Giáo trình Kỹ thuật mạch điện tử

goại sai và có thể lọt ra ngoài anten. Hốc cộng h−ởng này, vì lệch cộng h−ởng khỏi tần số ngoại sai, nên có trở kháng nhỏ đối với tần số này. Muốn tạo trở kháng lớn với tần số ngoại sai về phía hốc cộng h−ởng ta phải đặt cái dò ở vào khoảng )12( 4 +nnsλ cách hốc cộng h−ởng. Trong hình vẽ ta đặt cách 4 nsλ cho nên hầu nh− không có dao động ngoại sai truyền lan về phía hốc cộng h−ởng. Việc ghép giữa bộ trộn tần với hốc cộng h−ởng cũng là một vấn đề phức tạp. Giữa hốc trộn tần và hốc cộng h−ởng tần số tín hiệu th−ờng đ−ợc ghép bằng vòng ghép hay tấm chắn, cửa sổ ghép. Chọn kích th−ớc các phần tử thích hợp, ta sẽ có sự phối hợp trở kháng giữa hai hốc. Song vấn đề không phải chỉ có nh− vậy. Hốc trộn tần luôn tạo một điện trở vào phản ánh vào hốc cộng h−ởng tần số tín hiệu. Điện trở phản ánh này chủ yếu phụ thuộc vào công suất ngoại sai đ−a đến bộ trộn tần và điện trở vào của điôt trộn tần là những đại l−ợng luôn thay đổi khi điều chỉnh bộ biến tần. Hơn nữa điện trở vào của điôt trộn tần ngoài sự phụ thuộc vào tần số công tác, công suất ngoại sai, còn có giá trị rất khác nhau khi thay điôt, mặc dù là điôt cùng nhãn hiệu, từ ( )10020 ΩữΩ . 2 nsλ R nsR NSU Pρ Hình 9.25. Sơ đồ t−ơng đ−ơng của đ−ờng truyền dao động ngoại sai 372 Để điện trở phản ánh của hốc trộn tần đỡ ảnh h−ởng đến phẩm chất của hốc cộng h−ởng tín hiệu, nhất là khi thay đổi điôt trộn tần, ng−ời ta làm hốc trộn tần trên đoạn ống có điện trở sóng nhỏ xấp xỉ giá trị trung bình của điện trở vào điôt. Ngoài ra giá đỡ điôt cũng cấu trúc cho có giá trị điện trở khoảng Ω100 . Đặc biệt, ng−ời ta đặt điôt trộn tần cách hốc cộng h−ởng tần số tín hiệu một khoảng cách độ λ 8 12 +n . Trong hình vẽ ta chọn λ 8 3 . Với khoảng cách nh− trên ta tạo đ−ợc một trở kháng phản ánh của điôt trộn tần vào hốc cộng h−ởng ít thay đổi, khi chính điện trở vào của điôt thay đổi. Nguyên do là đoạn λ 8 12 +n trong kỹ thuật siêu cao tần có thể coi nh− một biến áp có hệ số biến áp m tỉ lệ với tỉ số t p R ρ . Do đó khi tải có giá trị lớn ( t pR >ρ ), thì qua đoạn đ−ờng truyền, điện trở phản ánh của tR ở đầu kia đ−ờng truyền sẽ nhỏ hơn tR (vì 1m nên điện trở phản ánh đầu kia sẽ lớn hơn tR ). Điôt trong hốc trộn tần phải đóng vai trò một anten thu nhận các dao động ngoại sai và tín hiệu truyền tới. Do đó muốn thu nhận năng l−ợng tốt nhất, điôt trộn tần phải đặt đúng vị trí của nó trong tr−ờng điện từ của các sóng cao tần truyền đến. Muốn thế, trong cấu trúc hốc trộn tần kiểu ống dẫn sóng chữ nhật, do điôt đặt ngang ống theo thành hẹp, nên nó phải đ−ợc đặt vào bụng sóng của tr−ờng, nghĩa là đặt cách pitông ngắn mạch một quãng ol 4 λ≈ . Còn trong cấu trúc hốc trộn tần kiểu đồng trục, do điôt đặt dọc ống nó phải đặt vào chỗ có dòng điện lớn nhất, nghĩa là ngay chỗ ngắn mạch cao tần, ở đầu phích cắm trung tần. Giá trị chính xác của ol sẽ chọn theo điều kiện phối hợp trở kháng giữa điện trở vào của điôt diotVR với điện trở bức xạ của giá gá điôt gR . Điện trở bức xạ này tính theo công thức: 373 )2(sin2 22 og p g lhab R λ πρ= (9.45) Trong đó: ba, là kích th−ớc tiết diện ống dẫn sóng, pρ là điện trở sóng của ống, gh là chiều cao hiệu dụng của giá gá điôt. Ta nghiên cứu tiếp sang mạch trung tần. Để lấy tín hiệu trung tần ra ng−ời ta nối cáp vào phích cắm cáp trung tần, rồi đ−a tín hiệu đến bộ lọc trung tần, thực chất là một mạch cộng h−ởng điều chỉnh ở tần số trung gian. Nh− ta đã nói ở trên, phích cắm cáp trung tần thực chất là một bộ lọc siêu cao tần có dạng cái “cốc 4/λ ”. Nó làm gắn liền với các vòng đệm cách điện để giảm b−ớc sóng ( λλε < ) và tăng thêm độ bền cơ học, tránh bụi vào trong hốc trộn tần. Do cấu trúc dạng “cốc 4/λ ” mà mặt trong phích cắm, về phía hốc trộn tần ta có điện trở rất nhỏ hầu nh− ngắn mạch đối với các dao động của ngoại sai và của tín hiệu. Do đó, các dao động này không lọt đ−ợc ra ngoài, vào mạch trung tần. Trong hình 9.23 và hình 9.24 chúng ta biểu diễn mạch lọc trung tần đơn giản có thể gặp trong thực tế. ở mạch này ng−ời ta còn mắc đồng hồ chỉ thị dòng một chiều của điôt trộn tần (micrôampe kế) có tụ lọc 1C để ngăn thành phần một chiều. Điều chỉnh bộ trộn tần, tức là điều chỉnh chế độ làm việc của nó theo công suất của dao động ngoại sai đ−a vào bộ trộn, đ−ợc xác định nhờ đồng hồ chỉ thị trên. Có nhiều tr−ờng hợp để lọc bỏ thành phần xoay chiều t−ơng đối kỹ, ng−ời ta dùng các mạch lọc LC nối tiếp nh− hình 9.29 mà không dùng đơn giản một tụ 1C nh− ở hình 9.23 và hình 9.24. Ngoài các cấu trúc nh− trên, nhiều khi ng−ời ta dùng các bộ phân mạch định h−ớng trên ống dẫn sóng hay trên các dải dẫn sóng (đ−ờng truyền nhờ hai tấm 374 kim loại ghép lên tấm điện môi). Dùng các bộ phân mạch định h−ớng dễ ghép hai đ−ờng truyền tín hiệu và ngoại sai với nhau hơn mà dải tần công tác lại rộng hơn. 9.5.6. Bộ trộn tần cân bằng dùng điôt bán dẫn Nh− ta đã nói ở trên, ở dải sóng decimet và centimet ng−ời ta th−ờng dùng các bộ ngoại sai bằng klitstron. Klitstron th−ờng có phổ tạp âm từ KHzKHZ 61010 ữ , bao trùm mọi dải sóng công tác. Mặc dù mức độ nhỏ song tạp âm của Klitstron làm tăng tạp âm của máy thu một cách đáng kể (từ 1 đến 3 db). Do đó sinh ra yêu cầu khử bỏ tạp âm ngoại sai trong bộ biến tần. Để thực hiện yêu cầu này ta dùng bộ trộn tần cân bằng. Khả năng khử tạp âm ngoại sai của nó có thể thấy rõ từ sơ đồ bộ trộn tần cân bằng dùng điôt ở mục 9.3.1. Một sơ đồ cấu trúc đơn giản thực hiện bộ trộn tần cân bằng đ−ợc biểu diễn ở hình 9.26. Trong đó ngoại sai đ−ợc đ−a đến hai điôt đồng pha, vì cùng phải truyền một đoạn 4/λ . Nh−ng tín hiệu nhận đ−ợc từ hốc cộng h−ởng thf đ−a đến lại ng−ợc pha nhau vì đoạn đ−ờng truyền lan đến các điôt khác nhau: 244 λλλ =+ , do đó bộ biến tần cũng có những hiện t−ợng tổng hợp và trung hoà tác dụng nh− đã nói ở trên. Từ các thí dụ đơn giản trên ta có thể tính các dòng điện trung tần của tạp âm ngoại sai và của tín hiệu theo các công thức: ta n s ta nso bt1 bt2 1 1i P L L ⎛ ⎞=ρ −⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ (9.46) ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ += 21 11 btbt othtg LL Pi δ (9.47) Hình 9.26. Sơ đồ cấu trúc bộ trộn tần cân bằng dùng điốt 2tgi 1tgi 1tai 2tai tgf thfthP nsP 4/λ 4/λ 375 ở đây: δ là hệ số tỉ lệ, othnsota PP ; là các công suất tạp âm danh định của ngoại sai và công suất tín hiệu danh định truyền đến các điôt trộn tần. 21 ; btbt LL là các hệ số suy giảm của từng mạch biến tần. Rõ ràng là khi hai mạch trộn tần hoàn toàn giống nhau về mọi tham số thì có thể trung hoà tạp âm ngoại sai của hai mạch trộn tần với nhau, làm cho ta nsi 0→ . Để đánh giá chất l−ợng khử bớt tạp âm ngoại sai ng−ời ta đ−a vào hệ số chế áp tạp âm ngoại sai cbK của bộ trộn tần cân bằng. Nó đ−ợc tính theo công thức: ( ) ( )221 2 21 btbt btbt cb LL LL K − += (9.48) Hệ số này nói lên khi dùng bộ trộn tần cân bằng tỉ số tín hiệu trên tạp âm ngoại sai ở đầu ra bộ biến tần tăng lên mấy lần. Cần l−u ý là, theo định nghĩa trên, thì ta phải coi là ở bộ biến tần chỉ có tạp âm do ngoại sai đ−a đến. Hệ số cbK của nhiều bộ biến tần có thể đạt từ 5020 ữ lần, ngay cả khi các mạch trộn tần của cùng một bộ không hoàn toàn giống nhau. Trong thực tế do còn nhiều tạp âm của các nguồn khác (nh− do điôt) sinh ra, nên hệ số cbK chỉ khoảng nh− vậy. Song trong bộ biến tần ng−ời ta đã nghiên cứu tr−ớc đây còn phải giải quyết nhiều vấn đề phức tạp khác nữa. Do đó không thể dùng cấu trúc bộ trộn tần cân bằng đơn giản nh− vậy. Trong các máy thu siêu cao tần hiện nay ng−ời ta dùng bộ trộn tần cân bằng trên cơ sở một chạc ba kép, hay một bộ phân mạch định h−ớng (nh− trên một cầu khe). Dùng chạc ba kép để cấu tạo bộ biến tần cân bằng là cách tiện lợi nhất giải quyết những nhiệm vụ của bộ biến tần: phân cách các mạch tín hiệu và ngoại sai với nhau, chia đôi công suất đ−a tới t−ơng đối đối xứng. 376 Từ hình 9.27 biểu diễn chạc ba kép, ta thấy nên đ−a công suất của tín hiệu vào nhánh E, công suất của ngoại sai vào nhánh H (hoặc ng−ợc lại) thì các công suất này sẽ đ−ợc chia đôi đ−a đến hai nhánh 1 và 2 mà không lọt từ nhánh nọ sang nhánh kia. Điều này cho phép ta thực hiện phân cách mạch tín hiệu và ngoại sai đơn giản hơn so với tr−ớc đây (hình 9.23 và 9.24) rất nhiều. Hơn nữa cũng giảm đ−ợc công suất bộ ngoại sai một cách rõ rệt. Công suất ngoại sai chỉ cần bằng 2 lần giá trị công suất để biến tần chứ không cần gấp vài chục lần để bù trừ sự ghép lỏng nh− tr−ớc đây nữa. Nh−ợc điểm trên đây không phải chỉ có ở các bộ trộn tần thông th−ờng tr−ớc đây mà còn có ở cả bộ trộn tần dùng bộ phân mạch định h−ớng nữa. Một nh−ợc điểm của bộ trộn tần dùng chạc ba kép là khó chế tạo và khó điều chỉnh để cho chạc ba kép thật đối xứng và thật phân cách giữa hai nhánh E và H. Nh−ợc điểm này ở bộ phân mạch định h−ớng lại khắc phục dễ hơn. Hình 9.28 biểu diễn sơ đồ đơn giản cấu trúc của bộ biến tần dùng bộ phân mạch định h−ớng trên cầu khe. Nó cho phép chia công suất của các nhánh làm hai lần và lệch pha đi 090 (thí dụ chậm pha 090 ). Vì khi truyền qua khe ghép giữa hai ống dao động bị chậm đi 090 cho nên nh− trên đã nói, trong khi dòng tạp âm luôn bù trừ triệt tiêu lẫn nhau thì dòng điện tần số trung gian lại lệch nhau 0180 . Vì pha của dòng điện tần số trung gian có thể tính theo pha của các dao động đ−a đến nh− sau: 00 2 00 1 9090 90)90( +−=−+= −−=+−= nsthnsthg nsthnsthtg ϕϕϕϕϕ ϕϕϕϕϕ (9.49) Nh− vậy khi kể đến các điôt mắc ng−ợc nhau thì ta thấy trên cuộn cảm đầu ra chỉ còn thành phần dòng điện trung gian của tín hiệu. Hình 9.27. Cấu trúc của chạc ba kép D1 D2 Pth Pns 377 2tgi 1tgi 1tai 2tai thP nsP Hình 9.28. Cấu trúc bộ biến tần dùng bộ phân mạch định h−ớng trên cầu khe. Dùng bộ biến tần cân bằng còn có một cái lợi nữa là tránh đ−ợc những tác động nhiễu mạnh bên ngoài lên mạch trung tần. Khi có nhiễu mạnh, các điôt sẽ tách sóng trong mạch trung tần của bộ trộn. Song do các điôt mắc đối đầu nhau nên nhiễu tự triệt tiêu lẫn nhau, không gây hiệu ứng gì ở bộ khuếch đại trung gian (KĐTG). Cuối cùng thúc chúng ta l−u ý một chút đến mạch ghép trung tần giữa bộ trộn tần và bộ KĐTG, một mạch ghép th−ờng dùng trong các đài rađa của quân đội có dạng nh− hình 9.29. Hai điôt trộn tần 21 ; DD sau khi qua phích cắm cáp trung tần, đ−ợc đ−a đến biến áp 1T và 2T , rồi đ−a đến hai tải phối hợp trở kháng Z , tr−ớc khi qua mạch lọc LC để đo dòng điện một chiều của điôt. Hai điểm 1 - 1 đ−ợc nối về trung tần với nhau nhờ tụ C. Nếu chọn Z sao cho Z 2 1 bằng giá trị liên hợp phức của trở kháng giữa các điểm 1 1− với đất, thì ta đ−ợc một cầu cân bằng không có sự dò điện áp từ một điôt lên điôt khác. Muốn cho dòng tạp âm ngoại sai của các nhánh điôt triệt tiêu nhau chúng ta cuốn hai cuộn cảm 2L ng−ợc chiều nhau để cho dòng tạp âm ngoại sai sẽ chạy ng−ợc chiều nhau trong vòng thứ cấp biến áp. 378 I I Z Z 1D 2D 1 1 C 1T 2T 2L 1L Hình 9.29. Mạch ghép giữa trộn tần và KĐTG Tóm lại, dùng bộ trộn tần cân bằng nhằm tác dụng chủ yếu là để khử tạp âm ngoại sai. Do đó, dùng nó chỉ có lợi khi tạp âm ngoại sai lớn đáng kể, đặc biệt là khi bộ ngoại sai làm bằng đèn klitstron. Trong những tr−ờng hợp tốt nhất, bộ biến tần cân bằng ở dải sóng cm3 cho phép giảm hệ số tạp âm của bộ biến tần đi db3 , là một ích lợi đáng quan tâm. 379 Ch−ơng 10 Mạch cung cấp nguồn 10.1. Khái niệm Nhiệm vụ của mạch cung cấp nguồn là tạo ra các nguồn điện áp (hoặc nguồn dòng điện) với các giá trị phù hợp theo yêu cầu để cung cấp cho các thiết bị điện, điện tử làm việc. Thông th−ờng nguồn năng l−ợng cung cấp cho khối nguồn lấy từ mạng điện xoay chiều hoặc từ pin, ắcquy. Đại l−ợng vào và đại l−ợng ra của mạch nguồn cung cấp có thể là xoay chiều hoặc một chiều. Căn cứ vào tính chất của các đại l−ợng đó, có thể phân biệt 4 loại mạch cung cấp nguồn nh− trong bảng 10.1. 