Nguồn cung cấp một chiều - TS.Nguyễn Quốc Cường doc

1
Nguồn cung cấp một chiều
TS. Nguyễn Quốc Cường
B.m: Kỹ thuật đo & Tin học công nghiệp
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
2
Nội dung
• Giới thiệu
• Ổn áp một chiều tuyến tính
• Ổn áp một chiều switching
• Một số IC ổn áp
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
3
Tài liệu tham khảo
• “Fundamentals of analog circuits” – Thomas Floyd &
David Buchla, 2
nd
edition, Prentice Hall, 2006, (chapter
11)
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
4
Giới thiệu
• Nguồn ổn áp một chiều
– Nguồn cung cấp cho các hệ thống điện tử (op-amp,
transistor,…)
– Nguồn chuẩn cung cấp cho các hệ thống cảm biến
– …
• Nguồn ổn áp dc được chia làm 2 kiểu

– Nguồn ổn áp tuyến tính
– Nguồn ổn áp switching
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
5
Hệ số ổn áp
• Nguồn ổn áp dc
– Đầu vào thường là điện áp dc thay biến đổi nhiều (mạch chỉnh
lưu + lọc)
– Đầu ra là điện áp dc ổn định (ổn áp đối với sự thay đổi của
input và tải)
• Hệ số ổn áp: đặc trưng cho khả năng ổn áp của nguồn
khi nguồn input hoặc tải thay đổi
– Ổn áp đối với input
– Ổn áp đối với tải
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
6
Ổn áp khi đầu vào thay đổi
• Hệ số ổn áp đối với sự thay đổi của input (Line
regulation): đặc trưng cho khả năng ổn áp của nguồn
khi tín hiệu đầu vào thay đổi
• Có hai kiểu định nghĩa
thường được tính là mV/V
thường được tính là %/mV
hoặc %/V
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
7
Ổn áp khi tải thay đổi (1)

• Hệ số ổn áp đối với sự thay đổi của tải (Load
regulation): đặc trưng cho khả năng ổn áp của nguồn
khi có sự thay đổi của tải
• Có nhiều cách biểu diễn khác nhau của load regulation
trong các datasheet
– Thông qua định nghĩa
V
NL
: điện áp output khi dòng tải là minimum (no load)
V
FL
: điện áp output khi dòng tải là maximum (full load)
Lý tưởng load regulation = 0%
đơn vị tính là %
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
8
Ổn áp khi tải thay đổi (2)
– Thông qua điện trở ra của nạch R
OUT
V
NL
: điện áp ouptut khi không tải
V
TH
: điện áp tương đương trong biến đổi Thevenin
R
OUT
: điện trở ra của mạch
Nguồn cung cấp một chiều

Nguyễn Quốc Cường
9
Ổn áp khi tải thay đổi (3)
– Trong một số datasheet có thể đưa ra hệ số %/mA
– Ví dụ 0.01%/mA được hiểu là khi tải thay đổi (tăng hoặc giảm)
1mA thì điện áp thay đổi 0.01%
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
10
Ví dụ 1
• Nguồn ổn áp dc có:
– Điện áp khi không tải (I
L
= 0) = 12.1V
– Điện áp khi đầy tải (I
L
= 200mA) = 12V
• Tính hệ số Load regulation
• Tính điện trở ra của mạch khi không tải
• Đáp án: 0.083% (hoặc 0.0042%/mA), 0.5 Ohm
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
11
Ổn áp tuyến tính
• Ổn áp tuyến tính kiểu nối tiếp
• Ổn áp tuyến tính kiểu song song
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
12
Ổn áp tuyến tính kiểu nối tiếp

phần tử điều khiển mắc “series” với tải
Series voltage fegulator
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
13
Điện áp chuẩn
• Khả năng ổn áp của output phụ thuộc rất nhiều vào
phần tử tạo điện áp chuẩn
• Các phần tử điện áp chuẩn cần đảm bảo
– Ít phụ thuộc vào nhiệt độ
– Thay đổi ít khi linh kiện bị già hóa
• Một số phần tử ổn áp
– Diode zener (vài Volt, chất lượng thấp)
– Điện áp cao IC ổn áp (LM339 ổn áp 10V)
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
14
Hoạt động của ổn áp nối tiếp
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
15
Hoạt động của ổn áp nối tiếp
khi V
IN
hoặc R
L
giảm
V
OUT
giảm

V
sample
giảm
(V
RE
–V
sample
)
tăng
tăng
V
E
tăng
V
OUT
tăng lại
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
16
Hoạt động của ổn áp nối tiếp
khi V
IN
hoặc R
L
tăng
V
OUT
tăng
V
sample

tăng
(V
RE
–V
sample
)
giảm
giảm
V
E
giảm
V
OUT
giảm lại
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
17
Ví dụ 2
• Tính điện áp V
B
của Q1
Đáp án: 10.9V
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
18
Bảo vệ quá tải
V
BE
của Q
2

không
“vượt” quá 0.7V
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
19
Mạch ổn áp tuyến tính song song
shunt voltage regulator
phần tử điều khiển mắc
“shunt” với tải
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
20
Hoạt động cuả ổn áp kiểu song song (1)
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
21
… khi V
IN
hoặc R
L
giảm
(V
sample
-V
REF
)
giảm
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
22

… khi V
IN
hoặc R
L
tăng
(V
sample
-V
REF
)
tăng
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
23
Hoạt động cuả ổn áp kiểu song song (2)
• Nếu V
OUT
và I
L
không đổi, khi V
IN
thay đổi, dòng I
S
thay
đổi
• Nếu V
IN
và V
OUT
không đổi, khi I

L
thay đổi, dòng I
S
thay
đổi
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
24
• Hiệu suất của ổn áp kiểu song song kém hớn kiểu nối
tiếp do luôn cần duy trì dòng I
S
“đủ lớn” để có thể bù
lại sự thay đổi của V
I
và I
L
. Tuy nhiên dòng ngắn mạch
(khi V
OUT
= 0)
thì
luôn được đảm bảo bằng
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
25
Ví dụ 3
• Tính công suất tiêu tốn lớn nhất trên R
1
Đáp án: P
R1

= max khi V
OUT
= 0 (ngắn mạch)  P
R1max
= 7.1W
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
26
Nguồn ổn áp switching
• Nguồn ổn áp tuyến tính (kiểu shunt hay series) có hiệu
suất thấp do “control element” là các transistor luôn
phải làm việc trong chế độ tích cực  công suất tổn
hao lớn khi dòng ra tải lớn
• Nguồn ổn áp “switching” các phần tử điều khiển làm
việc ở chế độ on/off do đó công suất tổn hao thấp 
cho dong tải lớn và hiệu suất cao hơn mạch tuyến tính
• Có ba kiểu cơ bản
– step-down
– step-up
– voltage-inverter
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
27
Ổn áp kiểu step-down
• Điện áp output luôn nhỏ hơn điện áp input
on/off
lọc điện áp
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
28

Hoạt động của mạch ổn áp kiểu step-down
Sự phụ thuộc của V
OUT
vào t
on
và t
off
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
29
… khi V
OUT
có xu hướng giảm
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
30
…khi V
OUT
có xu hướng tăng
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
31
Ổn áp kiểu step-up
• Điện áp output luôn lớn hơn điện áp input
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
32
… khi Q
1
on

D1 off
L tích năng
lượng
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
33
… khi Q
1
off
L giải
phóng
năng
lượng
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
34
Volatge-inverter
• Điện áp output ngược dấu với điện áp input
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
35
… khi Q1
on
D1 off
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
36
… khi Q1 off
D1 on
tụ C nạp điện áp âm

V
L
đảo dấu
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
37
Một số IC ổn áp
• Ổn áp tuyến tính
– 78xx, 79xx
– LM317, LM337
• Ổn áp switching
– 78S40
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
38
IC ổn áp 78xx
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
39
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
40
IC 79xx
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
41
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
42
LM317

• IC ổn áp dương, có thể điều chỉnh được điện áp output
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
43
LM 317 (2)
nhỏ, cỡ 50µA
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
44
LM337
• IC ổn áp âm, có thể điều chỉnh được điện áp output
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
45
78S40
• Là IC đa năng có thể thực hiện step-up, step-down hay
voltage-inverter tùy thuộc vào việc mắc các linh kiện
phụ bên ngoài
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
46
control element
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
47
78S40: ổn áp step-doWn
Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
48
78S40: ổn áp step -up