Tập bài giảng Điện tử cơ bản 2

)]tc cv t V Cos t dt t   (7.40) Giả sử tín hiệu điều chế là tín hiệu đơn âm: s s sv V Cos t (7.41)  Khi điều tần (FM) thì tần số của tải tin thay đổi được xác định theo biểu thức: 176 ( ) c dt s st k V Cos t    (7.42) c: tần số trung tâm của tải tin Kđt: hệ số điều tần dt s mK V    : lượng di tần cực đại (7.43) ( ) cosc m ct t      (7.44) Khi điều tần thì góc pha đầu không đổi, do đó 0t  Thay (7.43), (7.44) vào (7.42) sau đó thay vào (7.40) ta được: 0( ) ( sin )mFM c s s v t V Cos t t     (7.45) Như vậy khi điều tần có: - Biên độ sóng mang không đổi - Tần số sóng mang thay đổi theo quy luật của tin tức - Khi vs =Vsm thì tần số của sóng mang lớn nhất - Khi vs =-Vsm tần số của sóng mang nhỏ nhất. - Tín hiệu điều tần được minh họa như hình 7.18. vs vc vAM 0 t t t Hình 7.18 Tín hiệu điều tần Hình 7.19 Tín hiệu điều pha 0 0( ) df s s m st k V Cos t Cos t          (7.46) 177 0: pha của sóng mang khi chưa điều chế Kdf: Hệ số điều pha df s mK V    : lượng di pha cực đại Thay (7.46) vào (7.40) và cho  = c = const được: 0( ) cos( cos )PM t c m sv t V t t       (7.47) Lượng di pha đạt được khi điều pha là: cosm st     (7.48) Tương ứng với lượng di pha trên có lượng di tần đạt được là: ( ) sinm s sd tdt        (7.49) Lượng di tần cực đại đạt được khi điều pha: m s m s df sK V       (7.50) So sánh (7.50) với (7.43) ta thấy điều khác nhau cơ bản giữa điều tần và điều pha: Lượng di tần khi điều tần chỉ phụ thuộc vào biên độ điện áp điều chế (Vs) Lượng di tần khi điều pha phụ thuộc vào biên độ điện áp điều chế (Vs) và tần số điều chế (s). Từ đó thấy rằng từ mạch điều chế tần số có thể lấy ra tín hiệu điều chế pha bằng cách trước khi đưa vào điều chế tín hiệu được đưa qua mạch vi phân. Ngược lại từ mạch điều chế pha có thể lấy ra tín hiệu điều chế tần số bằng cách trước khi đưa vào điều chế tín hiệu được đưa qua mạch tích phân. Tín hiệu điều pha được minh họa trên hình 7.19. Hình 7.20 Sơ đồ khối quá trình điều pha và điều tần 178 */ Phổ của dao động đã điều tần và điều pha Trong biểu thức (7.45), cho 0 = 0, đặt m f s M  , gọi là hệ số diều tần ta sẽ có biểu thức điều tần: ( ) cos[ sin ]FM c c f sv t V t M t   (7.51) Tương tự ta có biểu thức của dao động đã điều pha: ( ) cos[ cos ]PM c c sv t V t M t   (7.52) Trong đó: M = m Thông thường tín hiệu điều chế là tín hiệu bất kỳ, gồm nhiều thành phần tần số. Lúc đó tín hiệu điều chế tần số và điều chế pha, có thể biểu diễn tổng quát theo biểu thức: 1 ( ) cos[ cos( )]mFM c c i si iiv t V t M t      (7.53) 2. Mạch điều tần, điều pha a. Mạch điều tần dùng Diode biến dung +/ Mạch điện Hình 7.21 Mạch điều tần dùng Diode biến dung +/ Tác dụng linh kiện: Dc: Diode biến dung (Varicable) Q: transistor để tạo dao động L, C, CDc: tạo thành mạch cộng hưởng 179 W1: cuộn hồi tiếp để duy trì dao động C1: ghép để bổ xung năng lượng cho khung dao động R1, R2, R3: xác định chế độ làm việc cho transistor C2: thoát cao tần cho cực B Lc: tải của transistor us: tín hiệu điều chế Ec2: phân cực cho Dc Hình 7. 22 Đặc tuyến V - C của Diode biến dung Điện dung CDc của Diode biến dung sẽ thay đổi, khi điện áp ngược đặt lên hai đầu Diode thay đổi +/ Nguyên lý hoạt động: Khi chưa có tín hiệu điều chế vs thì mạch dao động làm việc cho ra điện áp hình sin có tần số không đổi 2 1 ( )dd DcW C C   (7.54) Điện dung của Diode được xác định ( )Dc D k kC U   (7.55) K: hệ só tỷ lệ 180 UD: điện áp tức thời đặt lên Diode k: hiệu điện thế tiếp xúc của tiếp giáp P-N : hệ số phụ thuộc vật liệu làm Diode  = 1/3 đến 1/2 Khi có tín hiệu điều chế vs tác động, làm cho vD thay đổi được xác định theo biểu thức: 0 0cos cosD C s c c s sv v v E V t V t E       (7.56) Từ biểu thức (7.56), theo (7.55) khi vD thay đổi dẫn đến CDc thay đổi do đó tần số dao động của mạch thay đổi tương ứng theo biểu thức (7.54). Lưu ý: Chỉ phân cực ngược cho Diode biến dung, vì nếu phân cực thuận, Rth của Diode nhỏ mắc song song với mạch vs làm giảm hệ số phẩm chất của mạch Dễ làm méo phi tuyến do vậy phải hạn chế điểm làm việc trong đoạn đặc tuyến V-C, nên biên độ Vs không quá lớn do vậy lượng di tần tương đối, khoảng 1% Do dùng Diode biến dung (Varicable) nên thiết bị có kích thước nhỏ và có thể làm việc ở tần số siêu cao (vài trăm MHz), tuy nhiên mạch làm việc kém ổn định. Do vậy cần có biện pháp để ổn định chế độ làm việc. Mạch điều chế tần số và điều chế pha cũng được ứng dụng để phát tín hiệu âm thanh Audio và hình ảnh video... b. Điều pha theo Amstrong V 1dbV 2dbV Hình 7.23 Mạch điều pha theo Amstrong và đồ thị vectơ của tín hiệu Tải tin từ thạch anh đưa đến bộ điều biên 1(ĐB1) và bộ điều biên 2(ĐB2) lệch pha 900, còn tín hiệu điều chế vs đưa đến hai mạch điều biên ngược pha nhau. Điện áp ra trên hai bộ điều pha 181 1 1(1 cos )cosdb c s cv V m t t   11 cos .[ ( ) ( ) ]2 cc c c s c s mVV t Cos t Cos t         (7.57) 2 2 (1 cos )sindb c s cv V m t t   11 cos .[sin( ) sin( )2 cc c c s c s mVV t t t         (7.58) Đồ thị véc tơ 1dbV , 2dbV là véc tơ tổng của chúng 1 2db dbV V V    là một dao động được điều chế pha và biên độ. Điều biên ở đây là điều biên ký sinh. 7.2. Giải điều chế (Tách sóng) 7.2.1. Khái niệm về giải điều chế (Demodulation) 1. Khái niệm Tách sóng là quá trình tách thành phần tín hiệu điều chế (tin tức) ra khỏi tín hiệu cao tần điều chế. Yêu cầu của bộ tách sóng tín hiệu, nhận được sau khi tách sóng phải tương đương tín hiệu đem điều chế ban đầu Tương ứng với các phương pháp điều chế có các phương pháp giải điều chế: tách sóng biên độ, tách sóng tần số và tách sóng pha. 2. Các chỉ tiêu kỹ thuật của bộ tách sóng a. Hệ số truyền đạt điện áp sD AM Vk V Vs : điện áp tín hiệu điều chế ở đầu ra của bộ tách sóng VAM: điện áp cao tần điều chế đưa vào đầu vào bộ tách sóng kD: hệ số truyền đạt - Bộ tách sóng có kD càng lớn càng tốt b. Trở kháng vào: Trở kháng vào của bộ tách sóng là tỷ số giữa biên độ điện áp vào cao tần và biên độ dòng điện cao tần đặt vào bộ tách sóng. VTSVTS VTS VZ I 182 ZVTS cho biết mức