Điện điện tử - Nguồn cung cấp một chiều

1Nguồn cung cấp một chiều TS. Nguyễn Quốc Cường B.m: Kỹ thuật đo & Tin học công nghiệp Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 2 Nội dung • Giới thiệu • Ổn áp một chiều tuyến tính • Ổn áp một chiều switching • Một số IC ổn áp Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 3 Tài liệu tham khảo • “Fundamentals of analog circuits” – Thomas Floyd & David Buchla, 2nd edition, Prentice Hall, 2006, (chapter 11) Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 4 Giới thiệu • Nguồn ổn áp một chiều – Nguồn cung cấp cho các hệ thống điện tử (op-amp, transistor,) – Nguồn chuẩn cung cấp cho các hệ thống cảm biến – • Nguồn ổn áp dc được chia làm 2 kiểu – Nguồn ổn áp tuyến tính – Nguồn ổn áp switching Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 5 Hệ số ổn áp • Nguồn ổn áp dc – Đầu vào thường là điện áp dc thay biến đổi nhiều (mạch chỉnh lưu + lọc) – Đầu ra là điện áp dc ổn định (ổn áp đối với sự thay đổi của input và tải) • Hệ số ổn áp: đặc trưng cho khả năng ổn áp của nguồn khi nguồn input hoặc tải thay đổi – Ổn áp đối với input – Ổn áp đối với tải Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 6 Ổn áp khi đầu vào thay đổi • Hệ số ổn áp đối với sự thay đổi của input (Line regulation): đặc trưng cho khả năng ổn áp của nguồn khi tín hiệu đầu vào thay đổi • Có hai kiểu định nghĩa thường được tính là mV/V thường được tính là %/mV hoặc %/V Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 7 Ổn áp khi tải thay đổi (1) • Hệ số ổn áp đối với sự thay đổi của tải (Load regulation): đặc trưng cho khả năng ổn áp của nguồn khi có sự thay đổi của tải • Có nhiều cách biểu diễn khác nhau của load regulation trong các datasheet – Thông qua định nghĩa VNL : điện áp output khi dòng tải là minimum (no load) VFL : điện áp output khi dòng tải là maximum (full load) Lý tưởng load regulation = 0% đơn vị tính là % Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 8 Ổn áp khi tải thay đổi (2) – Thông qua điện trở ra của nạch ROUT VNL : điện áp ouptut khi không tải VTH: điện áp tương đương trong biến đổi Thevenin ROUT: điện trở ra của mạch Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 9 Ổn áp khi tải thay đổi (3) – Trong một số datasheet có thể đưa ra hệ số %/mA – Ví dụ 0.01%/mA được hiểu là khi tải thay đổi (tăng hoặc giảm) 1mA thì điện áp thay đổi 0.01% Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 10 Ví dụ 1 • Nguồn ổn áp dc có: – Điện áp khi không tải (IL = 0) = 12.1V – Điện áp khi đầy tải (IL = 200mA) = 12V • Tính hệ số Load regulation • Tính điện trở ra của mạch khi không tải • Đáp án: 0.083% (hoặc 0.0042%/mA), 0.5 Ohm Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 11 Ổn áp tuyến tính • Ổn áp tuyến tính kiểu nối tiếp • Ổn áp tuyến tính kiểu song song Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 12 Ổn áp tuyến tính kiểu nối tiếp phần tử điều khiển mắc “series” với tải Series voltage fegulator Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 13 Điện áp chuẩn • Khả năng ổn áp của output phụ thuộc rất nhiều vào phần tử tạo điện áp chuẩn • Các phần tử điện áp chuẩn cần đảm bảo – Ít phụ thuộc vào nhiệt độ – Thay đổi ít khi linh kiện bị già hóa • Một số phần tử ổn áp – Diode zener (vài Volt, chất lượng thấp) – Điện áp cao IC ổn áp (LM339 ổn áp 10V) Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 14 Hoạt động của ổn áp nối tiếp Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 15 Hoạt động của ổn áp nối tiếp khi VIN hoặc RL giảm VOUT giảm Vsample giảm (VRE–Vsample ) tăng tăng VE tăng VOUT tăng lại Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 16 Hoạt động của ổn áp nối tiếp khi VIN hoặc RL tăng VOUT tăng Vsample tăng (VRE–Vsample ) giảm giảm VE giảm VOUT giảm lại Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 17 Ví dụ 2 • Tính điện áp VB của Q1 Đáp án: 10.9V Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 18 Bảo vệ quá tải VBE của Q2 không “vượt” quá 0.7V Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 19 Mạch ổn áp tuyến tính song song shunt voltage regulator phần tử điều khiển mắc “shunt” với tải Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 20 Hoạt động cuả ổn áp kiểu song song (1) Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 21 khi VIN hoặc RL giảm (Vsample-VREF) giảm Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 22 khi VIN hoặc RL tăng (Vsample-VREF) tăng Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 23 Hoạt động cuả ổn áp kiểu song song (2) • Nếu VOUT và IL không đổi, khi VIN thay đổi, dòng IS thay đổi • Nếu VIN và VOUT không đổi, khi IL thay đổi, dòng IS thay đổi Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 24 • Hiệu suất của ổn áp kiểu song song kém hớn kiểu nối tiếp do luôn cần duy trì dòng IS “đủ lớn” để có thể bù lại sự thay đổi của VI và IL. Tuy nhiên dòng ngắn mạch (khi VOUT = 0)thì luôn được đảm bảo bằng Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 25 Ví dụ 3 • Tính công suất tiêu tốn lớn nhất trên R1 Đáp án: PR1 = max khi VOUT = 0 (ngắn mạch)
PR1max = 7.1W Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 26 Nguồn ổn áp switching • Nguồn ổn áp tuyến tính (kiểu shunt hay series) có hiệu suất thấp do “control element” là các transistor luôn phải làm việc trong chế độ tích cực
công suất tổn hao lớn khi dòng ra tải lớn • Nguồn ổn áp “switching” các phần tử điều khiển làm việc ở chế độ on/off do đó công suất tổn hao thấp
cho dong tải lớn và hiệu suất cao hơn mạch tuyến tính • Có ba kiểu cơ bản – step-down – step-up – voltage-inverter Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 27 Ổn áp kiểu step-down • Điện áp output luôn nhỏ hơn điện áp input on/off lọc điện áp Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 28 Hoạt động của mạch ổn áp kiểu step-down Sự phụ thuộc của VOUT vào ton và toff Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 29 khi VOUT có xu hướng giảm Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 30 khi VOUT có xu hướng tăng Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 31 Ổn áp kiểu step-up • Điện áp output luôn lớn hơn điện áp input Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 32 khi Q1 on D1 off L tích năng lượng Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 33 khi Q1 off L giải phóng năng lượng Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 34 Volatge-inverter • Điện áp output ngược dấu với điện áp input Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 35 khi Q1 on D1 off Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 36 khi Q1 off D1 on tụ C nạp điện áp âmVL đảo dấu Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 37 Một số IC ổn áp • Ổn áp tuyến tính – 78xx, 79xx – LM317, LM337 • Ổn áp switching – 78S40 Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 38 IC ổn áp 78xx Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 39 Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 40 IC 79xx Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 41 Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 42 LM317 • IC ổn áp dương, có thể điều chỉnh được điện áp output Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 43 LM 317 (2) nhỏ, cỡ 50µA Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 44 LM337 • IC ổn áp âm, có thể điều chỉnh được điện áp output Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 45 78S40 • Là IC đa năng có thể thực hiện step-up, step-down hay voltage-inverter tùy thuộc vào việc mắc các linh kiện phụ bên ngoài Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 46 control element Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 47 78S40: ổn áp step-doWn Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường 48 78S40: ổn áp step -up