Nguồn DC cơ bản

Hoàn toàn không đơn giản như vậy, mà thực tế, nguồn một chiều được ứng dụng trong thực tiễn trên các lĩnh vực công nghiệp rất phong phú cả về khả năng đáp ứng về công suất (từ công suất nhỏ dưới 1 Watt cho tới những công suất cực lớn tới vài chục KW thậm chí có thể lên tới vài nghìn KW) và cả về “kiểu” biên dạng của dòng điện.

Tại sao ta không sử dụng một kiểu dòng điện một chiều không đổi (không thay đổi biên dạng) mà phải sử dụng các loại dòng điện một chiều có biên dạng có thể điều chế? Là bởi vì, khái niệm về nguồn dòng một chiều được ứng dụng thực tiễn một cách rộng rãi trong công nghiệp không phải là các nguồn dòng được cung cấp từ các bộ pin hoặc ắc – qui... vì các nguồn này có công suất rất nhỏ, hơn nữa không hiệu quả về kinh tế vì giá thành cho mỗi bộ pin hoặc ắc qui rất cao và khó bảo quản cũng như rất bất tiện trong sử dụng công nghiệp, nên các nguồn dòng một chiều trong công nghiệp thường được chỉnh lưu từ các nguồn dòng xoay chiều.

Và để có thể điều khiển được các dòng điện một chiều có công suất lớn thì biện pháp hữu hiệu nhất đó là điều chế độ rộng xung hoặc biến đổi dòng một chiều thành dòng điện mạch động…

Câu hỏi này sẽ lần lượt được giải đáp qua các chương sau của phần nguồn một chiều. Và trước khi được giải đáp, chúng ta cần phải nghiên cứu qua các phần căn bản của nguồn một chiều trong chương này.

1./.     Nguồn pin

Nguồn pin và ắc – qui nói chung có thể coi là những nguồn dòng một chiều có điện áp không đổi (và được gọi là nguồn dòng một chiều không đổi). Trên thực tế, khái niệm này có vẻ như rất "mơ hồ" là vì ta cũng luôn biết rằng các nguồn pin cũng như ắc – qui đều bị giảm dần điện áp sau khi được đưa vào sử dụng hoặc thậm chí ngay cả trong quá trình bảo quản không sử dụng cũng bị tụt giảm dần điện áp.

Hơn nữa, khi cung cấp điện áp cho tải, thực tế, tải không bao giờ tiêu thụ điện với cường độ ổn định đều vào mọi thời điểm mà nó luôn thay đổi theo nhu cầu sử dụng và có tính tức thời.

Và ta cũng biết rằng, khi tải thay đổi cường độ dòng điện thì điện áp mạch ngoài do nguồn cung cấp cho tải cũng sẽ bị thay đổi.
 

Ta hãy phân tích vấn đề này như sau:

Trong phần lý thuyết về dòng một chiều, ta thường quan niệm rằng tải sử dụng trong mạch điện một chiều có tính thuần trở được gọi là R. Nhưng trên thực tế, do sự thay đổi cường độ tiêu thụ mà gây nên cho dòng cung cấp những biến thiên về cường độ dòng điện cũng như điện áp (hiệu điện thế):

Sự biến thiên của cường độ và điện áp một chiều đã tạo ra những thành phần của dòng điện xoay chiều được "trộn lẫn" trong dòng điện một chiều (được gọi là dòng điện mạch động – Dynamic Current Power) và khi đã có thành phần dòng xoay chiều trong dòng một chiều thì nếu trong cấu trúc của tải có các thành phần điện cảm L và điện dung C thì chúng sẽ tạo ra cảm kháng Z_L và dung kháng Z_C để tạo nên tổng kháng tải rất phức tạp.

Vì vậy, để đơn giản, ta hãy tạm thời bỏ qua các thành phần kháng trở của các phần tử L, C và các linh kiện điện tử – bán dẫn có thể có trong cấu trúc của tải mà chỉ quan tâm đến thành phần chủ yếu là thuần trở của tải mà thôi. Khi đó, mạch điện sẽ trở nên đơn giản hơn.

