Tính toán thiết kế Nguồn Lượng tử

a.     Điện áp cung cấp

Chúng ta luôn có hai khái niệm về điện áp cung cấp bao gồm: điện áp cung cấp đầu vào cho toàn bộ hệ thống nguồn và tải được gọi là điện áp cung cấp chính V_Input và điện áp cung cấp ở lối ra của bộ nguồn cho tải sử dụng được gọi là điện áp cung cấp V_Supply hay còn gọi là V_Out.

          Vì điện áp cung cấp ở lối ra của bộ nguồn cho tải theo yêu cầu là luôn được giữ ở một giá trị không đổi nên ta có thể gán đặt V_Out = const. Và do điện áp vào V_Input có thể bị thay đổi nên cần phải xác định khoảng biến thiên của điện áp sao cho giá trị cực tiểu của nó không bao giờ bé hơn giá trị của điện áp ra tức là:

V_{Input min} >= V_Out + V_S

          Trong đó, V_S  chính là điện áp rơi có thể gây ra trên các chuyển mạch (chủ yếu là tại chuyển mạch S1 tức là Q1).

Bất đẳng thức trên chính là điều kiện cần và đủ để đảm bảo cho yêu cầu của mạch nguồn không bị rơi vào tình trạng hoạt động theo cơ chế “tải dưới áp” tức là tình trạng hoạt động khi điện áp đầu vào bị sụt giảm dưới mức qui định.

          Thông thường, nếu các transistor được điều khiển mở bão hoà thì điện áp rơi trên các chuyển mạch tức là trên các transistor vào khoảng 0,6 ¸ 0, 7 Volt đối với các transistor Sillicon và khoảng 0,3 ¸ 0, 4 Volt đối với các transistor Germany.

          Như vậy, khoảng biến thiên của điện áp vào được xác định bởi:

DU = V_{Input Max} – V_{Input min} » V_{Input Max} - V_Out

b.     Cường độ dòng điện cung cấp

Cường độ dòng điện cung cấp được xác định bởi cường độ dòng điện tiêu thụ tối đa của tải và tỷ số biến áp của mạch nguồn.

Theo những chứng minh trên đây, nếu tỷ số biến đổi điện áp giữa đầu vào và đầu ra là k thì tỷ số giữa cường độ dòng điện đầu ra và đầu vào cũng chính là k.

Trên thực tế tỷ số này là:

K = k/Cosj = I_Out/I_Input

Trong đó, I_Out: Cường độ dòng điện ra tối đa cho tải, I_Input: Cường độ dòng điện cung cấp đầu vào cực đại của mạch nguồn và Cos j được tạo bởi các tụ lọc nguồn của mạch nguồn lượng tử được xác định bởi các hệ thức dành cho mạch xoay chiều và nối tiếp cho lần lượt hai trường hợp như đã phân tích trên.

c.      Cường độ dòng điện điều khiển

Căn cứ vào cường độ dòng điện cung cấp tối đa của mạch nguồn mà có thể xác định được cường độ dòng điện điều khiển tối đa cần phải cung cấp cho các chuyển mạch transistor Q1 và Q2.

Ta biết rằng, cường độ dòng điện cung cấp cho tải thông qua các transistor được xác định bởi hệ thức truyền đạt dòng điện của chính các transistor và lần lượt được biểu thị bởi:

Ta hãy gọi cường độ dòng điện đi qua cực Collecter của transistor là I_C, cường độ dòng điện qua cực Emmitter là I_E và cường độ dòng điện đièu khiển tác động vào cực Base của transistor là I_B thì ta sẽ có:

I_E = I_C + I_B

I_C = b.I_B

Trong đó, b: Hệ số khuyếch đại cường độ dòng điện của transistor (được xác định thông qua bảng tra cứu các thông số của transistor).