380 Quan trọng hơn cả là nguồn cung cấp một chiều. Nó biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều. Yêu cầu đối với loại nguồn này là điện áp ra ít phụ thuộc vào sự biến thiên của điện áp mạng, của tải và của nhiệt độ. Để đạt đ−ợc yêu cầu đó phải dùng các mạch ổn định (ổn áp, ổn dòng). Các mạch cung cấp “cổ điển” dùng biến áp, nên kích th−ớc và trọng l−ợng của nó khá lớn. Ngày nay có xu h−ớng dùng các mạch cung cấp không có biến áp. Yêu cầu về độ ổn định của các điện áp cung cấp rất khác nhau. Đối với một số thiết bị chỉ cần cung cấp điện áp thông th−ờng (không ổn áp), ng−ợc lại với một số thiết bị khác (ví dụ: các thiết bị đo) thì điện áp cung cấp chỉ cho phép dao động khoảng vài phần nghìn xung quanh giá trị trung bình của nó. Đối với các thiết bị số, điện áp cung cấp đ−ợc phép dao động trong phạm vi vài phần trăm, còn với các thiết bị tự động hoá thì mức dao động cho phép là 15% đến 10%. Khi dùng pin, acquy thì mức dao động này còn lớn hơn. Các tham số cơ bản của một mạch cung cấp là mức điện áp và dòng điện ra, công suất ra cực đại, độ ổn định điện áp ra, điện trở trong, hệ số nhiệt của điện áp ra, mức gợn sóng ở đầu ra, khả năng chịu đựng ngắn mạch, dải nhiệt độ, kích th−ớc và giá thành. 10.2. Biến áp nguồn và chỉnh l−u Biến áp nguồn làm nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều của mạng điện thành điện áp xoay chiều có trị số cần thiết đ−a đến mạch chỉnh l−u và ngăn cách mạch chỉnh l−u với mạng điện về một chiều. Các phần tử tích cực dùng để chỉnh l−u là các phần tử có đặc tuyến volt- ampe không đối xứng sao cho dòng điện qua nó chỉ đi theo một chiều. Ng−ời ta th−ờng dùng chỉnh l−u Silic. Để có công suất nhỏ hoặc trung bình cũng có thể dùng chỉnh l−u Selen. Để có công suất ra lớn (>100W) và có thể chỉnh điện áp ra tuỳ ý, ng−ời ta dùng Thyristor để chỉnh l−u. Các sơ đồ chỉnh l−u th−ờng là sơ đồ chỉnh l−u nửa sóng (hình 10.1) và sơ đồ chỉnh l−u toàn sóng (hình 10.4). Sơ đồ bội áp chỉ đ−ợc dùng trong những tr−ờng hợp đặc biệt, ví dụ dùng để tạo điện áp cao với dòng cung cấp bé (cỡ À ). 381 Mạch chỉnh l−u phải có hiệu suất (tỷ số công suất ra và công suất cung cấp ở đầu vào) cao, ít phụ thuộc vào tải và độ gợn sóng của điện áp ra nhỏ. 2i2u D ru1u 2i2u 1N 2N tR )a )b )c )d )e nU nU nU DTr DTrbaR 21U tR rU Du a∆ b∆ Di 0 0 π π2 π2πtω tω 20I 2mI Điốt lí tưởng Điốt lí tưởng Hình 10.1. Chỉnh l−u nửa sóng a) Mạch điện; b) Điện áp xoay chiều ở đầu vào mạch chỉnh l−u; c) Dòng chỉnh l−u (giả thiết điện áp ng−ỡng 0=ngU ); d) Sơ đồ t−ơng đ−ơng mạch thứ cấp; e) Đặc tuyến và sơ đồ t−ơng đ−ơng của điôt, a brDT ∆ ∆= : điện trở thông của điôt. Chọn điôt chỉnh l−u cần phải quan tâm đến các thông số sau đây: dòng trung bình, dòng cực đại, điện áp ng−ợc và nhiệt độ môi tr−ờng. Nếu biên độ điện áp vào đủ lớn thì có thể coi đặc tuyến của điôt là một đ−ờng gấp khúc (hình 10.1e). Trong các mạch chỉnh l−u điều kiện này luôn luôn thoả mãn. Khi đánh giá trị số dòng cực đại của điôt và hạ áp trong mạch thứ cấp của biến áp dùng biểu thức (10.1) để xác định nội trở của biến áp: )/( 2nRRR sctcba += (10.1) Trong đó: 2 1 N Nn = - hệ số biến áp 21; NN - số vòng của cuộn sơ cấp và thứ cấp biến áp. tcR - điện trở của cuộn thứ cấp biến áp scR - điện trở của cuộn sơ cấp. 382 Với nguồn chỉnh l−u công suất nhỏ (công suất hiệu dụng WPhd 2001ữ≈ ) có thể dùng công thức kinh nghiệm (10.2) để xác định điện trở trong của biến áp: )(8,03 WP R R hd ba N +≈ (10.2) Trong đó: NhdNhdN IUR /= -là điện trở tải danh định của mạch thứ cấp. NhdNhd IU ; - là trị hiệu dụng của điện áp danh định và dòng điện danh định của biến áp. hdP : là công suất hiệu dụng, tính theo đơn vị W. Khi xét các mạch chỉnh l−u sau đây, giả thiết bỏ qua thời gian chuyển mạch và điện dung của điôt đồng thời coi đặc tuyến của điôt là đ−ờng gấp khúc nh− trên hình 10.1e với điện trở ng−ợc ∞=ngR . 10.2.1. Mạch chỉnh l−u nửa sóng. a) Nguyên lý làm việc. Giả thiết điện áp xoay chiều trên cuộn thứ cấp biến áp: 21 21 sinu U tω= Ta có dòng điện chạy trong mạch thứ cấp: 212 21 sin n n i t U t Ui Khi u U R R ω −= ≥+ (10.3) Và 02 =i Khi nUu <21 (10.4) Trong các biểu thức trên nU là điện áp ng−ỡng của điôt; tR là tải của mạch thứ cấp, DTBAi rRR += . Từ (10.3) suy ra giá trị cực đại dòng thứ cấp: 212 n i t U UI R R −= + (10.5) Trị trung bình đại số của dòng chỉnh l−u khi 0=nU : 22 20 2 0 1 ( ) 2 Ii I i d t π ωπ π= = =∫ (10.6) 383 Vì điện áp ra trên tải tr Riu 2= có dạng giống đồ thị thời gian của 2i nên trị trung bình đại số của nó: 2 2( / )r ro t tu U i R I Rπ= = = (10.7) Với 0≠nU , từ (10.5) ta xác định đ−ợc: 2122 ( ) ( ) n t r ro t t i t U U RIu U i R R R Rπ π −= = = ≈ + (10.8) Ta thấy điện áp ra ru tỷ lệ tuyến tính với điện áp vào 21u và mạch chỉnh l−u nửa sóng là mạch chỉnh l−u trị trung bình. Từ biểu thức (10.8) có thể vẽ sơ đồ t−ơng đ−ơng (Hình 10.2). Theo sơ đồ này ta có thể viết lại biểu thức (10.8) nh− sau: 21 21 2 21 2 n t n ro i i t i U U R U UU i R U i R R Rπ π − −= = − = −+ Với 2121 nU UU π −= Quan hệ này cho biết sự phụ thuộc của điện áp ra vào tải: khi dòng qua tải 2i tăng thì sụt áp trên iR tăng do đó điện áp ra tải ru giảm. b) ảnh h−ởng của điện dung tải đến công suất của bộ chỉnh l−u. Trong mạch điện hình 10.1 điện áp ra tải là một dãy xung hình sin. Để cung cấp cho các thiết bị điện tử, yêu cầu điện áp ra của bộ chỉnh l−u là điện áp một chiều t−ơng đối bằng phẳng. Muốn vậy, phải mắc song song với tải tụ điện tC (hình 10.3a). Khi điôt thông thì tC nạp và tích trữ năng l−ợng, khi điôt ngắt thì tC phóng điện qua tR . Bằng cách đó có thể giảm độ gợn sóng của điện áp ra (hình 10.3b). Hình 10.2. Sơ đồ t−ơng t−ơng điện áp của mạch chỉnh l−u nửa sóng biểu diễn quan hệ giữa ru và 2i DTr baR 21U ru tRiR 384 1U 2U tC tR rU )a )b 0 tt RiU 2= tCCú tCcúKhụng t Hình 10.3. ảnh h−ởng của điện dung tải đến công tác của bộ chỉnh l−u: a) Mạch điện; b) Đồ thị thời gian điện áp ra tải khi có điện dung tải và khi không có điện dung tải. Khi điện trở tải tR lớn thì tC có thể đ−ợc nạp tới giá trị đỉnh của điện áp xoay chiều: 2r nu U U≈ − . Lúc này ta có mạch chỉnh l−u giá trị đỉnh khác với mạch chỉnh l−u giá trị trung bình trên hình 10.2. Điện áp trên điôt (coi 0=nU ); 2 2Du u U= − luôn luôn âm và đạt đ−ợc giá trị đỉnh 22DU U≈ − . Vậy trong tr−ờng hợp mạch có thêm điện dung tải thì điện áp ng−ợc đặt lên điôt là 22U lớn gấp đôi so với tr−ờng hợp không có tC . Nếu tR không lớn quá thì trong mỗi chu kỳ tụ tC phóng điện tạo ra một năng l−ợng biến đổi điện áp trên tải. )/( ttrr CRTuC QU ≈∆≈∆ Công suất tổn hao trên điôt: DthD UiP .2= (10.9) Khi mới đóng mạch, tụ tC ch−a đ−ợc nạp, nên dòng qua điôt lớn nhất: 212max n BA DT U UI R r −≈ + Để cho 2maxI không v−ợt quá giá trị cực đại cho phép của dòng qua điôt khi baR nhỏ, có thể mắc thêm một điện trở hạn dòng nối tiếp với điôt. 385 10.2.2. Mạch chỉnh l−u toàn sóng. Đặc điểm của mạch chỉnh l−u toàn sóng là trong cả hai chu kỳ của điện áp xoay chiều đều có dòng điện chạy qua tải (hình 10.4c). Có hai loại sơ đồ chỉnh l−u toàn sóng: sơ đồ cân bằng (hình 10.4a)và sơ đồ cầu (hình 10.4b). 2u 2i tR)b )c 21U 0 ru tRtC22U ~ ru tC t ~ 2i tC r u )a Có Hình 10.4. Mạch chỉnh l−u toàn sóng. a) Sơ đồ cân bằng, b) Sơ đồ cầu, c) Đồ thị thời gian điện áp ra. Sơ đồ chỉnh l−u cân bằng (hình 10.4a) là hai sơ đồ chỉnh l−u nửa sóng mắc song song có tải chung. T−ơng tự nh− sơ đồ chỉnh l−u nửa sóng, khi 0=nU và 0=tC từ (10.6) ta suy ra: 2 20 2 2i I Iπ= = và 20 2 2 ro t tU I R I Rπ= = (10.10) Khi tính toán 2I theo (10.5) cần l−u ý rằng 21U là biên độ điện áp xoay chiều không tải trên một nửa cuộn thứ cấp và DTr cũng nh− BAR là điện trở trong của một điôt và một nửa cuộn thứ cấp. 386 Trị trung bình đại số của điện áp ra khi 0=tC tăng gấp đôi so với sơ đồ chỉnh l−u nửa sóng. Sơ đồ t−ơng đ−ơng (hình 10.2) cũng đúng với sơ đồ chỉnh l−u cân bằng khi thay 21U bởi 212U , tức 21U bởi 21 2( )nU U π − và coi iR là điện trở trong của một nửa sơ đồ. Điện áp ng−ợc cực đại đặt lên điôt bằng khoảng 22U . Sơ đồ cầu th−ờng dùng trong tr−ờng hợp điện áp xoay chiều t−ơng đối lớn. Tuy cũng là sơ đồ chỉnh l−u toàn sóng, nh−ng nó −u việt hơn sơ đồ cân bằng ở chỗ cuộn thứ cấp đ−ợc sử dụng toàn bộ trong hai nửa chu kỳ điện áp vào điện áp ng−ợc đặt lên điôt trong tr−ờng hợp này chỉ bằng một nửa điện áp ng−ợc trong sơ đồ cân bằng. Điện áp ra cực đại khi không tải: 2 2r nU U U ′= − Nghĩa là nhỏ hơn chút ít so với điện áp ra trong sơ đồ cân bằng, vì ở đây luôn luôn có hai điôt mắc nối tiếp. Trong sơ đồ hình10.4b, nếu nối đất điểm giữa biến áp và mắc thêm tải nh− hình 10.5 thì ta có mạch chỉnh l−u có điện áp ra hai cực tính. Đây thực chất là hai mạch chỉnh l−u cân bằng. tR ′ tR~ tC ru tC ′ ru− 21U 22U + Hình 10.5. Chỉnh l−u điện áp ra hai cực tính. Bảng 10.2 cho biết một số tham số của các sơ đồ chỉnh l−u nửa sóng và toàn sóng đã xét và −u khuyết điểm của chúng. 387 Bảng 10.2. Tham số của hai loại mạch chỉnh l−u. Chỉnh l−u toàn sóng Tham số Chỉnh l−u nửa sóng Sơ đồ cân bằng Sơ đồ cầu )0(2 =thd CU )0(2 =thd CI )0( ≠tng CU )0( =tCW f roro UU 22,22 ≈π 220 57,12 II ≈π hdU 222 21,1 hz50 roro UU 22,22 ≈π 2020 79,04 II ≈π hdU 22 49,0 hz100 roro UU 11,122 ≈π II 11,1 22 20 ≈π hdU 22 49,0 hz100 Ưu điểm Chỉ dùng một điôt - Tận dụng đ−ợc công suất biến áp. - Tần số ù cao hơn do đó yêu cầu lọc ù thấp hơn. - Tận dụng đ−ợc công suất biến áp. - Tần số ù cao hơn do đó yêu cầu lọc ù thấp hơn. - Điện áp ng−ợc đặt lên điôt thấp hơn. Khuyết điểm Độ gợn sóng điện áp ra lớn. Cần dùng 2 điôt Cần dùng 4 điôt. hdhd IU 22 , - lần l−ợt là điện áp và dòng điện hiệu dụng trong mạch thứ cấp biến áp. ngU - Điện áp ng−ợc đặt lên điôt; W - Điện áp u / điện áp ra roU là hệ số gợn sóng; f - Tần số của điện áp ra bộ chỉnh l−u. 388 10.2.3. Tải của bộ chỉnh l−u. Nh− đã nói, ở đầu ra bộ chỉnh l−u ngoài điện tải tR , song song với nó có thêm điện dung tải tC . Khi điôt thông thì điện áp ra tăng do quá trình nạp của tC , còn khi điôt ngắt thì điện áp ra giảm theo hàm số mũ với hằng số thời gian ttCR=τ . Trong thực tế chọn điện dung tải lớn sao cho độ gợn sóng của điện áp ra cỡ vài phần trăm. Do đó, khi điôt ngắt, điện áp ra giảm gần nh− tuyến tính và thời gian nạp của tụ nhỏ hơn nhiều so với thời gian phóng. Do vậy: 1t T pf ≈ =phóng Với: 1=p khi chỉnh l−u nửa sóng; 2=p khi chỉnh l−u toàn sóng; f - tần số điện áp vào. Trong quá trình phóng điện, điện tích trên điện dung tải thay đổi một l−ợng: pho ngpho ng pho ng pho ng I Q I t pf ′ ′ ′ ′= ≈ Do đó điện áp trên tụ tC thay đổi một l−ợng t−ơng ứng. t ngoph t ngoph wC pfC I C Q UU ′′ ===∆ Trong đó Cw UU ∆= đ−ợc gọi là điện áp gợn sóng. Nó biến thiên có chu kỳ và có tần số là pf . Độ gợn sóng của điện áp ra trong mạch chỉnh l−u toàn sóng bằng một nửa độ gợn sóng của điện áp ra trong mạch chỉnh l−u nửa sóng. Độ gợn sóng tỷ lệ với dòng điện tải và tỷ lệ nghịch với điện dung tải. Vì vậy trong các nguồn cung cấp có dòng tải lớn phải dùng điện dung tải rất lớn 3 4 1 10 10C Fà> ữ (tụ hoá). Tuy nhiên điện dung tải càng lớn thì dòng tải trong quá trình quá độ càng lớn. Vì vậy, ngoài việc chọn điện dung tải lớn, còn mắc thêm một điện trở phụ PR để hạn dòng nhằm tăng tuổi thọ của bộ chỉnh l−u. 389 Tính toán quan hệ giữa điện áp ra roU với tải và điện trở của biến áp khá phức tạp. Vì vậy ở đây ta dùng các kết quả đã có sẵn đ−ợc biểu diễn bằng đồ thị trên hình 10.6. Chú ý rằng đối với sơ đồ cầu, thay nU bởi nU2 trên trục tung của đồ thị 10.6a. Từ đồ thị 10.6a suy ra đ−ợc biên độ điện áp trên biến thế lúc không tải 2tU khi biết điện áp ra roU và tỷ số điện trở t i R R . Đồ thị 10.6b cho biết biên độ dòng điện qua điôt. Trị trung bình đại số DoI bằng dòng điện tải trong mạch chỉnh l−u nửa sóng và bằng một nửa dòng điện tải trong mạch chỉnh l−u toàn sóng. Đồ thị 10.6c biểu diễn quan hệ giữa hiệu suất và tải chuẩn t t R pR . Trong các đồ thị trên, điện trở trong iR đ−ợc xác định nh− sau: Sơ đồ chỉnh l−u nửa sóng: pDTbai RrRR ++= Sơ đồ chỉnh l−u cân bằng: pDTbai RrRR ++= Sơ đồ chỉnh l−u cầu: pDTbai RrRR ++= 2 ηDoD II / n ro UU U −21 1 2 1 10 10020 20010 100 ti RR / ti RRP / i t R RP 4 8 4,0 8,0 8,0 4,0 % % % Hình 10.6. Đặc tính điện áp ra (a); dòng điện ra(b); và hiệu suất (c) theo tải chuẩn của các sơ đồ chỉnh l−u khi 0≠tC (giả thiết pfCR tt /1> với Tpf =/1 - chu kỳ tín hiệu vào). Trong sơ đồ chỉnh l−u cân bằng, điện trở biến áp đ−ợc xác định theo biểu thức 10.1 là điện trở của một nửa cuộn thứ cấp của biến áp và 2N là số vòng dây của một nửa cuộn thứ cấp. 390 10.2.4. Mạch bội áp. Mạch bội áp đ−ợc dùng trong những tr−ờng hợp đặc biệt, ví dụ khi yêu cầu điện áp ra cao mà dòng tiêu thụ lại nhỏ (cỡ À ). Nếu dùng một tầng hình 10.7a thì điện áp một chiều ở đầu ra gấp đôi trị số đỉnh của điện áp xoay chiều ở đầu vào, vì 1C và 2C đ−ợc nạp đến giá trị đỉnh của điện áp vào qua 1D và 2D trong hai nửa chu kỳ âm và d−ơng. Trên hình 10.7b, trong nửa chu kỳ âm của điện áp 2u , 1C ′ đ−ợc nạp đến trị số gần bằng giá trị đỉnh 2U thông qua 1D′ . Trong nửa chu kỳ tiếp theo 1C đ−ợc nạp thông qua 1C ′ và 1D theo chiều nh− trên hình vẽ sao cho sau một vài chu kỳ của điện áp xoay chiều mỗi tụ điện đ−ợc nạp hai lần đến trị số đỉnh 2U theo chiều nh− trên hình vẽ. Nếu có n tầng nh− vậy thì điện áp ra tải 22nUUro ≤ . Th−ờng chọn 10≤n . Hình 10.7. Mạch bội áp a) Hai lần, 22nUUro ≤ ; b) n2 lần, 22nUUro ≤ 10.2.5. Khâu lọc trong các bộ chỉnh l−u. Để có điện áp t−ơng đối bằng phẳng ngoài việc dùng điện dung tải tC còn mắc thêm các khâu lọc LLCR hoặc LLCL . Để đặc tr−ng cho tính chất lọc của các khâu lọc đó, ng−ời ta dùng hệ số lọc G , là tỷ số độ gợn sóng trên đầu vào khâu lọc rU∆ và độ gợn sóng trên đầu ra khâu lọc rLU∆ : 391 rL r U UG ∆ ∆= (10.11) LR rU LC rLU Hình 10.8. Khâu lọc RC trong bộ chỉnh l−u. 1. Khâu lọc RC (hình 10.8). Khâu lọc RC là một khâu lọc thông thấp. Để tính hệ số lọc G , ta coi khâu lọc này nh− một mạch chia áp đối với thành phần tần số của điện áp bộ chỉnh l−u (tần số ù): L L L rrL Cj Cj R UU ω ω 1 1 1. + ∆=∆ Do đó 2 2 2 2 2 2 1 11 L Lr L L rL L R CUG C R U C ω ω ω +∆= = = +∆ Th−ờng 1222 >>LL RCω , do đó: LL RCG ω≈ (10.12) G tỷ lệ với ω , do đó các hài bậc cao của tần số tín hiệu vào qua khâu lọc bị nén nhiều hơn thành phần ứng với tần số cơ bản. Khi mắc khâu lọc này ở đầu ra mạch chỉnh l−u thì điện trở trong của mạch chỉnh l−u có lọc lớn lên, nghĩa là: Khi không có lọc: PDTBAi RrRR ++= Khi có lọc: Lii RRR +=′ Do đó tổn hao trong mạch chỉnh l−u tăng lên. Vì vậy không nên chọn LR quá lớn làm cho tổn hao của mạch tăng, đồng thời điện áp ra phụ thuộc nhiều vào tải, lúc này điện áp ra tải đ−ợc xác định theo biểu thức (10.13) với giả thiết 0=nU . 392 Chỉnh l−u nửa sóng: 2 20ro i UU R Iπ ′= − (10.13a) Chỉnh l−u toàn sóng: 2 20 2 ro i UU R Iπ ′= − (10.13b) Vì vậy, th−ờng chọn LR khá nhỏ, bù vào đó chọn LC lớn để đạt đ−ợc hệ số lọc G nh− mong muốn ( LR khoảng vài Ω và LC khoảng vài trăm Fà ). 2. Khâu lọc LC( hình 10.9). Bằng cách tính toán nh− đối với khâu lọc RC, ta có: LL rL r CL U UG 2ω=∆ ∆= (10.14) So với khâu lọc RC, khâu lọc này có hiệu suất cao hơn và điện áp ra ít phụ thuộc vào tải hơn, vì điện trở của cuộn cảm lọc rất nhỏ. Tuy nhiên cuộn cảm lọc có kích th−ớc lớn, do đó khâu lọc này ít đ−ợc dùng hơn. Ngoài ra cũng có thể mắc khâu lọc LC vào mạch chỉnh l−u không có điện dung tải tC . Quan hệ giữa điện áp ra rLU và dòng điện tải 20I đ−ợc biểu diễn trên hình 10.10. Khi không tải, điện áp bộ chỉnh l−u là rLoU , khi có tải rLU giảm. Tr−ờng hợp có tụ tC thì rLU giảm dần khi 20I tăng. Tr−ờng hợp không có tụ tC thì rLU lúc đầu giảm nhanh, sau khi min2020 II > thì rLU hầu nh− không đổi nghĩa là điện áp ra rất ít phụ thuộc vào tải. Đó là −u điểm cơ bản của mạch này so với mạch có điện dung tải. Ng−ời ta tính đ−ợc min20I cho sơ đồ chỉnh l−u toàn sóng nh− sau: 393 2 2220min 10 10 2 hd rLo L U UI L L − −= = Để cho điện áp ra ít phụ thuộc vào tải thì dòng 20I phải lớn hơn min20I ; nh−ng cũng không đ−ợc quá lớn làm cho cuộn lọc LL rơi vào tình trạng bão hoà. 10.3. ổn áp Các mạch ổn áp có nhiệm vụ giữ cho điện áp ra hoặc dòng điện ra của mạch cung cấp nguồn không đổi khi điện áp vào thay đổi cũng nh− khi tải hoặc nhiệt độ thay đổi. Thông th−ờng các mạch ổn định có tác dụng giảm ù và giảm tạp âm,do đó có thể giảm nhỏ kích th−ớc của thiết bị cung cấp nhờ tiết kiệm đ−ợc các tụ điện và điện cảm lọc. 10.3.1. Mạch ổn áp dùng điôt Zener. Các mạch chỉnh l−u có tụ lọc tC không có tính chất ổn áp một chiều, vì trở kháng đối với thành phần một chiều rất lớn. Trong tr−ờng hợp này có thể dùng điôt Zener ổn áp. Ngoài ra, dùng điôt Zener còn có lợi hơn dùng các khâu lọc đã xét, vì điện trở trong của mạch nhỏ và bằng điện trở động Zr của điôt Zener. Hiệu quả ổn áp của điôt Zener đ−ợc thể hiện tại đoạn đặc tuyến ứng với ZUu −< , lúc này với l−ợng biến đổi dòng điện I∆ khá lớn thì U∆ biến thiên rất ít (hình 10.11). Các điôt Zener có VU Z 8≈ th−ờng có điện trở động Zr nhỏ nhất nghĩa là chúng ổn áp tốt nhất. Các điôt có VU Z 8< thì Zr lớn, nên hiệu quả ổn áp kém, còn các điôt có VU Z 8> thì Zr có tăng nh−ng vẫn nhỏ, nên vẫn có thể dùng ổn áp đ−ợc, nh−ng hiệu quả ổn áp không cao. Vì thế khi cần ổn định điện áp lớn, nên chọn nhiều điôt có VU Z 8= mắc nối tiếp hơn là chọn một điôt với ZU lớn. Sơ đồ nguyên lý của mạch ổn áp dùng điôt Zener đ−ợc biểu diễn trên hình 10.12. Theo sơ đồ đó: Zr UU =′ Với ZU là điện áp đặt vào điôt Zener. 394 Hệ số ổn áp G đối với điện áp một chiều cũng đồng thời là hệ số lọc đối với điện áp xoay chiều (ù) đ−ợc xác định nh− sau: ZZZ Z r r r R r R r Rr U UG ≈+=+′∆ ∆= 1 Hệ số ổn áp t−ơng đối: r r Zr r rr rr U U r R U UG UU UUS ′≈′=′′∆ ∆= / / Mạch ổn áp loại này chỉ đ−ợc dùng khi công suất ra yêu cầu là nhỏ, vì hiệu suất của nó thấp ( %50≈η ) và công suất tổn hao trên R và Zr lớn. Kinh nghiệm cho thấy, trong mạch này để đảm bảo ổn định tốt, nên chọn rr UU ′ữ= )35,1( và maxmin ZZZ III << trong đó, maxZI là dòng cực đại cho phép qua điôt và minZI t−ơng đ−ơng với min20I trên hình 10.10. Để tăng hệ số ổn áp G , có thể mắc nối tiếp hai khâu ổn áp bằng điôt Zener nh− trên hình 10.13. Mạch này có: 21 .GGG = và 21.SSS = (khoảng 42 1010 ữ ). Trong đó: 21, GG và 21 , SS lần l−ợt là hệ số ổn định tuyệt đối và hệ số ổn định t−ơng đối của khâu ổn áp thứ nhất và thứ hai. 395 Mạch dùng hai điôt có tác dụng ổn áp tốt hơn mạch điện trên hình 10.12. Tuy nhiên xét về mặt ảnh h−ởng của tải thì hai mạch nh− nhau, vì điện trở trong của mạch này. 2Zi rR = Khi cần ổn áp trị số nhỏ có thể dùng điôt th−ờng mắc theo chiều thuận nh− trên hình 10.14. Với sơ đồ này, khi số điôt là ba, ta có: DDD D r R r R r rRG 33 1 3 3 ≈+=+= (10.15) Và r r Dr r U U r R U UGS ′=′= . 