Giả sử có một nguồn pin (Battery) có suất điện động E và có nội trở là r, tải mạch ngoài có dòng tiêu thụ I và sẽ tạo ra một điện trở tương đương là R₁ được xác định bởi:

R₁ = E/I – r

Tại sao ta chỉ được phép gọi R₁ là điện trở tương đương của tải? Là vì trên thực tế như đã được trình bày trên đây, tải của các mạch điện không đơn thuần là điện trở thuần tuý mà nó là một tổ hợp của nhiều thành phần điện kháng rất phức tạp cho nên ta chỉ có thể qui ước tương đương với giá trị điện trở mà thôi.

Vì tải trên thực tế luôn làm thay đổi dòng tiêu thụ nên cường độ dòng điện I cũng chỉ có tính tức thời chứ không bao giờ đạt được giá trị ổn định (không đổi) và vì thế điện trở tương đương của tải cũng là một đại lượng biến thiên liên tục chứ không phải là một hằng số.

Khi đó, tuỳ theo giá trị biến thiên của điện trở tương đương của tải là R₁ mà hiệu điện thế mạch ngoài cũng được xác định bởi các giá trị tức thời tại thời điểm đang xét bởi:

U_t = I.R₁ = E.R₁/(r + R₁)

Giá trị U_t trên tải được gọi là giáng áp trên tải và một phần hiệu điện thế bị suy giảm bởi nội trở của nguồn được gọi là sụt áp nội tại U_S:

U_S = I.r

Ta thấy rằng, nếu cường độ dòng tải càng lớn thì sụt áp nội tại ngay trong nguồn điện càng lớn. Một điều đặc biệt là phần lớn các tải được sử dụng thường là các thiết bị điện tử có dòng tiêu thụ biến thiên không theo một qui luật nhất định nào nên khó có thể tính được công suất tiêu thụ trung bình của nó (sự biến thiên của tải không thể xác định được bằng một hàm nào đó) mà chỉ có thể tính được công suất tức thời P_t:

P_t = U_t.I = E(1 – I.r).I

Hơn nữa, khi các nguồn pin hoặc ắc qui sau một thời gian đưa vào sử dụng thì dung lượng điện cũng sẽ giảm đi và thay vào đó nội trở r cũng tăng lên nên sụt áp nội tại càng lớn hơn mà làm cho giáng áp trên tải càng bị giảm...

Để có thể bỏ qua ảnh hưởng của nội trở cũng như của sự suy giảm suất điện động, chúng ta không cần phải quan tâm đến nội trở của nguồn mà chỉ cần xác định khoảng biến thiên của nguồn cung cấp có thể xảy ra.

Thật vậy, nếu ta xác định được khoảng biến thiên của điện áp cung cấp là DU thì khi đó điện áp cung cấp cho tải sẽ được xác định bởi:

V_Supply = U_Norminal ± DU

Trong đó, U_Norminal: Điện áp danh định của nguồn.

Nếu vậy, ta có thể xác định được điện áp tối thiểu của nguồn cung cấp sẽ là:

V_{Supply min} = U_Norminal –  DU ;

Điện áp cung cấp cực đại sẽ là:

V_{Supply max} = U_Norminal + DU

Nếu ứng với các giá trị điện áp đã cho thì cường độ dòng tải được xác định thì ta có thể suy ngược lại nội trở của nguồn cũng như suất điện động của nguồn, tuy nhiên việc làm này không cần thiết.

Thông thường, trong thực tế, điều kiện cần và đủ để các thiết bị có thể làm việc được ổn định thì điện áp cung cấp bao giờ cũng phải lớn hơn hoặc bằng điện áp danh định U_Norminal. Và điện áp danh định này chính là điện áp tối thiểu mà tải có thể làm việc được.

Vì vậy, trong các tính toán thiết kế cho các mạch nguồn một chiều, chúng ta không nhất thiết phải quan tâm đến nội trở của nguồn mà chỉ cần quan tâm đến khả năng biến thiên của điện áp của nguồn, hoặc chỉ cần quan tâm đến khả năng cung cấp dòng điện cực đại của nguồn thông qua chỉ số Ampere / giờ A_h của nguồn cung cấp và dòng cung cấp cực đại của tải I_Max, thông qua đó, chúng ta có thể xác định được thời gian sử dụng t của nguồn pin nhờ một hệ thức đơn giản:

t = A_h/I_Max

Trong đó, A_h: Số Ampere /giờ của nguồn pin hoặc ăc – qui.