độ ảnh hưởng của bộ tách sóng đến nguồn tín hiệu vào. Yêu cầu trở kháng vào của tầng tách sóng phải lớn, vì tầng tách sóng thường mắc song song với mạch cộng hưởng của tầng khuếch đại, do vậy nếu ZVTS nhỏ sẽ làm giảm phẩm chất của mạch. c. Hệ số lọc cao tần mrLS mv Vk V Umr: trị số điện áp cao tần ở đầu ra của bộ tách sóng Umv: trị số điện áp cao tần ở đầu vào của bộ tách sóng kLS: càng nhỏ càng tốt d. Méo phi tuyến Do các phần tử phi tuyến (Diode, Transistor) làm nhiệm vụ tách sóng gây ra méo được xác định: 2 22 3 ...s s s M I Ik I      Trong đó: I2s, I3s,: biên độ của các thành phần hài bậc cao của tín hiệu điều chế Is: biên độ thành phần bậc nhất của tín hiệu điều chế. Yêu cầu méo phi tuyến phải nhỏ. 7.2.2. Tách sóng điều biên 1. Khái niệm về tách sóng điều biên Tách sóng biên độ là quá trình tách thành phần tín hiệu điều chế (tin tức) ra khỏi tín hiệu cao tần điều biên. Tách sóng biên độ thường được thực hiện nhờ các mạch dạng chỉnh lưu (dùng phi phần tử phi tuyến) hoặc dùng phần tử tuyến tính tham số Có hai sơ đồ tách sóng dùng Diode cơ bản: tách sóng nối tiếp và tách sóng song song:  Tách sóng nối tiếp: Diode tách sóng mắc nối tiếp với tải  Tách sóng song song: Diode tách sóng mắc song song với tải. Trong thực tế hay dùng tách sóng nối tiếp vì mạch có trở kháng vào lớn và hệ số lọc cao tần tốt hơn. 2. Mạch tách sóng điều biên (AM) 183 a. Tách sóng dùng phần tử phi tuyến Hình 7.24 là mạch tách sóng biên độ kiểu chỉnh lưu Hình 7.24 Mạch tách sóng biên độ dùng Diode Hình 7.25 là đặc tuyến của diode và đồ thị thời gian của tín hiệu vào và ra ở chế độ C. Ta phân tích và tính toán đối với sơ đồ tách sóng nối tiếp. Khi tín hiệu vào lớn thì đặc tuyến Volt - Ampe của diode có dạng đường gấp khúc. Hình 7.25. Đặc tuyến của diode và đồ thị của tín hiệu 0 0 0     D DDD VKhi VKhiSVi (7.59) Với  1 cos .cos cosAM c s c AM cV V m t t V t     (7.60)  1.cosD AM c Ci S V t V   Khi ct  thì iD=0 thay vào biểu thức (7.60) ta có:  10 .cosAM c CS V t V  (7.61) 184  góc dẫn điện của diode: 1cos C AM V V  (7.62) Khai triển iD theo chuỗi Fourrier ta có: 0 1 2cos cos ...... cosD c c n ci I I t I t I t       (7.63) Trong đó: 0 0 1 0 0 1 2 cos 2 D c D c c n D c c I i d t I i td t I i n td t               (7.64) Bằng cách thay thế dần ta được :  0 . sin cosAMS UI     (7.64)  1 . sin cosAMS UI     (7.65) Từ dòng một chiều I0 ta tính được điện áp ra trên tải:  1 0. sin cosC AMRSV R I V      (7.66) Thay (7.66) vào (7.64) ta được:   cossincos  RS (7.67) RStg .   (7.68) Từ (7.68) suy ra góc dẫn điện  chỉ phụ thuộc vào tham số mạch điện (S, R) mà không phụ thuộc vào tín hiệu vào. Chú ý phổ của dòng điện iD gồm có các thành phần: một chiều c , s , c + s, nc + s. Thông thường c >> s do đó các thành phần c, c + s và nc + s, được loại bỏ dễ dàng nhờ mạch lọc thông thấp, chỉ còn thành phần hữu ích: 185 Is = m . S . Vc . cosct (7.69) Hình 7.26. Đồ thị thời gian của tín hiệu sau tách sóng  = RC là hằng số thời gian phóng nạp của tụ điện. Để điện áp ra tải gần với dạng đường bao của điện áp cao tần ở đầu vào, ta phải chọn  = RC đủ lớn. Tuy nhiên, nếu chọn C quá lớn thì điện áp ra không biến thiên kịp với biên độ điện áp vào gây ra méo tín hiệu. Tổng quát ta chọn: 1 1 c s RC   . Trong hai sơ đồ trên, sơ đồ tách sóng nối tiếp có điện trở vào lớn hơn. Trên tải của sơ đồ tách sóng song song còn có điện áp cao tần, do đó phải dùng thêm một bộ lọc. Vì những lý do trên nên sơ đồ tách sóng song song chỉ được dùng trong trường hợp cần ngăn thành phần một chiều từ tầng trước đưa đến. b. Tách sóng dùng phân tử tuyến tính tham số Hình 7.27. Mạch tách sóng dùng phần tử tuyến tính tham số Tín hiệu ra mạch mạch tách sóng tuyến tính tham số được xác định theo biểu thức:  1 cos .cosAM c s tV V m t t   và  cosc c cv V t   (7.70) . .r AM cV V V K  (7.71)    2 2 1 cos1 cos cos . .cos 22 2c sr s c cKV m tV m t K V t           (7.72) Dùng mạch lọc thông thấp có thể tách ra thành phần tử hữu ích: 186  2 1 cos .cos2cs sKVV m t   (7.73) Trong phổ điện áp ra không có thành phần tải tần. Muốn tách được sóng vc phải có tần số bằng tần số tải tin của tín hiệu đã điều biên. Biên độ điện áp đầu ra phụ thuộc vào góc pha  với  là góc lệch pha giữa tín hiệu cần tách sóng và tải tin phụ. Khi:  = 0 => "SV cực đại  = 2  => "SV = 0  =  => "SV cực tiểu Như vậy điện áp tín hiệu sau tách sóng đã biến thiên theo quy luật của tín hiệu âm tần. Nếu bộ tách sóng vừa có tính chọn lọc về biên độ, vừa có chọn lọc về pha ta gọi là bộ tách sóng biên độ pha. Để tách sóng có hiệu quả cần phải đồng bộ tín hiệu vào và tải tin phụ về tần số và góc lệch pha. Bộ tách sóng này còn có tên gọi là bộ tách sóng đồng bộ. 7.2.3. Tách sóng điều tần 1. Khái niệm về tách sóng điều tần Tách sóng điều tần là quá trình biến đổi độ lệch tần số tức thời của tín hiệu điều tần so với tần số trung tâm thành biến thiên điện áp ở đầu ra. Đặc trưng cho quan hệ biến đổi là đặc tuyến truyền đạt của bộ tách sóng Tách sóng tần số và tách sóng pha thường được thực hiện theo một trong những nguyên tắc sau: +/ Biến đổi tín hiệu điều tần hoặc điều pha thành tín hiệu điều biên, rồi thực hiện tách sóng biên độ +/ Biến tín hiệu điều tần thành tín hiệu điều chế độ rộng xung, rồi thực hiện tách sóng điều chế độ rộng xungnhờ mạch lọc thông thấp +/ Sử dụng vòng khóa pha PLL để tách sóng tần số và pha 2. Mạch tách sóng điều tần lệch cộng hưởng a. Nguyên tắc tách sóng điều tần lệch cộng hưởng 187 Hình 7.28 Đặc tuyến biên độ tần số của mạch cộng hưởng LC Ta có dạng đặc tuyến biên độ tần số của mạch cộng hưởng LC, mạch cộng hưởng với tần số f0(0) như thể hiện trên hình 7.28 Để tín hiệu ra giảm méo phi tuyến, nên chọn tần số trung tâm của tín hiệu điều tần ft(t) tại điểm giữa của đoạn thẳng về bên sườn của đặc tuyến cộng hưởng. Nếu tần số của tín hiệu điều tần đưa vào mạch cộng hưởng có độ di tần f làm cho tần số tín hiệu FM càng lệch xa tần số cộng hưởng riêng của mạch (f0), giả sử ft +f, lúc này điểm công tác sẽ di chuyển từ A đến B, suy ra điện áp ra giảm. Khi tần số của tín hiệu FM đưa vào mạch cộng hưởng là ft -f, lúc này điểm công tác sẽ di chuyển từ A đến C, suy ra điện áp ra tăng lên. Như vậy tần số biến đổi, mạch đã chuyển từ tín hiệu điều tần thành tín hiệu điều biên (biên độ thay đổi), sau đó dùng Diode tách sóng sẽ khôi phục lại đường bao ban đầu của tin tức. b. Mạch điện R1 D1 D2 R2 C1 C2 C3 C4 VFM VS V1 V2 C L L1 L2 Hình 7.29. Mạch tách sóng điều tần lệch cộng hưởng 188 c. Tác dụng linh kiện Phần sơ cấp biến áp gồm mạch cộng hưởng (L,C) cộng hưởng để điều chỉnh tần số trung tâm của tín hiệu điều tần Hai khungcộng hưởng ở thứ cấp biến áp điều chỉnh cộng hưởng ở tần số f1, f2, lệch với ft và đối xứng ft . L1,C1: khung cộng hưởng điều chỉnh cộng hưởng ở tần số f1 L2,C2: khung cộng hưởng điều chỉnh cộng hưởng ở tần số f2 D1, C1, R1: mạch tách sóng AM thứ nhất D2, C2, R2: mạch tách sóng AM thứ hai d. Nguyên lý làm việc Giả thiết hệ số truyền đạt điện áp hai mạch tách sóng là như nhau 1 2D D Dk k k  Sơ cấp biến áp vào được điều chỉnh ở tần số trung tâm của tín hiệu điều tần 1 2tf LC Khung cộng hưởng thứ nhất có tần số cộng hưởng 1 1 1 1 2tf f f L C    Khung cộng hưởng thứ hai có tần số cộng hưởng 2 2 2 1 2tf f f L C    Ta có: 1 1FMV m V Z   (7.74) 2 2FMV m V Z   (7.75) Trong đó: m = LM là hệ số ghép biến áp Z1, Z2 là trở kháng của 2 mạch cộng hưởng 1 và 2    1 11 2 21 1 121 td td t R RZ Q f f f          (7.76)    2 22 2 22 2 121 td td t R RZ Q f f f          (7.77) 189 Trong đó: Rtd1 , R td2: trở kháng của hai mạch cộng hưởng 1 và 2 tại tần số cộng hưởng f1 và f2 Q: hệ số phẩm chất của khung cộng hưởng. Độ lệch tần tương đối giữa tần số cộng hưởng riêng của mạch cộng hưởng và tần số trung tâm của tín hiệu vào: 1,22 tt t f fQ f  (7.78) Độ lệch tần tương đối giữa tần số tín hiệu vào và tần số trung tâm: 2 t t f fQ f  (7.79) Khi tần số tín hiệu vào thay đổi thì Zl, Z2 thay đổi dẫn đến Vl, V2 thay đổi. Nghĩa là quá trình biến đổi điều tần thành tín hiệu điều biên. Sau khi qua hai bộ tách sóng ta nhận được các điện áp ra.  11 1 2. . . . 1 tdS D D FM t Rv k V k mV      (7.80)  22 2 2. . . . 1 tdS D D dt t Rv k V k mV      Điện áp ra tổng: 1 2 1 2( )S S S Dv v v k U U    (7.81) Hình 7.30 Đặc tuyến biên độ tần số của hai mạch cộng hưởng so tần số trung tâm Khi tần số của tín hiệu điều tần thayđổi +/ f =ft khi đó U1 = U2 suy ra Us = 0 190 +/ f >ft khi đó U1 > U2 suy ra Us > 0 +/ f <ft khi đó U1 < U2 suy ra Us < 0 Vậy khi tần số thay đổi, đầu ra có điện áp biến thiên theo quy luật của tần số và ta được tin tức nhờ 2 bộ tách sóng biên độ. Nhược điểm: Khó điều chỉnh cho hai mạch cộng hưởng hoàn toàn đối xứng. Mặt khác đầu vào của mạch này còn phải mắc thêm mạch hạn biên để khử thành phần điều biên ký sinh do quá trình khuếch đại sinh ra. Để khắc phục trong thực tế các máy thu điều tần thường sử dụng mạch tách sóng điều tần tỷ lệ cân bầng. 3. Mạch tách sóng tỷ lệ Sơ đồ nguyên lý mạch tách sóng tỷ lệ được minh hoạ trên hình vẽ 7.31 Hình 7.31. Mạch tách sóng lệ D1, D2: mắc nối tiếp Điện áp hai nửa cuộn thứ cấp bằng nhau và bằng U2/2 Khung cộng hưởng L1C1 và L2C2 được điều chỉnh cho cộng hưởng tại tần số trung tâm của tín hiệu điều tần: 1 2 1 1 2 2 1 1 2 2f f L C L C    (7.82) Điện áp tín hiệu trung tần U1 trên khung L1C1 được cảm ứng sang khung thứ cấp L2 một điện áp U2 và cảm ứng sang L3 điện áp U3 . Do L1 = L3 nên U1= U3 . Mạch tách sóng trên gồm diode tách sóng D1, tải là R1,C3. Mạch tách sóng dưới gồm diode tách sóng D2 tải là R2, C4. Do R1= R2, C3 = C4 nên hệ số truyền đạt của hai mạch tách sóng như nhau: KD1 = KD2= KD Điện áp đặt vào từng bộ tách sóng là: 21 1 2D UU U  ; 22 1 2D UU U  (7.83) 191 0 1 2S SU U U  (7.84) 0 1 21 2 2 2S SR R U U UU U     1 22S SS U UU  (7.85) 1 2 1 ( )2S D D DU k U U  (7.86) Xét UD1, UD2 ta có: - Khi điện áp đầu vào mạch tách sóng ở thời điểm tín hiệu trung tần có tần số bằng tần số trung tâm (fđt=ft), mạch thứ cấp có thể coi như là thuần trở. Dòng i1 chạy trên L1 gây trên cuộn L2 sức điện động cảm ứng E, sức điện động này lại sinh ra dòng I2 đồng pha với E. i2 chảy qua L2 tạo ra điện áp U2 vượt trước I2 một góc 900. Từ đồ thị vector hình 7.32 a) ta có: UD1 = UD2 do đó theo (7.86) ta có US = 0. UD1 U1 E I2 U2 0 a) UD2 22 U22U Hình 7.32. Đồ thị véc-tơ điện áp: a) fđt=ft - Khi điện áp đầu vào mạch tách sóng ở thời điểm tín hiệu trung tần có tần số lớn hơn tần số trung tâm (fđt > ft), mạch thứ cấp mang tính điện cảm nên I2 chậm hơn E một góc , dòng I2 sinh ra U2 vượt trước I2 một góc 900. Từ đồ thị véc-tơ hình 7.32 b) ta có UD1 > UD2 do đó theo biểu thức (7.86) ta được US > 0. E UD1 I2 b) 0 UD2 22 U 22 U U1 192 Hình 7.32. Đồ thị véc-tơ điện áp: b) fđt > ft - Khi điện áp đầu vào ở thời điểm tín hiệu trung tần có tần số nhỏ hơn tần số trung tâm thì mạch thứ cấp mang tính điện dung, dòng điện I2 vượt pha trước E một góc . Khi đó theo đồ thị véc tơ hình 7.32 c) ta có UD1 < UD2 do đó theo biểu thức (7.86) US < 0. U1 I2 E 0 c) UD2 UD1 22 U 22 U Hình 7.32. Đồ thị véc-tơ điện áp: c) fđt < ft Như vậy mạch tách sóng tỷ lệ cũng thực hiện việc biến đổi độ lệch tần số tức thời ở đầu vào thành độ lệch điện áp ở đầu ra theo quy luật của tín hiệu âm tần. Tuy nhiên mạch này cũng không có khả năng khử điều biên ký sinh. Đầu vào mạch tách sóng vẫn phải sử dụng mạch hạn biên. 193 Câu hỏi và bài tập chương 7 Câu 1: Trình bày khái niệm điều biên? Vẽ sơ đồ mạch điện, nêu tác dụng linh kiện , nguyên lý làm việc của mạch điều biên cân bằng dùng Diode, Cho biết đặc điểm của tín hiệu sau điều chế. Câu 2: Vẽ sơ đồ mạch điện, nêu tác dụng linh kiện , nguyên lý làm việc của mạch điều biên vòng, Cho biết đặc điểm của tín hiệu sau điều chế. Câu3: Trình bày khái niệm điều tần, điều pha? Nêu tác dụng linh kiện, phân tích nguyên lý làm việc của mạch điều tần dùng Diode biến dung Câu 4: Khái niệm tách sóng? Vẽ sơ đồ mạch điện, nêu tác dụng linh kiện phân tích mạch tách sóng biên độ dùng Diode nối tiếp Câu 5: Khái niệm tách sóng điều tần? Vẽ sơ đồ mạch điện, nêu tác dụng linh kiện, phân tích mạch tách sóng điều tần dùng mạch lệch cộng hưởng Câu 6: Khái niệm tách sóng điều tần? Vẽ sơ đồ mạch điện, nêu tác dụng linh kiện, phân tích mạch tách sóng tỷ số 194 Chương 8 Mạch cung cấp nguồn 8.1 Khái niệm về mạch cung cấp nguồn. -Nhiệm vụ của mạch cung cấp nguồn là tạo ra năng lượng cần thiết để cung cấp cho các thiết bị điện và điện tử làm việc. Thông Thường nguồn năng lượng do bộ nguồn tạo ra là nguồn 1 chiều lấy từ nguồn điện xoay chiều hoặc từ pin -ăc quy. Mạch chỉnh lưuBiến ỏp Mạch lọc Mạch ổn ỏp (ổn dũng) Tải một chiều 1u  2u  DCu Mạch phản hồi 0u 0u (ổn) dku Hình 8.1: Sơ đồ khối của một bộ nguồn cơ bản -Biến áp: Để biến đổi điện áp lưới điện xoay chiều 1u  thành điện áp xoay chiều 2u  có giá trị phù hợp với tải. -Mạch chỉnh lưu: Có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp 1 chiều nhấp nhô DCu ( điện áp 1 chiều có độ lớn thay đổi theo thời gian). -Mạch lọc: San bằng điện áp 1 chiều nhấp nhô thành điện áp một chiều bằng phẳng U0 -Mạch ổn áp (ổn dòng): Có nhiệm vụ tạo ra điện áp 1 chiều (dòng điện 1 chiều) ổn định U0(ổn) ( I0 ) cung cấp cho tải khi điện áp vào U0 hoặc trị số tải thay đổi. Mạch phản hồi: Bảo vệ quá dòng, quá áp cho tải - Tùy theo yêu cầu cụ thể mà bộ nguồn có thể có đầy đủ hoặc không đầy đủ các khối trên. Ví dụ: Khi điện áp của tải yêu cầu phù hợp với điện áp mạng thì không cần biến áp hoặc khi tải không có yêu cầu cao thì không cần ổn áp ( ổn dòng). 8.2. Mạch chỉnh lưu 8.2.1. Phân loại mạch chỉnh lưu . Tuỳ theo yêu cầu ta có thể phân loại mạch van như sau: + Phân loại theo số pha nguồn cấp cho mạch: 1 pha, 3 pha, 6 pha vv + Phân loại theo loại van bán dẫn trong mạch van. Hiện nay chủ yếu dùng hai loại van là diode và Thyristor. Mạch van dùng diode gọi là chỉnh lưu không điều khiển, 195 mạch van dùng SCR gọi là chỉnh lưu có điều khiển. Mạch van dùng diode và SCR gọi là chỉnh lưu bán điều khiển. + Phân loại theo sơ đồ mắc các van: - Sơ đồ hình tia: ở sơ đồ này số lượng van sẽ bằng số pha nguồn cấp cho mạch van. Tất cả các van đều đấu chung một đầu nào đó với nhau hoặc Katốt chung hoặc anot chung. - Sơ đồ cầu: Số lượng van nhiều gấp đổi số pha nguồn cấp cho van. Trong đó một nửa số van mắc chung nhau Katốt, nửa kia mắc chung nhau Anốt. Kết hợp các cách trên ta có sơ đồ phân loại tổng quát của mạch chỉnh lưu ( hình 8.2) Hình 8. 1. Sơ đồ phân loại của mạch chỉnh lưu. Phần mạch cấp nguồn trong nội dung môn học này chủ yếu nghiên cứu mạch cấp nguồn cho các mạch điện tử cơ bản. Do vậy trong chương này ta chủ yếu nghiên cứu các mạch chỉnh lưu một pha không điều khiển và tải thuần trở. 8.2.2. Mạch chỉnh lưu 1. Mạch chỉnh lưu một pha 1/2 chu kỳ a. Mạch điện Hình 8.3 Mạch chỉnh lưu một pha 1/2 chu kỳ b. Tác dụng linh kiện D: Diode chỉnh lưu - làm nhiệm vụ chỉnh lưu. Khi chọn D cần lưu ý đến dòng lớn nhất qua tải và điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode. -Tr: biến áp nguồn. + Biến đổi điện áp xoay chiều của lưới điện thành điện áp xoay chiều phù hợp với tải. 196 + Ngăn cách mạch chỉnh lưu với lưới điện xoay chiều. - Rt: Điện trở tải. Nguồn xoay chiều u2 đưa vào mạch chỉnh lưu được lấy thông qua biến áp đổi từ nguồn điện lưới u1 như hình 8.3 và có biểu thức điện áp: 1 1 1 1sin 2 sin 2 sinmu U t U t U     2 2 2 2sin 2 sin 2 sinmu U t U t U     (8.2) Trong đó: U1m = 2 U1: giá trị biên độ cực đại của điện áp xoay chiều phần sơ cấp (V) U1 : giá trị hiệu dụng của điện áp xoay chiều phần sơ cấp (V) U2m = 2 U2: giá trị biên độ cực đại của điện áp xoay chiều phần thứ cấp(V) U2 : giá trị hiệu dụng của điện áp xoay chiều phần thứ cấp (V)  = t : pha của điện áp xoay chiều (rad) = 2ft : tần số góc (rad/s) f: tần số điện áp lưới (Hz) c. Nguyên lý làm việc:  2 3     Hình 8.4 Dạng điện áp và dòng điện của các phần tử Giả thiết tải thuần trở: -ở 1/2 chu kỳ đầu U2 có chiều dương trên, âm dưới Diode D phân cực thuận, do vậy D dẫn suy ra có dòng It qua Rt( dòng It: Từ +U2 qua D qua Rt về -U2). 197 - ở 1/2 chu kỳ sau U2 có chiều âm trên, dương dưới Diode D phân cực ngược không có dòng It qua Rt ( dòng It=0, Ut=0) - Như vậy dòng điện qua tải theo 1 chiều nhất định và chỉ xuất hiện ở nửa chu kỳ của điện áp U2. d. Các thông số của mạch. Như vậy, theo dạng sóng điện áp trên tải ut() hình 8.4 có thể tính được giá trị điện áp chỉnh lưu trung bình U0 trong một chu kỳ T= 2 của điện áp trên tải sau chỉnh lưu là: 2 2 20 2 2 20 0 1 1 2( ) sin 0,452 2 mm U UU u d U d U             (8.3) Vì tải thuần trở nên dòng điện qua tải có dạng như hình 8.4 và giá trị trung bình là: 0 20 22 t t t U IUI R R    (8.4) Dòng điện lớn nhất qua Diode (IDmax): max 0D tmI I I  (8.5) Điên áp ngược lớn nhất đặt lên Diode khi Diode khóa (Ung max): max 2 0ng mU U U  (8.6) Mạch chỉnh lưu 1/2 chu kỳ đơn giản, chỉ dùng 1 Diode nhưng dòng điện qua tải nhấp nhô lớn, điện áp và dòng điện trung bình qua tải nhỏ. 2. Mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ. a. Mạch điện Hình 8. 5 Mạch chỉnh lưu một pha 2 nửa chu kỳ 198 b. Tác dụng linh kiện -Thứ cấp của biến áp Tr gồm 2 nửa đối xứng do vậy điện áp u21 và u22 có biên độ băng nhau và ngược pha (U21m = U22m= U2m). - D1 ,D2: Diode chỉnh lưu - Rt: Điện trở tải. c. Nguyên lý làm việc: Hình 8.6 Dạng điện áp và dòng điện của các phần tử -Giả sử 1/2 chu kỳ đầu ở thứ cấp biến áp có u21 dương trên, âm dưới, u22 dương trên, âm dưới D1 dẫn, D2 khóa có dòng qua tải: +U21 D1 Rt -U21 -ở 1/2 chu kỳ sau điện áp đổi chiều u21 âm trên dương dưới , u22 âm trên, dương dưới, D2 dẫn D1 khóa có dòng tải: +U22 D2 Rt -U22 Trong cả 2 nửa chu kỳ của điện áp vào D1 và D2 thay nhau dẫn, dòng qua tải theo một chiều nhất định( sơ đồ minh họa hình 8.6) d. Các thông số của mạch - Điện áp trung bình sau chỉnh lưu:   2 20 21 21 20 0 21 1 2 2sin 0,9mm U UU u d U d U              (8.7) 199  0 22 mU U Vì tải thuần trở nên dòng điện qua tải có dạng như hình 8.6 và giá trị trung bình là: 0 20 2 22 2 t t t U IUI R R    (8.8) Dòng điện lớn nhất qua Diode (IDmax): max 02D tmI I I   (8.9) IDmax: Giảm một nửa so với chỉnh lưu 1/2 chu kỳ Điên áp ngược lớn nhất đặt lên Diode khi Diode khóa (Ung max): Điện áp ngược lớn nhất đặt lên Diode khi Diode khóa bằng tổng điện áp cực đại trên hai nửa cuộn thứ cấp max 2 02ng mU U U  (8.10) Do vậy khi lựa chọn Diode cần lưu ý Diode có điện áp ngược cho phép: max 0ngcf ngU U U  (8.11) Kết luận: +Mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ có điện áp trung bình và dòng điện trung bình trên tải lớn gấp 2 lần so với chỉnh lưu 1/2 chu kỳ. +Dòng lớn nhất qua diode giảm một nửa so với sơ đồ 1/2 chu kỳ. Tuy nhiên biến áp có cấu tạo phức tạp hơn và phải dùng nhiều diode hơn. 3. Mạch chỉnh lưu cầu: a. Mạch điện Hình 8. 