3 . Trong đó: Dr là điện trở thông của điôt, đ−ợc xác định theo biểu thức (10.16). D T D D D I U I Ur ≈∂ ∂= (10.16) TU - là điện áp nhiệt. 10.3.2. Mạch ổn áp dùng điôt Zener với mạch lặp emito ở đầu ra. Sơ đồ ổn áp dùng điôt Zener đã xét trong mục 10.3.1 th−ờng có công suất tổn hao khá lớn: ZZth UIP = . Khi yêu cầu dòng ra tải lớn, phải chọn điôt có dòng lớn. Điôt Zener chỉ thích hợp với các bộ chỉnh l−u công suất nhỏ. Có thể dùng các mạch ổn áp Zener có tầng ra là một mạch lặp emito để ổn áp cho các mạch chỉnh l−u công suất lớn hơn. Sơ đồ 10.15a dùng cho tr−ờng hợp điện áp ra cố định. Trong sơ đồ này, điôt Zener đ−ợc nối với tải qua một mạch lặp emito. Do cách mắc này, nên dòng qua 396 điôt Zener là ββ tE bo III =≈ nhỏ hơn dòng qua tải β lần ( β là hệ số khuếch đại dòng điện một chiều của tranzistor khi mắc emito chung). Do đó có thể dùng điôt Zener có dòng nhỏ cho các bộ chỉnh l−u công suất t−ơng đối lớn. ZU rU R zI BoI T rU ′ ZU rU R zI T rU ′ P ++ − − )a )b Hình 10.15. Sơ đồ ổn áp dùng điôt Zener với mạch lặp emito ở đầu ra: a) Điện áp ra cố định; b) Điện áp ra thay đổi. Trong sơ đồ trên hình 10.15a, điện áp chỉnh l−u đ−ợc xác định theo biểu thức (10.17). BEZr UUU −=′ (10.17) Với VU BE )7,06,0( ữ≈ . Điện trở trong của sơ đồ chính là điện trở ra của mạch lặp emitơ khi coi R và zr là điện trở phân áp bazơ. Ta có: 1+= β BE i rR Trong đó: BEr là điện trở vào của tranzistor Vì Zi rR < , nên mạch ổn áp loại này có điện áp ít phụ thuộc vào tải, do dòng qua điôt Zener nhỏ, nên có thể chọn trị số của điện trở R lớn để tăng hệ số ổn áp (xem biểu thức 10.15). Với sơ đồ 10.15b, có thể lấy ra điện áp rU ′ là một phần của ZU qua chiết áp P . Nếu chọn điện trở chiết áp P nhỏ hơn BEr thì điện trở trong của mạch tăng không đáng kể. 397 10.3.3. Mạch ổn áp có hồi tiếp. 10.3.3.1. Nguyên tắc thực hiện các sơ đồ ổn áp có hồi tiếp và phân loại. Để thoả mãn các yêu cầu cao hơn về mặt ổn áp, ổn dòng cũng nh− công suất ra, ng−ời ta dùng các mạch ổn định có hồi tiếp. Nguyên tắc làm việc của các sơ đồ ổn định có hồi tiếp đ−ợc biểu diễn trên hình 10.16. Trong mạch này, một phần điện áp (dòng điện) ra đ−ợc đ−a về so sánh với một giá trị chuẩn. Kết quả so sánh đ−ợc khuếch đại lên và đ−a đến phần tử điều khiển. Phần tử điều khiển thay đổi tham số làm cho điện áp (dòng điện) ra trên nó thay đổi theo xu h−ớng tiệm cận dần đến giá trị chuẩn. Hình 10.17a và 10.17b minh hoạ ph−ơng pháp lấy tín hiệu đ−a về mạch so sánh khi ổn áp (a) và khi ổn dòng (b). Hình 10.17. Cách lấy tín hiệu đ−a về bộ so sánh a) Khi ổn áp ; b) Khi ổn dòng. Có thể thấy rằng, tất cả các nguồn áp ( iR nhỏ) và nguồn dòng ( iR lớn) đ−ợc thực hiện theo ph−ơng pháp hồi tiếp, đều là những mạch ổn áp hoặc ổn dòng. Tuy nhiên do yêu cầu về mặt công suất, nên trong các sơ đồ ổn áp và ổn dòng còn có thêm một bộ khuếch đại công suất mắc trong mạch hồi tiếp. 398 Các sơ đồ ổn định có hồi tiếp đ−ợc chia thành hai loại cơ bản: ổn định song song và ổn định nối tiếp. Nguyên tắc ổn định song song đ−ợc biểu diễn trên hình 10.18. Trong đó tranzistor điều khiển đ−ợc mắc song song với nguồn điện áp chỉnh l−u rU . Bộ khuếch đại thuật toán có hiệu điện áp vào 0=dU . Khi điện áp ra giảm thì điện áp bazơ-emitơ của tranzistor T giảm nhanh hơn. Do đó dòng emito giảm, hạ áp trên iR giảm làm cho điện áp ra tăng. Nhờ khâu hồi tiếp âm, nên điện áp ra rU ′ luôn luôn có trị số bằng điện áp chuẩn chU . Sơ đồ ổn áp song song chỉ đ−ợc dùng trong các bộ chỉnh l−u công suất bé, vì hiệu suất của nó thấp. rU′ + −ch U rU + − T rU ′rU + − T + −ch U )a )b Hình 10.19. Nguyên tắc ổn áp nối tiếp a) Dùng mạch lặp emito ; b) Dùng mạch emito chung. Trong sơ đồ ổn áp nối tiếp (hình 10.19) tranzistor điều khiển T đ−ợc mắc nối tiếp với nguồn điện áp chỉnh l−u rU . Tranzsitor T trên hình 10.19a, đ−ợc mắc theo kiểu mạch lặp emitơ. Điện áp vào của bộ khuếch đại thuật toán luôn luôn bằng không do đó điện áp ra chr UU =′ . Khi điện áp ra giảm thì điện áp bazơ tăng nhanh hơn làm cho điện áp ra tăng trở lại. Nếu thay mạch lặp emito bởi mạch emito chung nh− trên hình 10.19b thì có thể giảm đ−ợc dải biến thiên điện áp vào. Tuy nhiên so với sơ đồ 10.19a sơ đồ này có nh−ợc điểm là điện trở trong lớn. Hình 10.18.Nguyên tắc ổn định song song. iR rU ′ + −ch U dUrU + − T 399 Có thể giảm nhỏ điện trở trong bằng cách tăng hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại thuật toán, nghĩa là phải dùng hai tầng khuếch đại. Vì vậy nguyên tắc này không thích hợp với sơ đồ ổn áp một tầng. 10.3.3.2. Các sơ đồ ổn áp có hồi tiếp dạng đơn giản. Trên hình 10.20 là hai sơ đồ ổn định có hồi tiếp dạng đơn giản. Trong sơ đồ 10.20a, 1T là phần tử điều khiển đồng thời làm nhiệm vụ khuếch đại công suất. 2T vừa là phần tử khuếch đại vừa mang tính chất nh− một phần tử so sánh, nó đ−ợc mắc theo kiểu emito chung có hồi tiếp âm về dòng điện trên zr . Khi rU ′ giảm thì qua bộ phân áp 21; RR điện áp bazơ 2T : 22 BEZB UUU += cũng giảm. Vì ZU không đổi, nên 2BEU giảm, làm cho 2CEU tăng, do đó 1BU tăng và rU ′ tăng trở lại. Nh− vậy, nhờ vòng hồi tiếp, điện áp ra rU ′ đ−ợc điều chỉnh sao cho (với 2R chọn nhỏ): 2 21 2 2 BEZrB UURR RUU +=+′= (10.18) Vậy ZU là điện áp chuẩn. Điện áp ra đ−ợc xác định theo biểu thức (10.19) suy ra từ (10.18): )1()( 2 1 2 R RUUU BEZr ++=′ (10.19) Qua điện trở 3R có dòng colecto 2T là 2CI và dòng bazơ 1T là 31 ; RI B đ−ợc chọn sao cho dòng qua điôt Zener luôn luôn lớn hơn minZI để điôt zener có tác dụng ổn áp: minmax1 min 3 ZB rr II UUR + ′−< Khi tải thay đổi, mạch có tác dụng ổn áp khá tốt. Nh−ng khi điện áp vào rU thay đổi thì tác dụng ổn áp không lớn lắm ( 20≈G ), vì dòng qua 3R thay đổi theo điện áp vào rU . Có thể cải tiến mạch này để tăng hệ số ổn áp bằng mạch điện trên hình 10.20b. 400 3T 4R rU ′ rU ′ rUrU 2T 1T 1T 2T 2R 2 R 1R1R 3R 3R ′1BU 1BU zU 1zU 2Z 1Z 2BU2BU )a )b Hình 10.20. Sơ đồ ổn áp có hồi tiếp dạng đơn giản. ở đây thay 3R bằng một nguồn dòng gồm 433 ,, RRT ′ và 2Z . Dòng colecto 3T đ−ợc xác định theo biểu thức (10.20) không phụ thuộc vào điện áp vào rU . 