Nếu hệ thức trên được áp dụng thì trong khoảng thời gian sử dụng cho phép, điện áp nguồn sẽ có thể suy giảm không quá 10% so với giá trị điện áp danh định. Nếu suy giảm quá 15% so với điện áp danh định thì tải đang ở trong trường hợp sử dụng này được gọi là tải dưới áp.

2./.     Nguồn dòng chỉnh lưu

Như trên đã trình bày, các nguồn dòng một chiều được cung cấp từ pin hoặc ăc – qui thường chỉ được sử dụng với công suất nhỏ không quá vài trăm Watt (trong vài trường hợp hạn hữu mới lên tới vài KW). Còn đối với những trường hợp tải lớn hơn đều được sử dụng từ nguồn xoay chiều chỉnh lưu.

Đặc biệt, vì lý do kinh tế cũng như vì sự phổ biến của mạng điện lưới mà ngay cả những tải sử dụng điện áp một chiều có công suất rất nhỏ cũng được sử dụng từ dòng xoay chiều chỉnh lưu.

Khi nói đến sự chỉnh lưu nguồn dòng xoay chiều thành một chiều thì ta cần phải xét đến hai trường hợp là chỉnh lưu trực tiếp và chỉnh lưu gián tiếp.

Sự chỉnh lưu trực tiếp được thực hiện ngay đối với mạng điện lưới khi đó điện áp sau chỉnh lưu tương đương với điện áp lưới. Và chỉnh lưu gián tiếp là sự chỉnh lưu thông qua một máy biến áp (biến thế) để từ điện áp lưới có thể biến đổi thành giá trị điện áp khác (tăng lên hoặc giảm đi).

2.1./.  Chỉnh lưu trực tiếp

Thực chất, chỉnh lưu trực tiếp được định nghĩa cho việc chỉnh lưu trực tiếp dòng điện của mạng điện lưới xoay chiều thành dòng điện một chiều, còn về thực chất khái niệm “trực tiếp” đúng nghĩa của nó thì rất rộng.

Khi được chỉnh lưu trực tiếp từ mạng điện lưới, ta có thể bỏ qua trở kháng nội tại của nguồn (vì trở kháng của mạng điện lưới theo đúng nghĩa là rất bé. Tuy nhiên, do kháng trở của đường dây tải điện có thể lớn nếu dây tải điện quá bé gây nên thuần trở cũng như các đường dây chạy sát nhau sẽ gây nên điện cảm ký sinh mà tạo nên cảm kháng làm tăng tổng kháng của đường dây tải điện).

Khi đó, ta chỉ cần quan tâm khoảng biến thiên có thể có của điện áp lưới.

Hình a mô tả biên dạng của dòng điện xoay chiều và hình b mô tả biên dạng của dòng điện một chiều được chỉnh lưu từ dòng điện xoay chiều.

 Và hệ thức chuyển đổi giữa dòng điện xoay chiều thành dòng một chiều được xác định bởi:

U_0DC  = u_AC.2^1/2 » 1,41.u_0AC = U_0AC

Trong đóT, u_0AC: Giá trị cực đại của điện áp hiệu dụng của dòng xoay chiều của mạng điện lưới, U_0AC: Biên độ điện áp của dòng xoay chiều. U_0DC: Giá trị cực đại của dòng điện một chiều.

Nếu sau khi được chỉnh lưu mà dòng điện một chiều không được lọc (san phẳng) bằng bộ lọc được tạo bởi các tụ điện thì giá trị điện áp trung bình chỉ được xác định bởi:

U = U_0DC/2^1/2 » U_0DC/1,41 = u_0AC

Thực chất, biên độ U_0DC (tức là U₀ được biểu thị trong hình b) cũng đúng bằng biên độ U ⁺₀ và bằng - U^_₀ của dòng xoay chiều.

Trong trường hợp nếu sau khi chỉnh lưu, dòng điện một chiều được san phẳng bằng tụ điện thì còn tuỳ vào dung lượng của bộ lọc cũng như tuỳ vào cường độ của dòng tải mà giá trị điện áp một chiều trên tải cũng sẽ có sự thăng giáng trong khoảng từ giá trị điện áp trung bình U đến biên cực đại U_0DC.

Để có thể xác định được chính xác giá trị điện áp sau khi được lọc san phẳng, ta cần áp dụng các hệ thức dưới đây: