ cho điện áp một

chiều sau khi chỉnh lu có giá trị ổn định trong một phạm vi nào đó.Ta gọi

các mạch đó là các mạch ổn áp một chiều hay thờng gọi tắt là ổn áp

10.4.1.Các tham số của ổn áp một

chiều.

Một mạch ổn áp mô hình nh một mạng bốn cực hình 10.12 đợc đặc

trng bởi các tham số sau đây:

- Hệ số ổn áp, đó là tỷ số giữa lợng biến thiên điện áp tơng đối ở

đầu vào và đầu ra :

const R

Mạch

ổn áp

(khi It=It max) (10.28)

- Điện trở động đầu ra đặc trng cho sự biến thiên của điện áp ra khidòng ra (dòng tải) thay đổi (lấy theo trị tuyệt đối):

RRA=URA/It (khiUV=const.)(10.29)

- Hiệu suất , là tỷ số giữa công suất ra tải và công suất danh định ở

đầu vào:

=

V V

t RA

I U

I U

(10.30)

Ngời ta chế tạo các diot Zener-(diot ổn áp) làm việc với đoạn đặctuyến ngợc của diot (xem hình 3.6b chơng 3 - đoạn đặc tính AB) do hiệuứng đánh thủng của mặt ghép n-p Trong diot thông thờng hiện tợng đánhthủng sẽ làm hỏng diot; trong các diot zener, do đợc chế tạo đặc biệt nênkhi làm việc nếu khống chế dòng không vợt quá mức cho phép thì nó sẽkhông bị hỏng ở chế độ đánh thủng về điện

Nguyên lý ổn áp sử dụng ổn áp tham số nh sau:

Khi điện áp đầu vào thay đổi một lợng UV thì diot ổn áp sẽ thay đổidòng điện của nó khá lớn và gần nh giữ nguyên điện áp sụt trên nó, vì vậydòng qua điện trở R1 sẽ gây nên sự biến thiên khá lớn của sụt áp trên R1,tức là UR1=IR1UV, điện áp ra tải hầu nh không đổi Trờng hợp

điện áp vào không đổi mà trị số tải giảm nhiều (dòng qua tải thay tănglớn), thì sẽ có sự phân phối lại lại dòng điện: dòng qua diot giảm làm chodòng qua điện trở hầu nh không đổi nên điện áp ra sẽ ổn định Trong thực

tế ngời ta chế tạo các diot ổn áp có hai tham số quan trọng là dòng diệndanh định và điện áp ổn định (cho trong các sổ tay dụng cụ bán dẫn), ví

dụ chúng có điện áp ổn định 1,1V; 1,5V; 2,5V; 3V; 4,5V; 6V; 8,5V;9V…

Mạch ổn áp tham số tuy đơn giản tiết kiệm nhng có nhợc điểm là có độ

ổn định không cao, trị số của điện áp ra không thay đổi đợc tuy ý, đặcbiệt khi dòng ra tải lớn Để khắc phục các nhợc điểm trên ngời ta xâydựng các mạch ổn áp bù tuyến tính ở đó Tranzisto công suất sẽ hiệuchỉnh điện áp trên nó để bù lợng thay đổi điện áp cần ổn định ổn áp bùtuyến tính có thể xây dựng theo sơ đồ song song hoặc nối tiếp nh ở sơ đồkhối hình 10.15.Đó là một mạch tự hiệu chỉnh có hồi tiếp Có hai cáchxây dựng sơ đồ khối: hình10.14a-sơ đồ song song, hình 10.14b- sơ đồ nốitiếp

Trong các sơ đồ trên thì 1-phần tử hiệu chỉnh, 2-phần tử so sánh vàkhuếch đại, 3-phần tử lấy mẫu, 4-nguồn chuẩn

Trong sơ đồ song song phần tử hiệu chỉnh mắc song song với tải Sơ đồnày hoạt động nh sau: Phần tử lấy mẫu 3 đem so sánh điện áp đầu ra vớinguồn chuẩn 4 ở phần tử so sánh-khuếch đại 2, sai lệch về điện áp sẽ đợckhuếch đại rồi đa đến phần tử hiệu chỉnh 1 Phần tử này tự hiệu chỉnhdòng của nó tơng tự nh diot tham số để điều chỉnh sụt áp trên điện trở R1,giữ cho điện áp ra không đổi.

