CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ỔN ÁP DC 1. Lý thuyết cơ bản về ổn áp 1. Khái niệm ổn áp Các thiết bị tiêu thụ năng lượng điện (xoay chiều và 1 chiều) nhiều khi cần thiết phải thay đổi mức điện áp cung cấp cho nó, phù hợp với từng tác động. Ví dụ: các động cơ điện xoay chiều, để giảm nhỏ dòng khởi động, khi khởi động ta giảm điện áp cung cấp so với điện áp danh định khi động cơ đã quay đều.
Sự ổn định của nguồn cung cấp quyết định sự an toàn cho thiết bị, và tăng tính ổn định, tính chính xác trong sự hoạt động. Sự ổn định của nguồn làm tăng độ bền và kéo dài tuổi thọ của thiết bị. Vì vậy sự điều chỉnh và ổn định các loại nguồn cung cấp là nhu cầu không thể thiếu được trong vận hành, khai thác các thiết bị điện và điện tử chuyên dụng và dân dụng. Mạch ổn áp một chiều có nhiệm vụ ổn định điện áp một chiều ở đầu ra của mạch khi điện áp một chiều ở đầu vào mạch thay đổi trong một phạm vi cho phép.
Mạch ổn áp một chiều thường đặt sau bộ chỉnh lưu và lọc. Thông số kỹ thuật Các thông số kỹ thuật cơ bản của nguồn ổn áp là hệ số ổn định, dải ổn định, hiệu suất và thời gian xác lập. Nguồn ổn áp Hình 1. Tác dụng của nguồn ổn áp [3] - Hệ số ổn định điện áp K u nói lên tác dụng của bộ ổn định đã làm giảm độ không ổn định điện áp ra trên tải đi bao nhiêu lần so với đầu vào.
Vi Độ không ổn định đầu vào: N i Vidm V0 Độ không ổn định điện áp đầu ra: N 0 V0 dm 13 Vậy độ ổn định điện áp của bộ ổn áp: N i V i V0 dm KU N 0 V0 V idm - Dải ổn định Du, Di nói nên độ rộng của khoảng làm việc của bộ ổn áp, ổn dòng. - Hiệu suất: khi làm việc các bộ ổn định cũng tiêu hao năng lượng điện trên chúng, do đó hiệu suất của bộ ổn định: P0 P0 Pi P0 Pth P0 công suất có ích trên tải của bộ ổn định Pi công suất mà bộ ổn định yêu cầu từ đầu vào Pth công suất tổn hao trên bộ ổn định - Thời gian xác lập T xl của bộ ổn định là khoảng thời gian cần thiết để đưa đại lượng không ổn định trên tải về giá trị định mức của nó kể từ thời điểm bắt đầu xảy ra sự mất ổn định. Ngày nay các bộ ổn định dùng linh kiện bán dẫn và IC, nên Txl cực nhỏ và được coi là không có quán tính. Phần tử cơ bản của bộ ổn định là phần tử hiệu chỉnh.
Phân loại nguồn ổn áp - Dựa theo cách mắc phần tử hiệu chỉnh với tải ta có các nguồn ổn áp song song, các nguồn ổn áp kiểu nối tiếp. - Nếu dựa theo dòng điện mà nguồn làm việc, ta có nguồn ổn áp xoay chiều, nguồn ổn áp một chiều. - Nếu dựa theo đặc tính làm việc của phần tử hiệu chỉnh ta có nguồn ổn áp kiểu liên tục (tuyến tính) và nguồn ổn áp kiểu ngắt quãng (ổn áp xung). Nguồn ổn áp tuyến tính 1.
Khái niệm, cấu trúc và nguyên lý hoạt động - Nguồn tuyến tính (linear regulator): điện áp đầu vào sẽ rơi một phần trên phần tử công suất một lượng để đảm bảo duy trì điện áp đầu ra bằng hằng số. Phần tử công suất có thể là các transistor công suất hoặc các IC nguồn tuyến tính. 14 - Sơ đồ của nguồn tuyến tính: Hình 1. Sơ đồ khối nguồn ổn áp tuyến tính [3] - Hoạt động mạch: một mạch phản hồi điện áp (Sense/Control Circuitry) sẽ điều chỉnh dòng I(v) sao cho I (v).
Sơ đồ nguyên lý khối Voltage – Controlled Current Source như sau: 1. Một số mạch nguồn ổn áp tuyến tính 1. Mạch ổn áp dùng diode zener Ri + Ii + Iz It Vi Dz RT Vo - - Hình 1. Mạch ổn áp dùng diode Zener [3] Ta có Ii = I z + I t ( định luật Kirchhop 1) Vi = VRi + V Z ( định luật Kirchhop2) 15 Nếu Vi thay đổi thì dòng I Z cũng thay đổi nhưng nếu thiết kế sao cho IZmin < I Z < IZmax thì V Z =const.
Khi tải tiêu thụ dòng thấp I t = I tmin , dòng Ii chủ yếu chảy qua D Z; ngược lại khi tải tiêu thụ dòng cực đại It = Itmax , dòng qua D Z sẽ tối thiểu. Như vậy khi chọn Ri phải đảm bảo hai điều kiện sau: + Khi dòng tải cực đại It = I tmax, dòng qua DZ là IZ > IZmin để DZ vẫn ổn định điện áp VZ. + Khi dòng tải cực tiểu It = Itmin, dòng qua DZ là IZ < IZmax để D Z không bị phá hỏng vì vượt quá công suất tiêu tán cho phép. Khi hở tải, It = 0, I Z = I i , nghĩa là lúc đó D Z tiêu thụ dòng cực đại, do đó linh kiện ổn áp DZ phải gánh hầu như toàn bộ dòng vào trong trường hợp này.
Mạch ổn áp tham số dùng Transistor Q1 + + R1 Vi RL Vo Dz - - Hình 1. Mạch ổn áp tham số dùng transistor [3] Khi có điện áp vào Vi, thông qua điện trở R 1 cấp dòng phân cực cho Q 1 làm Q1 hoạt động. Lúc này điện áp ra V0 rơi trên RL được tính: V0 =Vi – V CE(Q1) Hoạt động ổn áp: - Khi Vi tăng, V0 tăng tức thời làm điện áp tại chân E(Q 1) tăng, do DZ ghim điện áp tại chân B(Q1 ) không đổi Q1 có: VBE = VB – V E giảm Q1 dẫn yếu đi điện áp rơi trên CE(Q 1) tăng lên V0 =Vi – VCE (Q1) là không đổi. - Khi Vi giảm, quá trình diễn ra tương tự nhưng ngược lại.
Mạch ổn áp kiểu bù Trong thực tế khi ta cần các nguồn một chiều có giá trị khác nhau nhưng vẫn được ổn áp thì ta có thể sử dụng mạch ổn áp dùng transistor nhưng thêm một biến trở VR để có thể điều chỉnh được điện áp ra. Sơ đồ mạch: Q1 + + R1 R3 R2 VR Vi RL Vo Q2 R4 Dz Vs - - Hình 1. Mạch ổn áp nối tiếp dùng transistor có điều chỉnh [3] R1: Phân cực cho Q1 hoạt động, đồng thời là điện trở tải của Q2. DZ, R2: tạo điện áp chuẩn.
R3, R4, VR: lấy điện áp từ V0 phân cực cho Q2. Q2: phần tử điều khiển dùng để so sánh điện áp hồi tiếp với điện áp chuẩn và khuếch đại sai lệch đó. Q1: BJT công suất dùng để điều chỉnh điện áp ra theo điện áp vào. Nguyên lý hoạt động: Khi đóng mạch, Q1 dẫn nên Q2 dẫn.
Ta có V0 = V i - VCE1 - VS bằng một phần điện điện áp rơi trên cầu phân áp R3, R4, VR. Giả sử Vi tăng, V0 tăng tức thời, nên điện áp lấy mẫu VS tăng. Điện áp VS cũng chính là điện áp đưa vào cực nền B của Q2 Q2 dẫn mạnh V CE2 giảm Q1 dẫn yếu VCE1 tăng, nên V0 giảm theo. - Giải thích tương tự khi V i giảm.
VR ở đây có tác dụng điều chỉnh điện áp VS cấp cho chân B(Q2), khi ta chỉnh VR xuống phía dưới làm cho điện trở vế dưới VR giảm VS giảm VB2 giảm Q2 dẫn yếu VCE2 tăng Q1 dẫn mạnh nên V0 tăng lên. Ta thấy ở đây VR đã có tác dụng điều chỉnh điện áp ra V0 theo mong muốn. Các vi mạch ổn áp DC tuyến tính. Họ 78xx/79xx: 17 Vi mạch 78xx/79xx có 3 cực: cực vào, cực ra và cực chung.
Mỗi loại vi mạch như vậy được chế tạo theo các mức điện áp ra tiêu chuẩn dương hoặc âm. - Các vi mạch xx78xx được chế tạo với các mức điện ra tiêu chuẩn dương từ (+5 +24)V. Ví dụ: LM7805 ổn áp dương, điện áp ra là +5V + Sơ đồ chân: chân vào (input), chân ra (output), chân mass (GND) Hình 1. Sơ đồ tương đương và hình dáng 78XX [7] Bảng 1.1: Thông số lớn nhất (T a = 250 C) với dòng IC LM78xx [7] Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Input Voltage (for VO= 5V to 18V) VI 35 V (for VO = 24V) VI 40 V Điện áp đầu vào 0 Thermal Resistance Junction-Cases (TO- RJC 5 C/W 220) Mức kháng nhiệt tại điểm tiếp xúc hộp 0 Thermal Resistance Junction-Air (TO-220) RJA 65 C/W Mức kháng nhiệt tại điểm tiếp xúc không khí 0 Operating Temperature Range TOPR 0 +125 C (KA78XX/A/R) Dải nhiệt độ làm việc Storage Temperature Range TSTG -65 +150 0C Dải nhiệt độ bảo quản 18 Bảng 1.2: Thông số kỹ thuật điện (LM7805/LM7805R) (0°C < T J< 125°C, IO= 500mA, VI = 10V, CI= 0,33µF, C O=0,1µF) [7] Thông số Ký hiệu Điều kiện KA7805 Đơn Min Typ Max vị TJ = +250C 4.25 VI = 720V Line Regulation TJ=+25 V0=725V - 4.0 100 0 (Note1) Regline C VI=812V mV - 1.6 50 Quy định về dòng Load Regulation TJ=+25 IO= 5mA1.5A - 9 100 (Note1) Regload 0C IO=250750mA mA - 4 50 Quy định về tải Quiescent Current IQ TJ=+25 0C - 5.0 mA Dòng điện tĩnh Quiescent Current I0 = 5mA1.5 Change IQ mA Dòng điện tĩnh thay VI = 725V - 0.3 đổi Output Voltage Drift V0/T I0 = 5mA - -0.8 - mV/0C Điện áp trôi ngõ ra Output Noise F=10Hz100kHz Voltage VN - 42 - µV/V0 TJ=+25 0C Nhiễu điện áp ra Ripple Rejection f = 120Hz RR 62 73 - dB Gợn sóng bỏ đi VO= 8V to 18V Dropout Voltage VDrop IO= 1A, TJ=+25C - 2 - V 19 Điện áp rơi đầu ra Output Resistance r0 F = 1kHz - 15 - mΩ Trở kháng ra Short Circuit Current ISC VI= 35V, T A=+25 oC - 230 - mA Dòng ngắn mạch Peak Current IPK TJ=+25 oC - 2.2 - A Dòng điện đỉnh + Mạch ổn áp nguồn đơn dùng 78xx U1 1 3 VI VO GND Input Output C2 C1 LM7805 2 0.
Mạch ổn áp nguồn đơn dùng 78xx [7] Tụ C1, C2 dùng để lọc các gợn điện áp 1 chiều đầu vào và đầu ra mạch. - Các vi mạch xx79xx được chế tạo với các mức điện áp ra tiêu chuẩn âm, từ (-5V -15)V. Ví dụ AN 7915 ổn áp âm điện áp ra là -15V. + Hình dáng và sơ đồ chân: Hình 1.
Hình dáng 79xx [8] + Mạch ổn áp nguồn đơn dùng 79xx 20 2 3 IN OUT GND Input C1 C2 Output 2.2uF LM7905C 1uF 1 U1 0 0 0 Hình 1.