162 Hình 2.133: Bộ biến đổi xung tam giác thành hình sin dùng JFET 2.6. NGUỒN MỘT CHIỀU 2.6.1. Khái niệm chung Ngu ồ n m ộ t chi ề u có nhi ệ m v ụ cung c ấ p n ă ng l ượ ng m ộ t chi ề u cho các m ạ ch và các thi ế t b ị đ i ệ n t ử ho ạ t độ ng. N ă ng l ượ ng m ộ t chi ề u c ủ a nó t ổ ng quát đượ c l ấ y t ừ ngu ồ n xoay chi ề u c ủ a l ướ i đ i ệ n thông qua m ộ t quá trình bi ế n đổ i đượ c th ự c hi ệ n trong ngu ồ n m ộ t chi ề u. Hình 2.134: Sơ đồ khối nguồn một chiều Hình 2.134 bi ể u di ễ n s ơ đồ kh ố i c ủ a m ộ t b ộ ngu ồ n hoàn ch ỉ nh v ớ i ch ứ c n ă ng các kh ố i nh ư sau: – Bi ế n áp để bi ế n đổ i đ i ệ n áp xoay chi ề u U 1 thành đ i ệ n áp xoay chi ề u U 2 có giá tr ị thích h ợ p v ớ i yêu c ầ u. Trong m ộ t s ố tr ườ ng h ợ p có th ể dùng tr ự c ti ế p U 1 không c ầ n bi ế n áp. – M ạ ch ch ỉ nh l ư u có nhi ệ m v ụ chuy ể n đ i ệ n áp xoay chi ề u U 2 thành đ i ệ n áp m ộ t chi ề u không b ằ ng ph ẳ ng U t (có giá tr ị thay đổ i nh ấ p nhô). S ự thay đổ i này ph ụ thu ộ c c ụ th ể vào t ừ ng d ạ ng m ạ ch ch ỉ nh l ư u (xem 2.1.3). – B ộ l ọ c có nhi ệ m v ụ san b ằ ng đ i ệ n áp m ộ t chi ề u đậ p m ạ ch U t thành đ i ệ n áp m ộ t chi ề u U 01 ít nh ấ p nhô h ơ n. Bi ế n áp Ch ỉ nh l ư u B ộ l ọ c Ổ n áp ( Ổ n dòng) T ả i U 1 ∼ 163 – B ộ ổ n áp m ộ t chi ề u ( ổ n dòng) cáo nhi ệ m v ụ ổ n đị nh đ i ệ n áp (dòng đ i ệ n) ở đầ u ra c ủ a nó U o2 (I t ) khi U o1 b ị thay đổ i theo s ự m ấ t ổ n đị nh c ủ a U o1 hay I t . trong nhi ề u tr ườ ng h ợ p n ế u không có yêu c ầ u cao thì không c ầ n b ộ ổ n áp hay ổ n dòng m ộ t chi ề u. Tu ỳ theo đ i ề u ki ệ n và yêu c ầ u c ụ th ể mà b ộ ch ỉ nh l ư u có th ể m ắ c theo nh ữ ng s ơ đồ khác nhau và dùng các lo ạ i van ch ỉ nh l ư u khác nhau. B ộ ch ỉ nh l ư u công su ấ t v ừ a và l ớ n th ườ ng dùng m ạ ch ch ỉ nh l ư u ba pha. D ướ i đ ây kh ả o sát t ừ ng kh ố i nêu trên trong b ộ ngu ồ n m ộ t chi ề u. Riêng ph ầ n m ạ ch ch ỉ nh l ư u xem (2.1.3) và (2.4). 