Theo các mạch nguyên lý nói trên, ta thấy rằng cường độ dòng điện cung cấp cho tải chính là cường độ dòng điện do Q2 cung cấp thông qua dòng dẫn I_C2 của Q2 và cường độ dòng điện đầu vào của mạch nguồn chính là cường độ I_C1 của Q1. Vì thế, ta có thể lần lượt xác định được các cường độ dòng điện điều khiển cho các transistor Q1 và Q2 như sau:

·        Đối với transistor Q2

Vì cường độ dòng điện I­_C2 của Q2 chính bằng cường độ dòng điện tiêu thụ tối đa của tải (được tính theo trị tức thời) nên cường độ dòng điện điều khiển tối thiểu cần phải cung cấp cho cực Base của Q2 phải là:

I_B2 >= I_C2/b₂ = I_Out/b₂

Trong đó, /b₂: Hệ số khuyếch đại cường độ dòng điện của Q2.

·        Đối với transistor Q1

Cường độ dòng điện đầu vào dược xác định bởi:

I_Input = k.I_Out/Cosj = U.I_Out/U_a.Cosj

Trong đó, U: Điện áp vào cung cấp cho mạch nguồn, U_a: Điện áp ra của mạch nguồn cấp cho tải, I_Out: Cường độ dòng điện ra của mạch nguồn cấp cho tải. Và Cos j là hệ số được tạo bởi tổng dung kháng của các tụ C1 và C2 đối với thuần trở của tải tiêu thụ.

Khi đó, ta dễ chứng minh được rằng:

I_Input > U.I_Out/U_a

Vì thế, cường dộ dòng điện tối thiểu cần điều khiển cho transistor Q1 được xác định bởi:

I_B1 > I_Input/b₁ > U.I_Out/b₁.U_a

Chú ý: Các tính toán nói trên nhằm để xác định các điều kiện làm việc tối thiểu của các transistor chuyển mạch của nguồn lượng tử.

Trên thực tế, để tổn thất năng lượng trên các chuyển mạch điện tử Q1 và Q2 xảy ra ít nhất thì các transistor nói trên chỉ làm việc trong hai trạng thái hoặc đóng mạch tuyệt đối theo cơ chế dẫn bão hoà (điện áp khiển hoặc cường độ dòng khiển cho cực Base đạt cực đại) hoặc ngắt tuyết đối theo cơ chế khoá điều khiển (điện áp khiển và cường độ dòng điện khiển tại cực Base bằng 0) theo đúng nguyên lý ngắt mở căn bản nhất.

d.     Tần số chuyển mạch

Các hệ thức trên đã chứng minh rằng khả năng hiệu chỉnh công suất cung cấp cho tải tỷ lệ với bình phương của tần số chuyển mạch nên việc điều chỉnh thay đổi tần số chuyển mạch có vai trò tạo ra một điện áp trung bình cung cấp cho tải với một giá trị gần như không thay đổi. Hay nói cách khác là quá trình ổn định điện áp đầu ra và đáp ứng mức công suất cung cấp cho tải hoàn toàn phụ thuộc chính vào sự thay đổi tần số chuyển mạch của mạch nguồn lượng tử.

Vì thế, việc tính toán xác định “điểm đặt” của tần số chuyển mạch và khoảng biến thiên của tần số theo khả năng hiệu chỉnh điện áp là một vấn đề rất quan trọng.

Thật vậy, ta cần phải xác định khả năng biến thiên của tải cả về trạng thái quá tải (tải cực đại) và trạng thái không tải (tải cực tiểu) để có thể xác định được khoảng biến thiên nói trên.

Thông qua hệ thức (7) ở trên đã xác định được rằng:

DW = (DU_a.C₁.f)²/2C₁ = (DU_a.f)².C₁/2                     (7)

Vì thế, ta có thể dễ dàng xác định được rằng nếu đầu ra ở trạng thái không tải thì cường độ dòng điện tải xem như bằng 0.

Khi đó, cần phải chứng minh rằng để điện áp đầu ra trong trạng thái không tải luôn được giữ ổn định thì tần số chuyển mạch phải bằng 0.Tức là:

Nếu

I_Out = 0

Thì     

f = 0

Ngược lại, khi tải cực đại thì tần số f cũng phải tăng cực đại để đáp ứng được công suất tiêu thụ của tải và từ hệ thức (7) nói trên ta có thể rút ra được tần số cực đại của chuyển mạch là:

W_Max = (U_a.f)².C₁/2 Þ f_Max >= (2W_Max/C₁.U²_a)^1/2