7 Mạch chỉnh lưu một pha cầu 200 b. Tác dụng linh kiện - D1, D2, D3, D4: Diode chỉnh lưu -Tr: Biến áp nguồn không có điểm trung tính. - Rt: điện trở tải c. Nguyên lý làm việc: 2 3     Hình 8.8 Dạng điện áp và dòng điện của các phần tử - 1/2 chu kỳ đầu của điện áp vào, U2 có chiều dương trên âm dưới: D1 và D3 dẫn, D2 và D4 khóa có dòng qua tải ( +U2 D1 Rt D3 -U2). - 1/2 chu kỳ sau điện áp U2 có chiều âm trên, dương dưới: D1 và D3 khóa, D2 và D4 dẫn có dòng qua tải ( +U2 D2 Rt D4 -U2). Như vậy trong mỗi nửa chu kỳ có 2 diode dẫn, dòng qua tải xuất hiện trong cả 2 nửa chu kỳ và đi theo một chiều nhất định minh họa trên giản đồ thời gian hình 8.8. d. Các thông số của mạch: -U0, Io, Idmax giống mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ:  0 201U u d     = 2 22 20 21 2 2sin 0,9mm U UU d U       (8.12)  0 22 mU U Vì tải thuần trở nên dòng điện qua tải có dạng như hình 8.8 và giá trị trung bình là: 201 0 20 2 22 2 t t t U IUI R R    (8.13) Dòng điện lớn nhất qua Diode (IDmax): max 02D tmI I I   (8.14) Điện áp ngược lớn nhất đặt lên Diode khi Diode khóa (Ung max): 0max 2 2ng m UU U   (8.15) Như vậy Ungmax giảm một nửa so với chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ Do vậy khi lựa chọn Diode cần lưu ý Diode có điện áp ngược cho phép: 0max 2ngcf ng UU U   (8.16) Trong một số các thiết bị điện tử người ta có thể bố trí các Diode trong mạch chỉnh lưu cầu như sau: Rt Tr D1 utD2D3 D4 u1 u2 it a) Rt Tr utu1 u2 it D1 D b) Hình 8. 9 a) Mạch chỉnh lưu một pha cầu; b) quy ước vẽ mạch chỉnh lưu cầu 4. Sơ đồ chỉnh lưu cầu có điểm trung tính. Hình 8.10 Mạch chỉnh lưu cầu đối xứng 202 - D1, D2, D3, D4: Diode chỉnh lưu -Tr: Biến áp nguồn có điểm trung tính. -Hai điện trở tải mắc nối tiếp nhau và điểm giữa nối mass. - Thực chất đây là 2 mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ. Nguyên lý làm việc: -Giả sử 1/2 chu kỳ đầu thứ cấp biến áp có chiều dương trên âm dưới D1, D3 dẫn, D4, D2 khóa + Dòng qua Rt1: +U21 D1 Rt1 mass( -U21) + Dòng qua Rt2: +U22( mass) Rt2 D3 -U22 -1/2 chu kỳ sau D4, D2 dẫn, D1, D3 khóa, dòng qua tải chạy tương tự. + Dòng qua Rt1: +U22 D2 Rt1 mass( -U22) + Dòng qua Rt2: +U21( mass) Rt2 D4 -U21 Với mạch chỉnh lưu cầu đối xứng ta nhận được 2 điện áp ra 2 cực tính (so với điểm chung) thường được gọi là nguồn cộng trừ () hay nguồn đối xứng. 5. Mạch chỉnh lưu nhân áp. - Trong nhiều trường hợp cần có Ura lớn ta thường dùng sơ đồ chỉnh lưu nhân áp. a. Sơ đồ mạch chỉnh lưu nhân 2 + C2 D2 D1 + C1 Uru1 u2 Rhc Hình 8.11 Mạch chỉnh lưu nhân đôi điện áp -1/2 chu kỳ đầu điện áp thứ cấp có chiều + dưới, âm trên D1 dẫn => Tụ C1 nạp điện (+U2D1  C1  -U2. Điện áp trên tụ Uc1 = U2m. -1/2 chu kỳ sau điện áp thứ cấp đổi chiều dương trên, âm dưới D2 dẫn  C2 nạp điện (+U2) C1  C2  -U2. Điện áp trên tụ C2 là UC2 = UC1 + U2m =2U2m. Như vậy ở đầu ra nhận được điện áp lớn gấp 2 lần điện áp U2m 203 b. Sơ đồ chỉnh lưu nhân n Ur = 2nU2m D1 + C1 u1 u2 Rhc + D2 + +C2 Cn-1 Cn-2 Dn-1 Dn-2 Hình 8.12 Mạch chỉnh lưu nhân 2n điện áp Mạch chỉnh lưu nhân áp được sử dụng trong trường hợp tải nhỏ (vài A) 8.3. Lọc các thành phần xoay chiều của dòng điện ra tải 8.3.1. Khái niệm - Trong các mạch điện chỉnh lưu đã xét trong mục 8.2 dòng điện ra tải tuy có cực tính không đổi (dòng 1 chiều ) nhưng giá trị (độ lớn ) của chúng thay đổi theo thời gian một cách có chu kỳ được gọi là sự đập mạch của dòng điện hay điện áp sau chỉnh lưu. - Dùng chuỗi Fourier để phân tích dòng điện đập mạch sẽ được : 0 1 11 ( cos sin )t n nni I A n t B n t       (8.17) Với 0 0 0 1 ( )t T t I i t dtT   (8.18) 0 0 1 2 ( )cost Tn tA i t n tdtT    (8.19) 0 0 1 2 ( )sint Tn tB i t n tdtT    (8.20) I0: là thành phần một chiều 11 cosnn A n t   , 11 nn B Sinn t : là các sóng hài xoay chiều có độ lớn pha và tần số phụ thuộc vào loại mạch chỉnh lưu + Thành phần xoay chiều có tần số  - hài bậc 1 + Thành phần xoay chiều có tần số 2 - hài bậc 2 . 204 Để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử làm việc phải lọc bỏ các thành phần hài -Để đặc trưng cho chất lượng của điện áp (hay dòng điện) sau chỉnh lưu người ta đưa ra hệ số đập mạch (Kp) Nếu Kp càng nhỏ chất lượng của bộ nguồn càng cao + Với mạch chỉnh lưu 1/2 chu kỳ Kp = 1,58 + Với mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ Kp = 0.667 - Thường dùng tụ điện, điện cảm , mạch lọc tích cực để lọc bỏ các thành phần sóng hài. 8.3.2. Lọc bằng tụ điện 1. Sơ đồ nguyên lý 2 3    Hình 8.13 a) Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu có tụ lọc; b) Dạng điện áp trên tải 2. Nguyên lý làm việc : - Khi không có tụ lọc, điện áp trên tải có độ nhấp nhô lớn (đường hình sin liền nét). - Khi mắc tụ C//Rt mạch, trong mạch xảy ra quá trình phóng nạp : + Từ 0  t1 điện áp u2 ở pha dương, tụ C được nạp điện: Từ +u2 qua D2 qua tụ C về D4 về - u2 + Tại t =t1, khi u2=0 tụ C phóng điện qua tải Từ +C qua Rt về -C (mass). + Từ t1  t2 điện áp u2 ở pha âm, tụ C được nạp điện: Từ +u2 qua D3 qua tụ C về D1 về - u2 + Tại t =t2, khi u2=0 tụ C phóng điện qua tải Từ +C qua Rt về -C (mass). 