2.6.2. Lọc các thành phần xoay chiều của dòng điện ra tải Trong các m ạ ch ch ỉ nh l ư u nói trên đ i ệ n áp hay dòng đ i ệ n ra t ả i tuy có c ự c tính không đổ i, nh ư ng giá tr ị c ủ a chúng thay đổ i theo th ờ i gian m ộ t cách có chu kì, g ọ i là s ự đậ p m ạ ch c ủ a đ i ệ n áp hay dòng đ i ệ n sau khi ch ỉ nh l ư u. M ộ t cách t ổ ng quát khi t ả i thu ầ n tr ở , dòng đ i ệ n t ổ ng h ợ p ra t ả i là: ω tcosnBsinn ω iAIi 1n n 1n not ∑∑ ∞ = ∞ = ++= Trong đ ó I o là thành ph ầ n m ộ t chi ề u và ω tcosnBsinn ω iA 1n n 1n n ∑∑ ∞ = ∞ = + là t ổ ng các sóng hài xoay chi ề u có giá tr ị , pha và t ầ n s ố khác nhau ph ụ thu ộ c vào lo ạ i m ạ ch ch ỉ nh l ư u. V ấ n đề đặ t ra là ph ả i l ọ c các sóng hài này để cho i t ít đậ p m ạ ch, vì các sóng hài gây s ự tiêu t ố n n ă ng l ượ ng vô ích và gây ra nhi ễ u lo ạ n cho s ự làm vi ệ c c ủ a t ả i. Trong m ạ ch ch ỉ nh l ư u hai n ử a chu kì thành m ộ t chi ề u I o t ă ng g ấ p đ ôi so v ớ i ½ chu kì, thành ph ầ n sóng hài c ơ b ả n (n=1) b ị tri ệ t tiêu, ch ỉ còn các sóng hài có b ậ c n=2 tr ở lên. V ậ y m ạ ch ch ỉ nh l ư u hai n ử a chu kì có tác d ụ ng l ọ c b ớ t sóng hài. Ng ườ i ta đị nh ngh ĩ a h ệ s ố đậ p m ạ ch K p c ủ a b ộ l ọ c: K p = Biên độ sóng hài l ớ n nh ấ t c ủ a i t (hay U t ) / Giá tr ị trung bình c ủ a i t (hay U t ) K p càng nh ỏ thì ch ấ t l ượ ng c ủ a b ộ l ọ c càng cao. Ng ườ i ta đ ã tính toán r ằ ng khi ch ỉ nh l ư u ½ chu kì K=1,58 , khi ch ỉ nh l ư u hai n ử a chu kì K=0,667. Để th ự c hi ệ n nhi ệ m v ụ l ọ c nói trên, các b ộ l ọ c sau đ ây th ườ ng đượ c dùng: a- Bộ lọc bằng tụ điện Tr ườ ng h ợ p này đ ã đượ c nêu trong ph ầ n b ộ ch ỉ nh l ư u t ả i dung tính ở 2.1.3. Nh ờ có t ụ n ố i song song v ớ i t ả i, đ i ệ n áp ra t ả i ít nh ấ p nhô h ơ n. Do s ự n ạ p và phóng c ủ a t ụ qua các l/2 chu kì và do các sóng hài b ậ c cao đượ c r ẽ qua m ạ ch C xu ố ng đ i ể m chung, dòng đ i ệ n ra t ả i ch ỉ còn thành ph ầ n m ộ t chi ề u và m ộ t l ượ ng nh ỏ sóng hài b ậ c th ấ p. Vi ệ c tính toán h ệ s ố đậ p m ạ ch c ủ a b ộ l ọ c dùng t ụ d ẫ n t ớ i k ế t qu ả : 164 t p ω CR 2 K = (2-265) Ngh ĩ a là tác d ụ ng l ọ c càng rõ r ệ t khi C và R t càng l ớ n (R t tiêu th ụ dòng đ i ệ n nh ỏ ). V ớ i b ộ ch ỉ nh l ư u dòng đ i ệ n công nghi ệ p (t ầ n s ố 50Hz hay 60 Hz), tr ị s ố t ụ C th ườ ng có giá tr ị t ừ vài µF đế n vài nghìn µF (t ụ hóa). b - Lọc bằng cuộn dây L (cuộn chặn) M ạ ch l ọ c b ằ ng cu ộ n L đượ c cho ở hình 2.135b. Cu ộ n L m ắ c n ố i ti ế p v ớ i t ả i R t nên khi dòng đ i ệ n i t ra t ả i bi ế n thiên đậ p m ạ ch, trong cu ộ n L s ẽ xu ấ t hi ệ n s ứ c đ i ệ n độ ng t ự c ả m ch ố ng l ạ i. Do đ ó làm gi ả m các sóng hài (nh ấ t là các sóng hài b ậ c cao). V ề m ặ t đ i ệ n kháng, các sóng hài b ậ c n có t ầ n s ố càng cao s ẽ b ị cu ộ n L ch ặ n càng nhi ề u. Do đ ó dòng đ i ệ n ra t ả i ch ỉ có thành ph ầ n m ộ t chi ề u I o và m ộ t phân l ượ ng nh ỏ sóng hài. Đ ó chính là tác d ụ ng l ọ c c ủ a cu ộ n L. H ệ s ố đậ p m ạ ch c ủ a b ộ l ọ c dùng cu ộ n L là : K p = R t /3ωL (2-266) Hình 2.135: Sơ đồ các bộ lọc a) Lọc bằng tụ điện; b) Lọc bằng cuộn chặn; c) Lọc hình L ngược; d) Lọc hình ∏ 165 Ngh ĩ a là tác d ụ ng l ọ c c ủ a cu ộ n L càng t ă ng khi R t càng nh ỏ (t ả i tiêu th ụ dòng đ i ệ n l ớ n). Vì vây, b ộ l ọ c này thích h ợ p v ớ i m ạ ch ch ỉ nh l ư u công su ấ t v ừ a và l ớ n. Giá tr ị cu ộ n L càng l ớ n thì tác d ụ ng ch ặ n càng t ă ng; tuy nhiên c ũ ng không nên dùng L quá l ớ n, vì khi đ ó đ i ệ n tr ở m ộ t chi ề u c ủ a cu ộ n L l ớ n, s ụ t áp m ộ t chi ề u trên nó t ă ng và hi ệ u su ấ t b ộ ch ỉ nh l ư u gi ả m. c - Bộ lọc hình L ngược và hình π Các b ộ l ọ c này s ử d ụ ng t ổ ng h ợ p tác d ụ ng c ủ a cu ộ n L và t ụ C để l ọ c (h.2.135c và 2.135d), do đ ó các sóng hài càng b ị gi ả m nh ỏ và dòng đ i ệ n ra t ả i (hay đ i ệ n áp trên t ả i) càng ít nh ấ p nhô. Để t ă ng tác d ụ ng l ọ c có th ể m ắ c n ố i ti ế p 2 hay 3 m ắ t l ọ c hình π v ớ i nhau. Khi đ ó dòng đ i ệ n và đ i ệ n áp ra t ả i g ầ n nh ư b ằ ng ph ẳ ng hoàn toàn. Trong m ộ t s ố tr ườ ng h ợ p để ti ế t ki ệ m và gi ả m kích th ướ c, tr ọ ng l ượ ng c ủ a b ộ l ọ c, ta có th ể thay cu ộ n L b ằ ng R trong các m ắ t l ọ c hình L ng ượ c hay hình π (h.2.135c). Lúc đ ó R gây s ụ t áp c ả thành ph ầ n m ộ t chi ề u trên nó d ẫ n t ớ i hi ệ u su ấ t và ch ấ t l ượ ng b ộ l ọ c th ấ p h ơ n khi dùng cu ộ n L. Th ườ ng ng ườ i ta ch ọ n giá tr ị R sao cho s ụ t áp m ộ t chi ề u trên nó b ằ ng (10-20)% U o kho ả ng vài Ω đế n vài kΩ. d - Bộ lọc cộng hưởng Hình 2.136a bi ể u th ị b ộ l ọ c c ộ ng h ưở ng dùng m ạ ch c ộ ng h ưở ng song song L k C k m ắ c n ố i ti ế p v ớ i t ả i R t nh ờ v ậ y s ẽ ch ặ n sóng hài có t ấ n s ố b ằ ng t ầ n s ố c ộ ng h ưở ng c ủ a nó. Ngoài ra t ụ C 1 còn có tác d ụ ng l ọ c thêm. Hình 2.136b bi ể u th ị b ộ l ọ c c ộ ng h ưở ng dùng m ạ ch c ộ ng h ưở ng n ố i ti ế p L K C K m ắ c song song v ớ i t ả i R t . Ở t ầ n s ố c ộ ng h ưở ng n ố i ti ể p c ủ a m ạ ch L K C K tr ở kháng c ủ a nó r ấ t nh ỏ nên nó ng ắ n m ạ ch các sóng hài có t ầ n s ố b ằ ng hay g ầ n b ằ ng t ầ n s ố c ộ ng h ưở ng. Hình 2.136: Mạch điện các bộ lọc cộng hưởng 166 2.6.3. Đặc tuyến ngoài của bộ chỉnh lưu Trong m ạ ch ch ỉ nh l ư u do có đ i ệ n tr ở thu ầ n c ủ a các cu ộ n dây bi ế n áp c ủ a các đ iôt và c ủ a các ph ầ n t ử b ộ l ọ c m ắ c n ố i ti ế p v ớ i t ả i nên khi dòng đ i ệ n t ả i I o t ă ng, đ i ệ n áp 1 chi ề u ra tài U o gi ả m. Đườ ng bi ể u th ị quan h ệ gi ữ a U o và I o g ọ i là đặ c tuy ế n ngoài c ủ a b ộ ch ỉ nh l ư u. Ta có th ể bi ể u th ị giá c ủ a đ i ệ n áp ra U o nh ư sau: U o = E o – (Σ∆U D + I a r b-a + I O R L ) (2-267) U D là giá tr ị trung bình c ủ a đ i ệ n áp h ạ trên các đ iôt c ủ a m ộ t v ế ch ỉ nh l ư u: I a r b-a là giá tr ị trung bình c ủ a s ụ t áp trong các cu ộ n s ơ c ấ p và th ứ c ấ p bi ế n áp khi có dòng đ i ệ n qua 1 v ế , I 0 R L là s ụ t áp trên ph ầ n t ử l ọ c m ắ c n ố i ti ế p. Hình 2.137 bi ể u th ị các đặ c tuy ế n ngoài c ủ a b ộ chinh l ư u hai n ử a chu kì v ớ i các b ộ l ọ c khác nhau. Để so sánh các tr ườ ng h ợ p trên, có th ể c ă n c ứ vào: - Đ i ệ n áp ra khi không t ả i E o - Độ d ố c c ủ a đặ c tuy ế n và d ạ ng c ủ a chúng Tr ườ ng h ợ p không l ọ c, đ i ệ n áp không t ả i b ằ ng tr ị s ố hi ệ u d ụ ng c ủ a d ạ ng m ộ t n ử a hình sin t ầ n s ố 100Hz. Trong các tr ườ ng h ợ p khác, do đ i ệ n tr ở trong c ủ a van ph ụ thu ộ c vào dòng đ i ệ n t ả i nên đặ c tuy ế n h ơ i cong, độ d ố c c ủ a đặ c tuy ế n ph ụ thu ộ c đ i ệ n tr ở ra c ủ a b ộ ch ỉ nh l ư u. Đườ ng 2 ứ ng v ớ i tr ườ ng h ợ p t ụ l ọ c C. Do có t ụ l ọ c nên đ i ệ n áp không t ả i t ă ng lên khi dòng I o t ă ng, ngoài ra ả nh h ưở ng c ủ a van, bi ế n áp, s ự phóng nhanh c ủ a t ụ C qua t ả i c ũ ng làm cho U o gi ả m nhanh h ơ n khi gi ả m giá tr ị t ụ l ọ c. Hình 2.137: Đặc tuyến ngoài của bộ chỉnh lưu I o U o L ọ c C Không l ọ c L ọ c RC L ọ c h ì nh π 167 Đườ ng 3 ứ ng v ớ i tr ườ ng h ợ p l ọ c RC. Khi I o t ă ng, s ụ t áp trên đ i ệ n tr ở l ọ c R t ă ng nhanh nên đ i ệ n áp ra tài U o gi ả m nhanh nh ấ t so v ớ i các tr ườ ng h ợ p nêu ở đ ây. Đườ ng 4 ứ ng v ớ i tr ườ ng h ợ p l ọ c LC (hình L ng ượ c). Ph ầ n đặ c tuy ế n gi ả m nhanh do đ ó dòng t ừ hóa cho cu ộ n