Slide kỹ thuật đo và tin học công nghiệp đại học bách khoa hà nội nguồn cung cấp một chiều

Nguồn cung cấp một chiều
TS. Nguyễn Quốc Cường
B.m: Kỹ thuật đo & Tin học cơng nghiệp

1

Nội dung
• Giới thiệu
• Ổn áp một chiều tuyến tính
• Ổn áp một chiều switching
• Một số IC ổn áp

2

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
CuuDuongThanCong.com

/>

Tài liệu tham khảo
• “Fundamentals of analog circuits” – Thomas Floyd &
David Buchla, 2nd edition, Prentice Hall, 2006, (chapter
11)

3

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường

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

4

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
CuuDuongThanCong.com

/>

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

5

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường

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

6

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
CuuDuongThanCong.com

/>

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
đơn vị tính là %
VNL : điện áp output khi dịng tải là minimum (no load)
VFL : điện áp output khi dòng tải là maximum (full load)
Lý tưởng load regulation = 0%

7

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường

Ổn áp khi tải thay đổi (2)
– Thông qua điện trở ra của nạch ROUT

VNL : điện áp ouptut khi không tải
VTH: điện áp tương đương trong biến đổi Thevenin
ROUT: điện trở ra của mạch

8

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
CuuDuongThanCong.com

/>

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%

9

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường

Ví dụ 1
• Nguồn ổn áp dc có:
– Điện áp khi không tải (IL = 0) = 12.1V
– Điện áp khi đầy tải (IL = 200mA) = 12V

• Tính hệ số Load regulation
• Tính điện trở ra của mạch khi khơng tải
• Đáp án: 0.083% (hoặc 0.0042%/mA), 0.5 Ohm

10

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
CuuDuongThanCong.com

/>

Ổn áp tuyến tính
• Ổn áp tuyến tính kiểu nối tiếp
• Ổn áp tuyến tính kiểu song song

11

Nguồn cung cấp một chiều

Nguyễn Quốc Cường

Ổn áp tuyến tính kiểu nối tiếp
phần tử điều khiển mắc “series” với tải

Series voltage fegulator
12

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
CuuDuongThanCong.com

/>

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)

13

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường

Hoạt động của ổn áp nối tiếp

14

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
CuuDuongThanCong.com

/>

Hoạt động của ổn áp nối tiếp
khi VIN hoặc RL giảm
VOUT tăng lại
VE tăng

tăng
VOUT giảm
(VRE–Vsample )
tăng

Vsample giảm
15

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường

Hoạt động của ổn áp nối tiếp
khi VIN hoặc RL tăng
VOUT giảm lại
VE giảm

giảm
VOUT tăng
(VRE–Vsample )
giảm

Vsample tăng
16

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
CuuDuongThanCong.com

/>

Ví dụ 2
• Tính điện áp VB của Q1

Đáp án: 10.9V
17

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường

Bảo vệ quá tải
VBE của Q2 không
“vượt” quá 0.7V

18

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
CuuDuongThanCong.com

/>

Mạch ổn áp tuyến tính song song
phần tử điều khiển mắc
“shunt” với tải

shunt voltage regulator
19

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường

Hoạt động cuả ổn áp kiểu song song (1)

20

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
CuuDuongThanCong.com

/>

… khi VIN hoặc RL giảm

(Vsample-VREF)
giảm

21

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường

… khi VIN hoặc RL tăng

(Vsample-VREF)
tăng

22

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
CuuDuongThanCong.com

/>

Hoạt động cuả ổn áp kiểu song song (2)
• Nếu VOUT và IL khơng đổi, khi VIN thay đổi, dịng IS thay
đổi

• Nếu VIN và VOUT khơng đổi, khi IL thay đổi, dòng IS thay
đổi

23

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường

• Hiệu suất của ổn áp kiểu song song kém hớn kiểu nối
tiếp do ln cần duy trì dịng IS “đủ lớn” để có thể bù
lại sự thay đổi của VI và IL. Tuy nhiên dòng ngắn mạch
(khi VOUT = 0)thì ln được đảm bảo bằng

24

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
CuuDuongThanCong.com

/>

Ví dụ 3
• Tính cơng suất tiêu tốn lớn nhất trên R1

Đáp án: PR1 = max khi VOUT = 0 (ngắn mạch)

PR1max = 7.1W
25

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường

Nguồn ổn áp switching
• Nguồn ổn áp tuyến tính (kiểu shunt hay series) có hiệu
suất thấp do “control element” là các transistor ln
phải làm việc trong chế độ tích cực
cơng suất tổn

hao lớn khi dịng ra tải lớn
• Nguồn ổn áp “switching” các phần tử điều khiển làm
việc ở chế độ on/off do đó cơng 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
26

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
CuuDuongThanCong.com

/>

Ổn áp kiểu step-down
• Điện áp output ln nhỏ hơn điện áp input
lọc điện áp
on/off

27

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường

Hoạt động của mạch ổn áp kiểu step-down

Sự phụ thuộc của VOUT vào ton và toff
28

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
CuuDuongThanCong.com

/>

… khi VOUT có xu hướng giảm

29

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường

…khi VOUT có xu hướng tăng

30

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
CuuDuongThanCong.com

/>

Ổn áp kiểu step-up
• Điện áp output ln lớn hơn điện áp input

31

Nguồn cung cấp một chiều

Nguyễn Quốc Cường

… khi Q1 on

D1 off

L tích năng
lượng

32

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
CuuDuongThanCong.com

/>

… khi Q1 off

L giải
phóng
năng
lượng

33

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường

Volatge-inverter

• Điện áp output ngược dấu với điện áp input

34

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
CuuDuongThanCong.com

/>

… khi Q1 on
D1 off

35

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường

… khi Q1 off
VL đảo dấu

D1 on

tụ C nạp điện áp âm

36

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
CuuDuongThanCong.com

/>

Một số IC ổn áp
• Ổn áp tuyến tính
– 78xx, 79xx
– LM317, LM337

• Ổn áp switching
– 78S40

37

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường

IC ổn áp 78xx

38

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
CuuDuongThanCong.com

/>

39

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường

IC 79xx

40

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
CuuDuongThanCong.com

/>

41

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường

LM317
• IC ổn áp dương, có thể điều chỉnh được điện áp output

42

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
CuuDuongThanCong.com

/>

LM 317 (2)

nhỏ, cỡ 50µA

43

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường

LM337
• IC ổn áp âm, có thể điều chỉnh được điện áp output

44

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
CuuDuongThanCong.com

/>

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

45

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường

control element

46

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
CuuDuongThanCong.com

/>

78S40: ổn áp step-doWn

47

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường

78S40: ổn áp step -up

48

Nguồn cung cấp một chiều
Nguyễn Quốc Cường
CuuDuongThanCong.com

/>