Nguyên lý cơ bản của nguồn Lượng tử

Hai chuyển mạch S1 và S2 có nhiệm vụ đóng cắt dòng điện trong mạch và hoạt động ngược phase nhau tức là nếu chuyển mạch này đóng thì chuyển mạch kia phải ngắt và ngược lại sao cho cả hai chuyển mạch không bao giờ cùng đóng một lúc để dòng điện từ nguồn vào không được phép xuyên thẳng đến lối ra cũng như không bao giờ bi ngắt đồng lúc để dòng điện bị cắt mạch từ đầu vào (thông qua tụ C1) đến đầu ra. Điện trở R1 được coi là tải của mạch điện.

Mạch nói trên hoạt động như sau: Khi S1 đóng (S2 ngắt) thì tụ C1 được nạp điện với hiều điện thế đúng bằng hiệu điện thế của nguồn cung cấp và được nạp với một điện lượng là: 

Q₁ = U.C₁                  (1)

Trong đó: U: Hiệu điện thế do nguồn cung cấp, C₁: Điện dung của tụ C1 (được tính bằng Fara).

Sau đó, khi S1 ngắt thì S2 đóng và lúc này dòng điện từ tụ C1 sẽ được phóng vào tụ C2.

Giả sử, ban đầu tụ C2 được tích bởi một điện lượng Q₀₂ và sẽ tạo ra một hiệu điện thế là U₀₂ thì sau khi được nối mạch, điện lượng tổng của hai tụ sẽ là:

Q = Q₁ + Q₀₂                  (2)

Lúc bấy giờ, hiệu điện thế trên hai tụ (bỏ qua sự tiêu thụ của tải) sẽ là:

         U_a = Q/(C₁ + C₂) = (U.C₁ + U₀₂.C₂)/(C₁ + C₂)                    (3)

Nếu điện dung của tụ C1 bé hơn rất nhiều so với điện dung của tụ C2 thì độ biến thiên của điện áp ra có thể tính được với công thức gần đúng là:

DU_a » (U – U₀₂).C₁/C₂             (4)

Độ biến thiên điện áp nói trên được gọi là sai số lượng tử của điện áp ra hay nói cách khác đó chính là lượng điện áp bổ sung của mạch nguồn cho tải sau mỗi chu kỳ đóng ngắt luân phiên của các chuyển mạch S1 và S2. Nếu U₀₂ được coi là điện áp ra U_a thì lúc bấy giờ hệ thức trên trở thành:

DU_a » (U – U_a).C₁/C₂              (4.b)

Theo hệ thức nói trên (4), để độ ổn định của nguồn càng lớn thì tỷ số k giữa C2 và C1 phải càng lớn.

Tuy nhiên, khi tụ C1 càng bé thì điện lượng của tụ C1 chuyển tải cho tụ C2 sau mỗi chu kỳ đóng ngắt sẽ rất bé nên để đáp ứng với công suất tải lớn thì chu kỳ đóng ngắt phải càng ngắn hay nói cách khác là tần số đóng ngắt của các chuyển mạch phải càng lớn.

Khi đó, điện lượng Q trong khoảng thời gian một giây được chuyển từ tụ C1 vào tụ C2 sẽ là:

DQ = DU_a.C₁.f                         (5)

Trong đó: f: Tần số làm việc của các chuyển mạch S1 và S2.

Trên cơ sở đó, công suất hay năng lượng cung cấp của tụ C1 cho tụ C2 (tức là cung cấp cho tải) tương ứng là:

DW = DQ²/2C₁                        (6)

          Thế hệ thức (5) vào hệ thức (6) ta có:

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

          Từ đó cho thấy rằng để có thể đáp ứng được công suất tải lớn thì biện pháp đạt hiệu quả cao nhất là hoặc là tăng điện áp đầu vào nhiều lần so với điện áp đầu ra hoặc tăng tần số chuyển mạch lên nhiều lần (năng lượng cung cấp cho lối ra tỷ lệ với bình phương của tần số chuyển mạch và của điện áp vào). Nếu tăng trị số của tụ C₁ thì chỉ tỷ lệ bậc một và hơn nữa như đã chứng minh ở trên theo hệ thức (4) và (4.b) là sai số điện áp ra càng lớn nếu điện dung của tụ C₁ càng lớn.