3 2 3 32 3 R U R UU I ZBEZC ′≈′ −= α (10.20) Trong đó: α là hệ số khuếch đại dòng điện của tranzistor khi mắc bazơ chung. Với mạch này có thể đạt đ−ợc hệ số ổn áp 000.101000 ữ=G lần. Điện áp ra của mạch cũng đ−ợc xác định theo biểu thức (10.19). Có thể thay đổi điện áp ra bằng cách thay đổi 1R mà dòng colecto 2T vẫn không thay đổi do có nguồn dòng 3T . Điện áp ra đạt đ−ợc giá trị lớn nhất khi điện áp 03 =CEU , t−ơng ứng 2Zrr UUU −≈′ . Do đó không nên chọn 2ZU quá lớn. Ngoài ra sơ đồ còn có −u điểm là điện trở trong nhỏ, vì nhờ nguồn dòng 3T mà 2T có hệ số khuếch đại điện áp lớn hơn trong sơ đồ 10.20a. 3T 4R rU′ rU′ rUrU 2T 1T 1T 2T 2R 3R′1BU 2Z )a )b 1Z 1Z 3R′ 4R 1Z 3T Hình 10.21. Sơ đồ ổn áp có hồi tiếp dạng đơn giản với điện áp ra cố định. 401 Cũng có thể nối tắt 1R nh− trên sơ đồ 10.21a, hoặc mắc điôt Zener 1Z vào bazơ 2T nh− trên sơ đồ 10.21b, lúc đó điện áp ra đ−ợc xác định theo biểu thức sau: 21 BEZr UUU +=′ 10.3.3.3. Sơ đồ ổn áp có hồi tiếp dùng khuếch đại thuật toán. Nếu chỉ cần thay đổi điện áp ra trong phạm vi hẹp, có thể dùng sơ đồ 10.22. Sơ đồ này t−ơng đ−ơng với sơ đồ 10.20a, khi thay 2T bằng một bộ khuếch đại thuật toán. Tác dụng ổn áp của mạch tăng cao nhờ bộ khuếch đại thuật toán có hệ số khuếch đại lớn. ở đây bộ khuếch đại thuật toán đ−ợc coi nh− một bộ khuếch đại đảo, điện áp vào cửa đảo NU bằng điện áp Zener ZU . Điện áp ra chỉ có thể biến thiên trong phạm vi hẹp sao cho dòng qua điôt Zener không biến thiên quá nhiều. ở cửa vào bộ khuếch đại thuật toán có các điôt bảo vệ khi quá áp trong tr−ờng hợp đóng hoặc ngắt mạch. Muốn có điện áp ra thay đổi đ−ợc trong phạm vi rộng, dùng sơ đồ 10.23. Bộ khuếch đại thuật toán mắc theo kiểu sơ đồ khuếch đại đảo. 2T và 3T làm nhiệm vụ khuếch đại nhằm tăng hệ số ổn áp. 2T là tầng khuếch đại bazơ chung, vì bazơ 2T nối đất, nên có thể điều chỉnh điện áp ra về tới mức “0”. 321 ,, RDD làm nhiệm vụ bảo vệ bộ khuếch đại thuật toán. 4R để cân bằng điện áp do dòng tĩnh qua 3R gây ra, 34 RR ≈ . Mức ổn áp ra phụ thuộc vào mức trôi điện áp lệch “không” của bộ khuếch đại thuật toán oU∆ và vào độ ổn định của nguồn chuẩn chU∆ . )( 2 1 choor UUR RUU ∆+∆+∆=′∆ . Hình 10.22. Sơ đồ ổn áp dùng khuếch đại thuật toán. rU + − nZ 2RR′ 1R rU′ 402 + − 2ZU 2R 1R rU′rU 2T 1T 1BU6R 7R 3T 5R 4R 3R chU 1D 2D Hình 10.23. Sơ đồ ổn áp dùng khuếch đại thuật toán có điện áp ra thay đổi. Các điện trở 21 ; RR phải là những điện trở chính xác. Dòng qua 1R không đổi và bằng 2/ RU ch . 10.3.3.4. Sơ đồ chống quá tải. Ta biết rằng bán dẫn rất nhạy cảm với dòng lớn. Vì vậy, trong các mạch ổn áp th−ờng phải dùng thêm mạch hạn dòng để tránh quá tải cho các tranzistor mắc nối tiếp với tải. Điôt D trên hình 10.24 làm nhiệm vụ đó. Khi dòng colectơ 1T lớn tới mức hạ áp trên 5R lớn hơn 2ZU thì điôt D thông. Đó là tr−ờng hợp 5 2 max R UI Zt = . rU′2 T 2R 2ZU 4R rU 2T 1T 6R 3T 2ZU 5R 1R tI D3R Hình 10.24. Sơ đồ ổn áp có hạn dòng Nếu dòng qua tải tiếp tục tăng thì dòng qua 3T giảm làm cho dòng qua tải không tăng đ−ợc nữa. Trong tr−ờng hợp ngắn mạch, dòng qua 1T cực đại đồng 403 thời hạ áp trên nó là zr UU − cũng lớn . Lúc này phải chú ý sao cho công suất tổn hao không v−ợt quá trị số cho phép. Sơ đồ 10.25 cũng có tác dụng hạn dòng nh− vậy. Khi dòng tải tăng, hạ áp trên kR tăng. Nếu hạ áp trên kR : 54 4 54 4 3max RR RU RR RUURI rrBEkt +′>+′+≈ (10.21) Thì 03 >BEU và 3T dẫn. Dòng colecto 3T tạo nên hạ áp trên điện trở R để điều khiển cho tầng Darlington theo xu h−ớng ngắt (dòng tải giảm). Từ biểu thức (10.21) có thể tính đ−ợc trị số cực đại của dòng tải maxtI . Đặc biệt, khi đầu ra ngắn mạch, dòng qua tải nhỏ hơn trong tr−ờng hợp có tải, lúc này kBEt RUI /3max = . Đây là một −u điểm lớn, vì nhờ đó tranzistor không bị quá tải kể cả khi điện áp vào lớn. Các sơ đồ hạn dòng loại này có đặc tính ra nh− biểu diễn trên hình 10.25b. Sở dĩ mạch có đặc tính ra nh− vậy là vì điện áp 3BEU phụ thuộc đồng thời vào dòng điện tải tI và điện áp ra rU ′ (thông qua 54 ;RR ). Hình 10.25. a) Sơ đồ ổn áp dùng khuếch đại thuật toán có hạn dòng; b) Đặc tuyến ra của hình a. 10.3.3.5. Vi mạch ổn áp. Mạch điện các vi mạch ổn áp bao gồm đầy đủ các phần tử của một sơ đồ ổn áp có hồi tiếp kể cả khâu hạn dòng. Vì vậy chỉ cần mắc thêm một vài phần tử 404 ngoài là mạch có thể cho điện áp ra biến thiên trong một dải khá rộng. Tr−ờng hợp yêu cầu dòng tải lớn, có thể mắc thêm ở mạch ngoài một tranzistor công suất. Bằng cách đó có thể nhận đ−ợc các bộ ổn áp có dòng tải đến A15 một cách dễ dàng. 10.3.4. ổn áp xung. Hiệu suất của mạch ổn áp liên tục (mục 10.3.3.) phụ thuộc nhiều vào công suất tổn hao thP của tranzistor công suất. Có thể giảm thP nếu cho tranzistor làm việc ở chế độ khác. Cũng giống nh− mạch ổn áp liên tục, điện áp vào mạch ổn áp phải luôn luôn lớn hơn điện áp một chiều ở đầu ra. ổn áp xung đặc biệt có ý nghĩa khi cần lấy ra điện áp nhỏ từ một điện áp vào lớn hơn với hiệu suất cao hoặc khi điện áp vào thay đổi nhiều (độ gợn sóng lớn). Khi mở, tranzistor khoá dẫn năng l−ợng từ nguồn vào đến một phần tử tích luỹ năng l−ợng (th−ờng là cuộn cảm và tụ điện) Trong thời gian tranzistor khoá ngắt thì phần tử tích luỹ cung cấp năng l−ợng cho mạch sao cho trên tải luôn luôn có điện áp ra. D L C K 2R 1R 3R tR rU′rU clU Y + − )a rU′ 1U 2U 0Y)b t t 0 0 Y 1U 2U rU′ Đặc tính thực Hình 10.26. a) Sơ đồ nguyên lý của mạch ổn áp xung; b) Đồ thị thời gian của điện áp trên tải rU ′ và điện áp ra bộ so sánh. 405 Tần số đóng mở của khoá th−ờng nằm trong phạm vi ( KHz)5016ữ để tránh nhiễu âm thanh. Trong khu vực tần số này dùng cuộn cảm có lõi pherit là thích hợp. Tần số càng cao thì phần tử tích luỹ năng l−ợng có kích th−ớc càng nhỏ, nh−ng hiệu suất giảm do tổn hao trong thời gian đóng mở tăng. Hình (10.26) biểu diễn nguyên lý làm việc của một mạch ổn áp xung có phần tử điều khiển mắc nối tiếp với tải. ở đây dùng mạch so sánh có trễ để so sánh. Khi điện áp ra giảm tới mức ng−ỡng d−ới 2U thì khoá K mở, do đó dòng điện qua cuộn cảm tăng đồng thời điện áp ra tăng theo, cuộn cảm tích luỹ năng l−ợng. Nếu 1UU r =′ thì K ngắt, cuộn cảm phóng điện cùng chiều với tải. Quá trình đó lặp đi lặp lại có chu kỳ. Độ gợn sóng của của điện áp ra đ−ợc xác định bởi hiệu các điện áp ng−ỡng 21 UU − (khoảng vài chục mV ). Độ ổn định của các mức ng−ỡng 1U và 2U cũng liên quan đến độ chính xác của điện áp ra. Để tăng hiệu suất của mạch phải dùng tranzistor có thời gian đóng mở ngắn. ổn áp xung cho hiệu suất cao và có dải ổn định điện áp rộng, nh−ng tốc độ điều khiển thấp, điện áp ra có độ gợn sóng lớn (vài ooo đến vài oo ). 