205 + Từ t2  t3 điện áp u2 ở pha dương, quá trình lặp lại. Kết quả điện áp ra (đường nét đứt) có dạng tương đối bằng phẳng. Mặt khác tụ điện còn có tác dụng lọc các sóng hài bậc cao. Các sóng hài bậc cao qua tụ C thoát xuống mass không đưa ra tải. Do vậy dòng điện qua tải chỉ còn thành phần 1 chiều và một phần thành phần hài bậc thấp. Khi lọc bằng tụ C hệ số đập mạch được xác định : 2 P t K CR (8.21) Từ ( 8.21) thấy rằng muốn Kp nhỏ phải chọn C có giá trị lớn và Rt phải lớn. Mạch lọc bằng tụ điện phù hợp với tải tiêu thụ dòng điện nhỏ ( trị số Rt lớn ) 8.3.3. Lọc bằng cuộn cảm L a. Sơ đồ nguyên lý : Hình 8.14 Hình 8.14 Mạch chỉnh lưu cầu có lọc bằng cuộn cảm Điện cảm L mắc nối tiếp với tải Rt Khi dòng qua tải biến thiên (đập mạch) trong cuộn L sinh ra suất điện động tự cảm chống lại sự đập mạch đó, do vậy dòng điện qua tải bằng phẳng hơn. Mặt khác các thành phần hài bậc cao khi qua L sẽ sụt áp trên L (vì  càng lớn thì XL càng lớn), do vậy thành phần dòng điện cung cấp cho tải chỉ gồm thành phần 1 chiều và 1 phần nhỏ hài bậc thấp. Khi lọc bằng L hệ số đập mạch : Kp càng nhỏ nếu L càng lớn và Rt càng nhỏ. Mạch lọc bằng điện cảm phù hợp với tải tiêu thụ dòng lớn (Rt nhỏ) 8.3.4. Lọc hỗn hợp - Có thể kết hợp lọc bằng L và C tạo thành các mạch lọc hình L ngược, hình . Làm cho chất lượng lọc càng cao (hình 8.15 a,b) 206 - Để giảm nhỏ kích thước bộ lọc người ta còn thay vị trí của L bằng điện trở tạo thành mạch lọc RC (hình 8.15 c,d) Hình 8.15 Các mạch lọc hỗn hợp 8.3.5. Mạch lọc tích cực Mạch lọc tích cực có sơ đồ hình 8.16. Tụ C mắc ở cực B của transistor. Điện trở R vừa định thiên transistor vừa tạo dòng nạp cho tụ C. Với mạch lọc tích cực của dòng qua tải là dòng qua cực E của transistor: It = IE Dòng qua điện trở lọc R là dòng IB Ta có: tEB III    - Như vậy dòng qua tụ lọc đã giảm đi  lần , tương đương với giá trị của tụ tăng lên  lần. Do vậy khi dùng mạch lọc tích cực tụ lọc có thể dùng tụ có trị số nhỏ. Hình 8.16 Mạch lọc tích cực 207 8.4. Mạch ổn áp bù 8.4.1. ổn áp tham số -Phần lớn các thiết bị điện tử yêu cầu điện áp 1 chiều cung cấp có độ ổn đinh cao và nội trở của bộ nguồn cung cấp có trị số nhỏ. Trong quá trình làm việc sự thay đổi của điện áp xoay chiều, sự thay đổi của tải làm cho điện áp một chiều cung cấp thay đổi . - Việc ổn định điện áp xoay chiều bằng các bộ ổn áp xoay chiều có nhiều hạn chế nhất là khi điện áp lưới thay đổi nhiều. Hiện nay dùng phổ biến các bộ ổn áp một chiều bằng phương pháp : ổn áp bù tuyến tính, ổn áp xung . Để hiểu rõ hơn về nguyên lý ổn áp bù thì trước hết ta có khái niệm về ổn áp kiểu tham số. */ Mạch điện Hình 8.17 a) Mạch ổn áp kiểu tham số ; b) Đặc tuyến của Diode Zener Rt điện trở hạn chế dòng qua Diode DZ: Diode Zener, phân cực ngược làm việc ở chế độ đánh thủng do điện (đặc tuyến V - A hình 8.17b). Khi xảy ra đánh thủng do điện. Dòng qua diode tăng nhanh dẫn đến điện áp trên 2 đầu Diode không đổi + Nguyên lý làm việc: - Khi điện áp UV tăng điện áp Ur có xu hướng tăng nhưng lúc đó dòng qua Diode tăng làm cho điện áp trên R1 tăng, kết quả Uz ổn định. Do vậy điện áp cấp cho tải ổn định. Khi điện áp UV giảm điện áp Ur có xu hướng giảm nhưng lúc đó dòng qua Diode giảm làm cho điện áp trên R1 giảm, kết quả Uz ổn định. Do vậy điện áp cấp cho tải ổn định. Khi sử dụng mạch ổn áp tham số (ổn áp dùng Diode Zener) cần lưu ý: + Điện áp ổn định DZ: Tùy theo từng loại DZ có trị số UZ khác nhau + Khi cần điện áp cao có thể mắc nối tiếp các Dz * Đặc điểm ổn áp tham số : 208 Mạch đơn giản, tiết kiệm, nhưng chất lượng ổn áp thấp. chỉ phù hợp với tải tiêu thụ dòng nhỏ và không thay đổi được mức điện áp cấp cho tải theo yêu cầu, hiệu suất thấp. 8.4.2.Nguyên lý ổn áp bù tuyến tính Để nâng cao chất lượng điện áp cấp cho tải, người ta thường dùng ổn áp kiểu bù (còn gọi là ổn áp so sánh, ổn áp có hồi tiếp). Tùy theo cấu trúc có hai dạng ổn áp bù cơ bản: + ổn áp bù nối tiếp: Phần tử điều chỉnh nối tiếp với tải + ổn áp bù song song: Phần tử điều chỉnh song song với tải Mạch ổn áp bù nối tiếp có độ ổn định cao hơn và có hiệu suất lớn hơn, nên được dùng phổ biến trong thực tế. ở đây ta chủ yếu di phân tích mạch ổn áp bù nối tiếp. 1. Sơ đồ khối Hình 8.18 a) Sơ đồ khối mạch ổn áp bù nối tiếp; 209 2. Nhiệm vụ các khối -Tạo điện áp mẫu: Lấy một phần điện áp đầu ra đưa vào bộ khuếch đại so sánh -Tạo điện áp chuẩn: Tạo ra điện áp chuẩn đưa đến bộ khuếch đại so sánh - Khuếch đại so sánh: So sánh giữa điện áp chuẩn và điện áp mẫu. Mức độ sai lệch giữa hai điện áp này được khuếch đại và đưa đến điều khiển hoạt động của phần tử điều chỉnh. -Phần tử điều chỉnh: Có tác dụng như một biến trở, có nội trở thay đổi được, nội trở của phần tử điều chỉnh phụ thuộc vào sự điều khiển của điện áp đầu ra bộ khuếch đại so sánh. 3. Nguyên lý chung Khi điện áp vào thay đổi, điện áp ra có xu thế thay đổi, điện áp mẫu đưa vào khuếch đại so sánh cũng thay đổi. Bộ khuếch đại so sánh sẽ so sánh điện áp mẫu với điện áp chuẩn. Mọi sự sai lệch của điện áp ra được phát hiện và khuếch đại. Điện áp đầu ra của bộ khuếch đại so sánh đưa đến khống chế phần tử điều chỉnh làm cho nội trở của phần tử điều chỉnh thay đổi một cách tương ứng. Ta cóUr =Uv - Uđc . Khi Uv và Uđc biến đổi cùng chiều và cùng gia số thì Ur sẽ ổn định. Giả sử Uv tăng, Ur và Um tăng điện áp đầu ra của bộ khuếch đại so sánh đưa đến khống chế phần tử điều chỉnh, làm cho nội trở của phần tử điều chỉnh tăng lên, Uđc tăng lên một cách tương ứng. Do vậy điện áp ra không tăng. Khi điện áp vào giảm, quá trình xảy ra ngược lại làm cho điện áp ra không giảm. Như vậy nhờ có mạch ổn áp bù, điện áp vào thay đổi, điện áp ra ổn định. Mạch ổn áp bù song songcó nguyên lý làm việc tương tự, nhưng có khác nội trở của phần tử điều chỉnh thay đổi sẽ điều chỉnh sự giảm áp trên Rđc theo xu hướng bù lại sự tăng giảm của điện áp vào do đó điện áp ra ổn định. Với mạch ổn áp bù tuyến tính có điện áp rơi trên phần tử điều chỉnh, gây ra tổn hao năng lượng, do vậy hiệu suất của mạch thấp Đối với sơ đồ ổn áp bù song song, ngoài tổn hao trên phần tử điều chỉnh, còn tổn hao trên Rđc nên hiệu suất thấp hơn so với ổn áp bù nối tiếp. 8.4.3. Mạch ổn áp bù dùng Transistor 1. Mạch ổn áp bù dùng 2 transistor