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 song với tải sử dụng.
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 VCC Input (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 thông qua một điện trở ghánh R1 và một bộ điều chỉnh dòng điện rẽ nhánh R3 và còn được gọi là phần tử tác 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 R3 ghép song song nhau nên:
R23 = R2.R3/(R2 + R3) (1)
Và sau đó, điện trở R23 lại mắc nối tiếp với điện trở ghánh R1 nên lúc bấy giờ tổng trở toàn mạch được gọi là R123 sẽ là:
R123 = R1 + R23 = R1 + R2.R3/(R2 + R3) (2)
Khi đó, điện áp ra sẽ bằng điện áp sụt trên R23 và được xác định bởi:
VOut = VIn.R23/R123 (3)
Vì điện trở ghánh R1 = const nên sự hiệu chỉnh điện áp ra hoàn toàn dựa trên căn bản sự của sự điều chỉnh đối với điện trở R3 sao cho nếu điện áp ra tăng lên thì R3 phải giảm đi để hạn chế cường độ dòng điện mạch rẽ qua tải R2. Điều đó có nghĩa là để điện áp ra VOut = const khi điện áp cung cấp 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:
VS = VIn – VOut (4)
Nếu gọi I là cường độ dòng điện đi qua trong toàn mạch chính thì sụt áp trên điện trở ghánh R1 được xác định bởi:
VS = I.R1 (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 trị sụt 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 thể tạo 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 thông qua 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 của nguồn cung cấp trên nó. Công suất tổn thất tối đa trên điện trở ghánh R1 được xác định bởi:
PS = (IMax)2.R1 (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 cao khi tải tiêu thụ có độ biến thiên lớn hoặc do dải điện áp cung cấp càng rộng thì biến đổi của điện trở hiệu 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 này thường 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 theo nguyên 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 (tại lối 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 diode Zener D1.
Diode Zener là một loại linh kiện bán dẫn có khả năng tự giảm nội kháng (do một hiện tượng vật lý được gọi là hiệu ứng Zener) khi điện áp ngược đặt trên Anode và Cathode của diode Zener vượt quá điện áp làm việc cho phép của nó gây nên hiện tượng đánh thủng tiếp giáp và làm cho cường 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 hình minh 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 chứng minh được rằng, điện áp trên bất kỳ một điện trở nào của mạch khi điện áp cung cấp của nguồn tăng lên cũng sẽ tăng lên theo đúng cùng một tỷ lệ. Có nghĩa rằng đáp tuyến điện áp trên các điện trở cũng 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 UZ khác nhau, ví dụ, Zener 6V sẽ có diện áp Uz = 6V và Zener 12V sẽ có Uz = 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 thiểu làm 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 này phần 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 là hiệu 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 không bao 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 điện áp cung cấp cực đại
Mạch ổn định điện áp bù dòng song song
Xác định giá trị điện áp cần cung cấp
Xác định hiệu suất làm việc của mạch nguồn
Tác giả bài viết: Dr Trần Phúc Ánh
Lưu ý: Các bài viết trên in lại các trang web hoặc các nguồn phương tiện truyền thông khác không xác định nguồn http://tri-heros.net là vi phạm bản quyền
Những tin mới hơn
Những tin cũ hơn