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 V_CC Ouput (V_Out) trong khi điện áp cung cấp là V_CC Input (V_In) 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:

V_Out = V_In.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 V_Out = const khi điện áp cung cấp V_In thay đổi hoặc do tải R₂ bị thay đổi thì R₃ phải thay đổi sao cho sụt áp trên điện trở ghánh R₁ là V_S cũng phải thay đổi theo và được xác định bởi:

V_S = V_In – V_Out                         (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:

V_S = 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 V_Out.

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 V_Out 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 V_In không nhỏ hơn giá trị điện áp ra cần được cung cấp V_Out.

·        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:

P_S = (I_Max)².R₁                (6)

Trong đó, I_Max: 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 V_Supply).

Mạch này hoạt động chủ yếu dựa trên khả năng tự động thay đổi trở kháng nội tại của diode Zener D₁.

          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 U_Z (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 U_Z khác nhau, ví dụ, Zener 6V sẽ có diện áp U_z = 6V và Zener 12V sẽ có U_z = 12V... ) thì độ dốc của đặc tuyến điện áp sẽ bắt đầu bị giảm xuống.

Và đặc biệt là khi vượt qua giá trị U_Z 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 dòng Nguồn dòng song song

Xác định điện áp cung cấp cực đại

Xác định điện áp vào cực tiểu

 Mạch ổn định điện áp bù dòng song song

 Xác định giá trị điện áp cần cung cấp

         Xác định các thông số của diode Zener

 Xác định hiệu suất làm việc của mạch nguồn