cùng loại a. Sơ đồ mạch điện. 210 Ur(ổn) Uv Uđc Um Rt R3 R5 R4 R1 R2 Q2 Dz VR Q1 Hình 8.19 Mạch ổn áp bù dùng 2 transistor cùng loại b.Tác dụng linh kiện: Q1: Phần tử điều chỉnh Q2: Khuếch đại so sánh R3, Dz: ổn áp tham số tạo điện áp chuẩn R4,VR, R5: Phân áp tạo điện áp mẫu R2: Hạn dòng cho Q1 R1: tải Q2, đồng thời định thiên cho Q1 c. Nguyên lý làm việc Ta có: 5 4 5 ( ) ( )rm U R VRU R R VR     (8.22) Mặt khác Um = UDZ +UBE2 (8.23) Suy ra: 4 5 5 ( )( ) ( )r DZ BE R R VRU U R VR    U (8.24) +/ Giả sử Uv tăng, Ur có xu thế tăng, làm cho điện áp trên cầu phân áp gồm R4, R5, VR tăng, dẫn đến Um tăng mà Um=UBE +UDz do UDZ ổn nên UBE2 tăng, dẫn đến Q2 dẫn mạnh, suy ra VB1 giảm, tức UBE1 giảm dẫn đến Q1 dẫn yếu, suy ra UCE1 tăng, vậy Uđc tăng mà Ur= Uv - Uđc ,Uv tăng, Uđc tăng, suy ra Ur ổn định 211 +/ Giả sử Uv giảm, Ur có xu thế giảm, làm cho điện áp trên cầu phân áp gồm R4, R5, VR giảm, dẫn đến Um giảm mà Um=UBE +UDz do UDZ ổn nên UBE2 giảm, dẫn đến Q2 dẫn yếu, suy ra VB1 tăng, tức UBE1 tăng dẫn đến Q1 dẫn mạnh, suy ra UCE1 giảm, vậy Uđc giảm mà Ur= Uv - Uđc ,Uv giảm, Uđc giảm, suy ra Ur ổn định Nếu dòng tải tăng, làm cho Ur giảm đi, điện áp mẫu giảm dẫn đến Q2 dẫn yếu ,suy ra IC2 giảm, dẫn đến Q1 dẫn mạnh, suy ra UCE1 giảm, do vậy làm cho Ur không giảm. Khi dòng tải giảm, quá trình xảy ra ngược lại. Tóm lại: Mạch luôn tác động sao cho khi điện áp vào thay đổi, thì điện áp trên phần tử điều chỉnh cũng thay đổi một cách tương ứng, làm cho điện áp ra ổn định. Vì vậy được gọi là ổn áp bù tuyến tính. Khi cần điện áp ra có cực tính âm, ta dùng sơ đồ như hình vẽ 8.20 Hình 8.20 Mạch ổn áp dùng 2 Transistor loại PNP 2. Mạch ổn áp bù dùng 2 transistor khác loại a. Sơ đồ mạch điện 212 Ur(ổn) Uv Udc Um R20/2W Rt R3 R5 R4 R1 R2 Q2 Dz VR Q1 Hình 8.21 Mạch ổn áp bù dùng 2 transistor khác loại b. Nguyên lý làm việc +/ Giả sử Uv tăng, Ur có xu thế tăng, làm cho điện áp trên cầu phân áp gồm R4, R5, VR tăng, dẫn đến Um tăng mà Um=UBE +UR3 do UDZ ổn nên UR3 tăng nhanh hơn so Um, nên suy ra UBE2 giảm dẫn đến Q2 dẫn yếu, suy ra VB1 tăng, tức UBE1 tăng dẫn đến Q1 dẫn yếu, suy ra UCE1 tăng, vậy Uđc tăng mà Ur = Uv - Uđc ,Uv tăng, Uđc tăng, suy ra Ur ổn định +/ Giả sử Uv giảm, Ur có xu thế giảm, làm cho điện áp trên cầu phân áp gồm R4, R5, VR giảm, dẫn đến Um giảm mà Um = UBE +UR3 do UDZ ổn nên UR3 giảm nhanh hơn Um, suy ra UBE2 tăng dẫn đến Q2 dẫn mạnh, suy ra VB1 giảm, tức UBE1 giảm dẫn đến Q1 dẫn mạnh, suy ra UCE1 giảm, vậy Uđc giảm mà Ur = Uv - Uđc ,Uv giảm, Uđc giảm, suy ra Ur ổn định 3. Các biện pháp nâng cao chất lượng bộ ổn áp bù Để nâng cao độ ổn định của mạch ổn áp bù có thể dùng biện pháp sau đây: Phần tử điều chỉnh có thể mắc theo sơ đồ Darlington, như hình 8.22 Bộ khuếch đại so sánh có thể dùng 2 đến 4 tầng hoặc dùng OPAM Có thể dùng tầng khuếch đại vi sai để khắc phục việc trôi điểm làm việc. 213 Hình 8.22 Mạch ổn áp bù dùng 3 Transistor 8.5. Vi mạch ổn áp 8.5.1. Khái niệm. -Để thu nhỏ kích thước cũng như chuẩn hóa các tham số của bộ ổn áp 1 chiều kiểu bù tuyến tính, người ta chế tạo chúng dưới dạng vi mạch. Do vậy thuận tiện cho việc sử dụng. -IC ổn áp có dòng ra khoảng 100mA đến vài A thậm chí vài chục A, điện áp ra có thể cố định hoặc điều chỉnh được. Công suất tiêu tán vài W đến vài chục W. Khi sử dụng phải tra cứu sổ tay để biết các tham số và sơ đồ bố trí chân IC. Các IC ổn áp thông dụng hiện nay: 78XX, 79XX, LM105, LM309, LM317, ví dụ IC 78XX có hình dạng như hình vẽ: Các IC ổn áp được cấu trúc bao gồm các khối: Tạo điện áp chuẩn, Tạo điện áp mẫu, Khuếch đại so sánh, Phần tử điều chỉnh, Bảo vệ quá tải. Với loại có 3 chân ra (ví dụ họ 78 và 79) điện áp ra có trị số cố định. 3output1input 2 78xx GND Hình 8.23 Sơ đồ chân IC họ 78xx 8.5. 2. Sơ đồ ổn áp có điện áp ra cố định dùng IC 78XX và 79XX. -Sơ đồ ổn áp hình vẽ 8.24 214 Hình 8.24 Mạch ổn áp dùng IC họ 78xx, 79xx 8.5.3. Sơ đồ ổn áp dùng IC có điện áp ra điều chỉnh được. -Sơ đồ dùng IC LM317như hình vẽ 8.25 Hình 8.25 Mạch ổn áp điện áp ra điều chỉnh được dùng IC LM317 - Với sơ đồ trên ta có thể điều chỉnh điện áp đầu ra bằng R1 và VR. Dòng điện qua chân điều chỉnh phải nhỏ hơn 100A. Điện áp đầu ra được tính xấp xỉ bằng 1 1,25(1 )r VRU R  - Giá trị R1 được chọn sao cho dòng điện qua chân điều chỉnh phải nhỏ hơn 100A và sự kết nối giữa R1 và VR như một cầu phân áp. Khi đó điện áp giữa chân điều chỉnh và chân ra phải có một điện áp nhất định bằng 1,25V. - Điên áp đầu ra luôn nhỏ hơn điện áp đầu vào IC ít nhất 3V. Như vậy muốn có điện áp điều chỉnh từ 1,25 đến 10V thì điện áp đầu vào IC phải lớn hơn ít nhất 13 V. - IC LM317 cho điện áp ra từ 1,25V đến 25V dòng ra 1,5A( phải có tỏa nhiệt) * Ưu nhược điểm của bộ ổn áp bù tuyến tính. - Ưu điểm của bộ điện áp bù tuyến tính là chất lượn ổn áp cao và cho phép biến đổi điện áp ra trong mội giới hạn nhất định. 215 - Tuy nhiên bộ ổn áp bù tuyến tính có hiệu suất thấp do tổn hao công suất trên phần tử điều chỉnh lớn. Mặt khác với điện áp bù nối tiếp khi phần tử điều chỉnh bị chập điện áp cung cấp cho tải có thể bằng điện áp 1 chiều chưa ổn gây ran guy hiểm cho tải. - Để khắc phục các nhược điểm trên của bộ ổn áp bù tuyến tính hiện nay thường sử dụng các bộ ổn áp xung( ổn áp không liên tục) 8.6 ổn áp xung 8.6.1. Khái niệm ổn áp xung. -Nguồn ổn áp xung còn gọi là nguồn ổn áp ngắt mở (Switching Power supply) có mạch nguyên lý hình 8.26 *Nguyên lý ổn áp xung.  Hình 8.26 a) Sơ đồ nguyên lý; b) Giản đồ xung khi Uv thay đổi + Điện áp 1 chiều cung cấp cho mạch ổn áp là Uv. + Khóa K đóng mở theo chu kỳ T. Nguyên lý làm việc như sau: Do khóa K đóng mở theo chu kì T nên điện áp tải Ur có dạng xung vuông. Khi K đóng điện áp ra bằng Uv, khi K mở điện áp Ur =U0 = 0. 