          Theo các hệ thức đã được xây dựng trên ta có thể dễ dàng chứng minh được rằng nếu điện áp ra nhỏ hơn điện áp vào với một tỷ số là k thì cường độ dòng điện ra sẽ lớn hơn so với cường độ dòng điện vào cũng đúng bằng tỷ số k tức là:

                                      U/U_a = I_a/I = k                (8)

          Trong đó, U: Điện áp vào của mạch nguồn, U_a: Điện áp ra của mạch nguồn cung cấp cho tải. I: Cường độ dòng điện vào của mạch nguồn và I_a: Cường độ dòng điện cung cấp của mạch nguồn cho tải.

Thật vậy, theo định luật bảo toàn năng lượng, vì tổn thất năng lượng trên các chuyển mạch S1 và S2 coi như bằng 0 nên nếu công suất cung cấp của đầu vào của nguồn là P và công suất cung cấp của mạch nguồn cho tải là P_a thì:

P = U.I = P_a = U_a.I_a       (9)

Từ đó, dẽ dàng suy ra hệ thức (8) nói trên.

Tuy nhiên, trên thực tế cũng như trên cả phương diện lý thuyết, vì dòng điện cung cấp cho mạch nguồn và chạy qua trong toàn mạch nguồn lượng tử không phải là dòng điện một chiều DC không đổi mà là một dòng điện chuyển mạch liên tục mà ta gọi là dòng điện mạch động nên dòng điện này có thể phân thành hai thành phần năng lượng gồm năng lượng một chiều không đổi được xác định bởi giá trị trung bình cộng của các giá trị điện áp tức thời qua mạch và một dạng năng lượng khác là dòng xoay chiều (dòng xoay chiều này cũng bị phân tích theo chuỗi Fourier để tạo ra các thành phần sóng hài khác để tạo ra nhiều tần số khác nhau) cho nên dòng xoay chiều này sẽ gây nên “tổn thất” năng lượng qua các tụ điện do tạo nên hệ số Cosø.

  Ta có thể xác định được điều này như sau: Giả sử tần số chuyển mạch của S1 là f thì dòng điện vào sẽ bị băm thành n = f lần trong một khoảng thời gian là 1giây đồng hồ do đó cũng sinh ra một dòng điện có tần số chủ là f tạo nên một dòng điện xoay chiều tương đương nên khi đó ta hoàn toàn có thể áp dụng các công thức tính cho dòng điện xoay chiều cho mạch điện nói trên.

Lúc này, trở kháng của tụ điện C1 và C2 đối với dòng điện xoay chiều của dòng điện mạch động được xác định bởi:  

Z_C = 1/wC = 1/2p.f.C

Nếu tải là một thuần trở R thì sẽ xảy ra hai trường hợp:

 ·        Trường hợp chuyển mạch S1 đóng cho dòng điện đi vào mạch (gồm tụ C1 và tải R): Lúc này tụ C1 được ghép song song với tải nên hệ số CosØ sẽ được xác định theo đúng các hệ thức đối với mạch điện xoay chiều ghép song song;

 ·        Trường hợp chuyển mạch S1 ngắt không cho dòng điện đi vào mạch thì lúc bấy giờ tụ C1 trở thành nguồn cung cấp và lại tạo thành mạch điện nối tiếp (khép kín) giữa tụ C1 với tải R vì thế lúc này hệ số CosØ lại được xác định bởi các hệ thức cho mạch điện xoay chiều nối tiếp.

Như vậy, chúng ta thấy rằng tuy là một mạch rất đơn giản nhưng bản chất vật lý của mạch điện nói trên không hề đơn giản mà ngược lại trở nên rất phức tạp. Nghiên cứu về bản chất sâu xa của vấn đề này chỉ thuộc về các nhà nghiên cứu về lý thuyết còn đối với những người nghiên cứu về công nghệ thì không nhất thiết phải tìm hiểu sâu về vấn đề này nên trong giáo trình này không đề cập chi tiết hơn về mặt lý thuyết.