10.4 Chỉnh l−u đảo. Chỉnh l−u đảo là quá trình biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều, th−ờng đ−ợc dùng trong các bộ biến đổi điện áp một chiều hoặc trong các bộ nguồn không dùng biến áp. Tr−ớc đây vài thập kỷ, quá trình chỉnh l−u đảo đ−ợc thực hiện bởi ph−ơng pháp cơ khí (hình 10.27). ~rU ~rUvU ~ +− Cuộn dây Công tắc cơ khí Hình 10.27. Mạch chỉnh l−u dùng công tắc cơ khí. 406 Điện áp một chiều ở đầu vào lần l−ợt đ−ợc nối với nửa trên hoặc nửa d−ới của cuộn biến áp nhờ sụ đóng mở của một công tắc cơ khí. Do đó trên cuộn thứ cấp của biến áp hình thành một điện áp xoay chiều. Ngày nay thay vào công tắc cơ khí, ng−ời ta dùng bán dẫn (tranzistor hoặc thyristor). Hiệu suất của các mạch chỉnh l−u đảo dùng bán dẫn nằm trong phạm vi từ )%9580( ữ . Công suất của nó phụ thuộc vào các tham số giới hạn của bán dẫn ( maxmax , CEC UI ). Dùng thyristor có thể đạt đ−ợc công suất lớn. Mạch chỉnh l−u đảo thực chất là mạch tạo dao động tự kích. Tần số dao động th−ờng nằm trong phạm vi KHz . Do đó có thể dùng cuộn biến áp kích th−ớc nhỏ và vấn đề lọc đơn giản hơn, vì RC hoặc LC nhỏ hơn. Hình (10.28) cho hai ví dụ về mạch điện bộ chỉnh l−u đảo. ~ ~ − − rU− rU+0 rU− rU+ vU = + − )a ~U ~ − t 0 1U + −vU vU 1U C vU ~UL 2U 1U Hình 10.28. Mạch chỉnh l−u đảo; a)Dùng tranzitor; b) Dùng thyristor Sơ đồ (10.28a) dùng tranzistor để tạo dao động. Đó là sơ đồ tạo dao động ghép biến áp mắc theo kiểu đẩy kéo. Sơ đồ (10.28b) dùng thyristor, nguyên tắc làm việc của nó giống nh− sơ đồ chỉnh l−u đảo dùng chuyển mạch cơ khí trên hình (10.27). Bằng cách đặt vào các điện áp điều khiển thích hợp thyristor thay nhau mở. Quá trình ngắt của thyristor đ−ợc thực hiện nhờ tụ điện C . 407 10.5. Biến đổi điện áp một chiều và bộ nguồn không dùng biến áp nguồn. 10.5.1. Biến đổi điện áp một chiều Đây là quá trình biến đổi một điện áp một chiều VU từ giá trị này sang giá trị khác thấp hơn hoặc cao hơn, hoặc biến đổi một điện áp một chiều thành một điện áp một chiều khác có dấu ng−ợc lại. Nó th−ờng đ−ợc dùng để tạo cao áp một chiều công suất nhỏ trong các thiết bị điện tử l−u động. Quá trình biến đổi điện áp đ−ợc chia làm hai giai đoạn: 1. Biến đổi điện áp một chiều VU thành điện áp xoay chiều hình sin hoặc xung chữ nhật nhờ mạch chỉnh l−u đảo và biến áp. 2. Chỉnh l−u điện áp xoay chiều và lọc. Th−ờng dùng điôt công suất để chỉnh l−u. Khi điện áp chỉnh l−u nhỏ hơn vài trăm vôn, có thể dùng điôt Schottky. Nếu dòng lớn hơn A10 thì điện áp thông của nó nhỏ hơn điện áp thông của điôt Silic thông dụng. Nếu điện áp một chiều ở đầu ra chỉ lớn hơn điện áp vào ( 32ữ ) lần thì có thể bỏ biến áp. Hình (10.29) cho thấy có thể dùng mạch bội áp bậc hai để tạo ra điện áp một chiều lớn gấp hai lần điện áp vào. ở đây, bộ tạo dao động dùng mạch di pha RC trong mạch hồi tiếp gồm 3 khâu di pha và 2321 .,, TTTT và 3T dùng tranzistor bù làm việc ở chế độ khoá. Khi 2T thông, điện thế tại điểm VA UUA =: khi 3T thông, điện thế 0≈AU . Vậy ở điểm A ta có một dãy xung chữ nhật. Khi 20,AU C= đ−ợc nạp điện qua 1D , do đó: VCEbhDVBC UUUUUU ≈−−== 312 Trong đó: 1DU là điện áp thông của điôt 1D ; 3bhCEU là điện áp colecto - emito của 3T khi làm việc ở trạng thái bão hoà. Khi 2T thông, điểm A nối với VU và BU tăng lên đến giá trị: VCVB UUUU 22 ≈+= Sau đó tụ 3C đ−ợc nạp qua 2D đến trị số Vr UU 2≈ . 408 Nếu mắc thêm phần mạch gồm 5443 ,,, CCDD ở đầu ra, ta có: Vr UU 4≈ . Thực tế rU nhỏ hơn chút ít, do hạ áp trên điôt. VU+ à250 1c K1 K7,4 K7,4 K7,4 K5 à1,0 à1,0 à1,0 à250 4c à250 5c 1D 2D B à250 2c à250 3c A 1T 2T Hình 10.29. Mạch biến đổi điện áp một chiều không dùng biến áp. 10.5.2. Bộ nguồn không dùng biến áp nguồn. Nguyên tắc làm việc của bộ nguồn không dùng biến áp đ−ợc minh hoạ trên hình 10.30. Điện áp từ mạng điện công nghiệp đ−ợc đ−a trực tiếp đến bộ chỉnh l−u, điện dung tải tC của bộ chỉnh l−u làm giảm độ gợn sóng của điện áp ra rồi đ−a vào mạch biến đổi điện áp một chiều vừa làm nhiệm vụ cách điện vừa tạo ra điện áp một chiều có trị số mong muốn. −u điểm cơ bản của bộ nguồn không dùng biến áp nguồn là kích th−ớc và trọng l−ợng nhỏ (giảm 25% đến 40% so với bộ nguồn thông th−ờng) đơn giản, không cần dùng các phần tử toả nhiệt, hiệu suất cao. Trong bộ nguồn này th−ờng dùng mạch ổn áp xung, trong đó tranzistor khoá phải có điện áp ng−ợc cho phép lớn (cỡ vài trăm vôn đến 1 KV). Tụ lọc nguồn phải là tụ đặc biệt có điện trở trong rất nhỏ. rU Hình 10.30. Sơ đồ khối minh hoạ nguyên lý làm việc của bộ nguồn không dùng biến áp. 409 Với công nghệ tiên tiến có thể chế tạo các tranzistor có điện áp ng−ợc cho phép lớn và các điôt có thời gian đóng mở ngắn thì bộ nguồn không dùng biến áp ngày càng đ−ợc dùng nhiều và trở thành một trong những xu h−ớng đ−ợc quan tâm trong lĩnh vực cung cấp nguồn. 410 Tài liệu tham khảo 1. Phạm Minh Hà . Kỹ thuật mạch điện tử Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật 2004. 2. Nguyễn Duy Chuyên, Trần Khánh Lân. Thiết bị Thu vô tuyến điện - Học viện Kỹ thuật Quân sự 1979. 3. Tr−ơng Văn Cập, Tạ Quang Vinh Thiết bị phát vô tuyến - Học viện Kỹ thuật Quân sự 1977. 4. Vũ Quang Trình, Luyện Quang Minh Thiết bị phát siêu cao tần - Học viện Kỹ thuật Quân sự 1980. 5. Nguyễn Duy Chuyên, Trần Hữu Vị. Thiết kế thiết bị thu - Học viện Kỹ thuật Quân sự 1980. 6. Tr−ơng Văn Cập, Tạ Quang Vinh. Thiết kế máy phát vô tuyến điện - Học viện Kỹ thuật Quân sự 1982. 7. Đỗ Xuân Thụ, Kỹ thuật điện tử Nhà xuất bản giáo dục 2000.