216 Giá trị trung bình của điện áp tải được tính: 0 .vr UU U T   Trong đó: : Thời gian tồn tại xung (độ rộng xung) T: Chu kỳ xung -Từ biểu thức ta thấy khi điện áp vào thay đổi muốn điện áp ra ổn định dùng các biện pháp sau: . Giữ nguyên chu kì T thay đổi độ rộng xung  (giả xử Uv tăng, để Ur ổn định phải giảm thời gian tồn tại xung ) . Giữ thời gian tồn tại xung  thay đổi chu kì T. . Có thể thay đổi cả  và T. Thông thường để ổn định điện áp ra giữ nguyên T và thay đổi độ rộng xung . Để thực hiện nguyên lí trên ta thay khóa K bằng transistor, việc điều khiển đóng mở transistor được thực hiện bằng xung điều khiển theo sơ đồ khối nguyên lý ổn áp xung sẽ được trình bày ở phần dưới đây. 8.6.2. Nguyờn lý ổn áp xung. 1. Sơ đồ khối và nhiệm vụ các khối Am p Start B+ V0 Tr Drive Điều chế xung (PWM) OSC Lấy mẫu V01 V02L1 L2 L3' L3SW + L4 Khối cỏch ly C1 C2 C3 D1 D2 Hình 8.27 Sơ đồ khối nguồn ổn áp xung Tr: biến áp xung 217 Khối Start: Tạo điện áp mồi cho SW khi bắt đầu cấp nguồn (thường là R hoặc RC) Khối SW: Là Transistor công suất thực hiện đóng cắt liên tục, thời gian dẫn hoặc tần số đóng cắt của SW sẽ làm thay đổi giá trị điện áp tại đầu ra. Khối Driver: Mạch khuếch đại đệm thực hiện khuếch đại xung điều khiển đủ lớn để điều khiển SW. Khối này cùng với khối khuếch đại xung để thực hiện khuếch đại. Khối lấy mẫu: Nhận điện áp V0 tại đầu ra để xác định giá trị điện áp ra, đưa vào mạch điều chế độ rộng xung, để thay đổi độ rộng hoặc tần số xung để điện áp ra ổn định. Khối OSC: Mạch dao động tạo xung (biến đổi xung vuông thành răng cưa) Khối điều chế xung: Thực hiện quá trình thay đổi độ rộng hoặc tần số phụ thuộc vào điện áp ra V0 (thực hiện điều chế độ rộng xung -PWM ) Khối cách ly: Cách ly điện áp (có thể dùng OPTO) 2. Nguyên lý hoạt động Khi cấp nguồn điện áp 220V  từ đầu vào, qua mạch lọc, chỉnh lưu, cấp vào một đầu vào SW (thường cấp qua chân C của Transistor), đồng thời cũng qua mạch Start cấp nguồn vào chân B của SW làm SW dẫn. Transistor dẫn dòng qua Transistor tăng (có dòng điện biến thiên qua cuộn L1) do đó có năng lượng ghép từ cuộn L1 qua cuộn L2 và cuộn L3. Điện áp tại cuộn L2 sẽ làm cho SW càng dẫn mạnh hơn và dẫn tới bão hòa. Khi SW dẫn bão hòa dòng qua L1 không đổi do đó không có năng lượng ghép từ L1 sang L2. Điện áp trên cuộn L2 đảo chiều làm cho SW khóa. Khi SW khóa dòng qua cuộn L1 bằng 0. Năng lượng trên cuộn L2 cũng mất dần và sau một khoảng thời gian SW lại dẫn trở lại. Cứ như vậy quá trình lặp đi lặp lại thì SW (Transistor) cứ liên tục dẫn khóa làm cho có sự biến thiên năng lượng ghép từ L1 sang L2, L3. ở cuộn L3 tùy vào số vòng dây cuộn L3 người ta lấy ra các mức điện áp xoay chiều trên các đầu ra khác nhau (V01, V02), Sau đó chỉnh lưu lấy ra điện áp một chiều. Để ổn định điện áp ra người ta lấy điện áp V0 từ đầu ra thông qua khối cách ly đưa vào mạch lấy mẫu. Tùy vào giá trị V0 mà mạch điều chế xung sẽ thay đổi độ rộng hoặc tần số xung, làm cho thời gian dẫn của Transistor hoặc tần số đóng cắt Transistor thay đổi tương ứng làm cho điện áp ra ổn định. * Các bộ ổn áp xung có ưu điểm: - Có kích thước gọn nhẹ, do làm việc tần số cao nên tụ lọc không cần lớn. - Hiệu suất cao vì tổn hao trên Q nhỏ. - Có thể ổn định điện áp ra khi điện áp khi điện áp vào thay đổi trong phạm vi rộng. 218 Câu hỏi và bài tập chương 8 Câu 1: Vẽ sơ đồ mạch điện, nêu tác dụng linh kiện, phân tích nguyên lý làm việc của mạch chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ có điểm ra trung tính. Vẽ giản đồ thời gian dòng và áp trên tải, điện áp ngược trên Diode, tính các tham số (U0, I0, Ungmax) và cho biết đặc điểm của mạch. Câu 2: Vẽ sơ đồ mạch điện, nêu tác dụng linh kiện, phân tích nguyên lý làm việc của mạch chỉnh lưu một pha cầu. Vẽ giản đồ thời gian dòng và áp trên tải, điện áp ngược trên Diode, tính các tham số (U0, I0, Ungmax) và cho biết đặc điểm của mạch. Câu 3: Vẽ sơ đồ mạch điện, nêu tác dụng linh kiện và phân tích nguyên lý làm việc của mạch ổn áp bù dùng transistor cùng loại. Nêu biện pháp nâng cao độ ổn áp? Câu 4: Vẽ sơ đồ mạch điện, nêu tác dụng linh kiện và phân tích nguyên lý làm việc của mạch ổn áp bù dùng transistor khác loại. Nêu biện pháp nâng cao độ ổn áp? Câu 5: Vẽ sơ đồ mạch điện, nêu tác dụng linh kiện và phân tích nguyên lý làm việc của mạch ổn áp bù dùng transistor và khuếch đại thuật toán (OPAM). Câu 6: Vẽ sơ đồ khối, nhiệm vụ chức năng của các khối, nguyên lý hoạt động của bộ nguồn ổn áp xung. Cho biết những ưu nhược điểm của loại ổn áp này. Câu 6: Thiết kế bộ cấp nguồn một chiều DC có ổn áp bù dùng 2 TZT cùng loại với yêu cầu sau: Ur.ổn = 7v, It = 1A Câu 7: Thiết kế bộ nguồn cho một thiết bị điện tử có các yêu cầu sau : điện áp lưới 220V, điện áp DC cấp cho tải là 30V, dòng tải danh định 1A. Mạch có khả năng bảo vệ quá tải khi It ≥ 1,5A. Câu 8: Cho mạch chỉnh lưu 1 pha 2 nửa chu kỳ như hình 8.28, điện áp thứ cấp biến áp U21m = U22m = 100 V, tải thuần trở Rt = 50. Hãy: a/ Nêu tác dụng linh kiện cho mạch. b/ Phân tích nguyên lý làm việc của mạch. c/ Vẽ giản đồ thời gian dòng, áp trên tải, điện áp ngược trên diode. d/ Viết biểu thức và tính giá trị của các thông số sau: U0, I0, IDmax, Ungmax. Hình 8.28 U1 D1 D2 C Rt U21m U22m TR vi C âu 9: Cho mạch chỉnh lưu cầu 1 pha như hình 2.29, điện áp thứ cấp biến áp U2m = 100V tải thuần trở Rt = 50 . Hãy: a/ Nêu tác dụng linh kiện cho mạch. b/ Phân tích nguyên lý làm việc của mạch. c/ Vẽ giản đồ thời gian dòng, áp trên tải, điện áp ngược trên diode. d/ Viết biểu thức và tính giá trị của các thông số sau: U0, I0, IDmax, Ungmax. Hình 2.29 TR C Rt D2U2m D1U1 D3D4 vii Tài liệu tham khảo [1]. Đỗ Xuân Thụ. Kỹ thuật điện tử. Nhà xuất bản giáo dục. 2005 [2]. TS Trần Quang Vinh. Nguyên lý kỹ thuật điện tử. Nhà xuất bản giáo dục. 2005 [3] Phạm Minh Việt, Trần Công Nhượng. Kỹ thuật mạch điện tử phi tuyến. Nhà xuất bản giáo dục. 2001 [4] Nguyễn Thị Phương Hà. Kỹ thuật điện tử- Bài tập. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. 1996 [5] Trương Thị Ngộ. Kỹ thuật điện tử. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. 1991 [6] Phạm Minh Hà. Kỹ thuật mạch điện tử. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. 1997 [7] Sergio Franco, Design with Operational Amplifiers and Analog Intergrated Circuirts