Mạch ổn định điện áp bù dòng song song

Vì vậy, mạch ổn định điện áp theo nguyên lý nguồn dòng song song chỉ được sử dụng để tạo điện 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 V_Supply lớn hơn điện áp V_Z 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 làm việc.

Trong mạch này, transistor Q1 và diode Zener hợp thành một bộ khuyếch đại cho dòng điện của 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 kiểu nguồn dòng song song nói trên, chỉ cần bổ sung thêm phần tính toán và lý giải nguyên tắc hoạt động của transistor Q1:

Nếu điện áp ra càng lớn thì sụt áp trên R₂ cũng sẽ càng lớn và làm cho transistor Q₁ sẽ càng tạo nên một cường độ dòng điện chạy qua các tiếp giáp C – E của nó càng lớn và được gọi là I_Q1.

Nhờ có dòng điện này mà điện áp ra sẽ được giữ ổn dịnh với công suất cung cấp khá lớn vì cường độ dòng điện I_Q1 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, I_Q1 có 2 thành phần bởi vì nó được tạo bởi cường độ dòng điện I_C và dòng điện I_E và được xác định bởi các hệ thức sau đây:

I_B = V_R2/r_e

Trong đó, r_e: Trở kháng vào của transistor tạo bởi cặp tiếp giáp B – E; V_R2: Điện áp sụt trên R₂ do dòng qua Zener D₁ gây ra:

V_R2 = V_Supply – V_Z

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

Khi đó, cường độ dòng điện I_C 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 I_Z đúng bằng tổng cường độ dòng điện qua 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 I_{a Max}  có thể được xác định bởi:

I_{a Max}  = (I_{Z Max} + I_{C Max})/2

Với I_{Z Max} được xác định bởi:

I_{Z Max} = I_{B Max} + I_{R2 Max}

Mà

I_{B Max} = V_R2/r_e = (V_Supply – V_Z)/r_e 

Và

I_{R2 Max} = V­_R2/R₂ = (V_Supply – V_Z)/R₂

Nên

I_{Z Max} = I_{B Max} + I_{R2 Max} = (V_Supply – V_Z).(1/r_e + 1/R₂)

Ta lại có

I_{C Max} = b.I_{B Max} = b.(V_Supply – V_Z)/r_e

Vậy nên

I_{a Max}  = (I_{Z Max} + I_{C Max}) = (V_Supply – V_Z.).[(1/r_e + b) +1/R₂]/2

          Trên thực tế, cường độ dòng điện qua điện trở R₂ là I_R2 có thể được bỏ qua và ta có thể rút gọn 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).I_{Z Max}/2

Như vậy, đối với mạch ổn áp theo nguyên lý bù dòng song song, cường độ dòng rẽ giúp cho tải ổn định điện áp lớn hơn rất nhiều so với khả năng làm việc của Zener. Tóm lại, ta cần phải chốt lại những thông số cơ bản của mạch ổn áp bù dòng song song dưới đây.