Trong sơ đồ nối tiếp hình

10.15b thì phần tử hiệu chỉnh 1

mắc nối tiếp với tải Phần tử này

tự điều chỉnh sụt áp trên nó theo

tín hiệu từ đầu ra của phần tử

so sánh-khuếch đại 2 để giữ cho

điện áp ra ổn định

Trong hai cách xây dựng ổn áp trên thì sơ đồ ổn áp song song có dòngtải đi qua điện trở R1, dẫn đến tổn hao nhiệt lớn, vì vậy sơ đồ này có hiệusuất thấp hơn Tuy nhiên sơ đồ này lại có u điểm là không gặp nguy hiểmkhi quá tải Sơ đồ nối tiếp cho hiệu suất cao hơn nhng khi dòng tải tăngquá mức (ví dụ nh chập tải) thì phần tử hiệu chỉnh dễ bị đánh thủng.Trong thực tế thờng dùng sơ đồ nối tiếp có mạch bảo vệ quá tải Cácmạch ổn áp bù có hiệu suất không vợt quá 60%

Hình 10.16 là một mạch ổn áp bù mắc nối tiếp có cực tính âm Khi

điện áp ra thay đổi, các điện trở R1, R2 và triết áp P lập thành bộ phân áp,lấy mẫu điện áp ra Điện áp này(UB2) đem so sánh với điện áp chuẩn UZ

tạo bởi diot ổn áp DZ và điện trở R3 Hiệu số của chúng chính là điện áp

R1 a)

UV

URA

bazơ-emitơ của Q2 ( phần tử so sánh-khuếch đại): UBE2=UB2-UZ Điện ápnày điều khiển mạch khuếch đại so sánh Q2 để lấy ra điện áp ở colectơ

điều khiển Q1 Tranzistor Q1 điều chỉnh mức mở để thay đổi điện áp điềuchỉnh UĐC để bù lợng biến thiên của điện áp ra là U2=U1-UĐC

Cụ thể sơ đồ ổn áp này làm việc nh sau.Giả sử điện áp vào tăng, làm

điện áp ra tăng tức thời nên điện áp UBE2 tăng ( trị tuyệt đối), tức là điệnthế bazơ của Q2 âm hơn Điện áp điều khiển bazơ của Q2 là UBE2 cũng âmhơn nên Q2 thông nhiều hơn, dòng colectơ của Q2 tăng,

điện áp UCE2 giảm Vì vậy sụt áp trên R4 tăng lên, làm cho điện thế bazơcủa Q1 dơng lên, Q1 đóng bớt lại; tức là điện áp UĐC=UCE1 tăng lên, điện

áp đầu ra U2 giảm về giá trị ban đầu Tơng tự nh vậy, nếu dòng tải tănglàm cho điện áp ra giảm thì quá trình cũng diễn ra nh trên Trờng hợp

điện áp vào giảm thì quá trình diễn ra hoàn toàn ngợc lại

Có thể xác định đợc hệ số ổn định của mạch hình 9.16 theo công thứcsau:

) R P (R r

αP)P) P](R

αP)) (1 [R [1 r r R αP) R

R

2 1

b e

b

4

2 1

4 v

αP)p) P](r αP)) (1 [r r

r 1

2 1

1 b

2 1

=1,52;RV,rb,re ,rd- tơng ứng là các điện trở đầu vào, điện trở khối bazơ,

điện trở emitơ của Q1, rd điện trở động của DZ; còn 1 là hệ số khuếch đạidòng điện của Q1

3 C

2 U