L ch ư a đủ để g ầ y s ụ t áp c ả m tính. Sau đ ó cùng v ớ i s ự t ă ng c ủ a dòng t ừ hóa cu ộ n L, s ụ t áp c ả m tính trên cu ộ n L và ả nh h ưở ng c ủ a nó t ă ng lên làm cho U o gi ả m ch ậ m nh ư ng v ẫ n có độ d ố c l ớ n h ơ n khi không l ọ c do cu ộ n L có đ i ệ n tr ở 1 chi ề u. Đườ ng 5 ứ ng v ớ i b ộ l ọ c hình Π g ầ n gi ố ng v ớ i tr ườ ng h ợ p l ọ c t ụ C do đặ c tuy ế n ch ị u ả nh h ưở ng ch ủ y ế u c ủ a t ụ C. Nhìn chung, độ d ố c c ủ a đặ c tuy ế n ngoài ph ả n ánh đ i ệ n tr ở ra ( đ i ệ n tr ở trong) c ủ a b ộ ch ỉ nh l ư u. Do yêu c ầ u chung đố i v ớ i m ộ t ngu ồ n áp, chúng ta mong mu ố n đ i ệ n tr ở này càng nh ỏ càng t ố t. 2.6.4. Ổn định điện áp và dòng điện a - Ổn định điện áp Nhi ệ m v ụ ổ n đị nh đ i ệ n áp (g ọ i t ắ t là ổ n áp) m ộ t chi ề u ra t ả i khi đ i ệ n áp và t ầ n s ố l ướ i đ i ệ n thay đổ i, khi t ả i bi ế n đổ i (nh ấ t là đố i v ớ i bán d ẫ n) r ấ t th ườ ng g ặ p trong th ự c t ế . Đ i ệ n tr ở ra c ủ a b ộ ngu ồ n cung c ấ p yêu c ầ u nh ỏ , để h ạ n ch ế s ự ghép kí sinh gi ữ a các t ầ ng, gi ữ a các thi ế t b ị dùng chung ngu ồ n ch ỉ nh l ư u. Vi ệ c ổ n đị nh đ i ệ n áp xoay chi ề u b ằ ng các b ộ ổ n áp xoay chi ề u có nhi ề u h ạ n ch ế nh ấ t là khi đ i ệ n áp l ướ i thay đổ i nhi ề u. Dùng b ộ ổ n áp m ộ t chi ề u b ằ ng ph ươ ng pháp đ i ệ n t ừ đượ c s ử d ụ ng ph ổ bi ể n h ơ n đặ c bi ệ t khi công su ấ t t ả i yêu c ầ u không l ớ n và t ả i tiêu th ụ tr ự c ti ế p đ i ệ n áp 1 chi ề u. Các ch ỉ tiêu c ơ b ả n c ủ a m ộ t b ộ ổ n áp là: - H ệ s ố ổ n áp xác đị nh b ằ ng t ỉ s ố gi ữ a l ượ ng bi ế n thiên t ươ ng đố i c ủ a đ i ệ n áp đầ u vào và đ i ệ n áp đầ u ra khi gi ữ t ả i ở m ộ t giá tr ị không đổ i. const=R U/dU U/dU =K t rara vàovào đ .ô (2-268) Phân bi ệ t h ệ s ố ổ n áp theo đườ ng dây: % U U∆ =K ra 1ra dây là h ệ s ố ổ n áp theo t ả i % U U∆ =K ra 2ra tai Ở đ ây ∆U ra1 đượ c xác đị nh khi dU vào/ U vào = 10% ∆U ra2 đượ c xác đị nh khi ∆I tải = I tmax. - Đ i ệ n tr ở ra đặ c tr ư ng cho s ự bi ế n thiên c ủ a đ i ệ n áp ra khi dòng đ i ệ n t ả i thay đổ i (l ấ y giá tr ị tuy ệ t đố i vì th ườ ng ∆U ra > 0 khi ∆I t > 0) 168 const=U dt dU =R v t ra ra (2-269) - Hi ệ u su ấ t: đ o b ằ ng t ỉ s ố công su ấ t ra t ả i và công su ấ t danh đị nh ở đầ u vào: vvào tra IU I.U =η (2=270) - L ượ ng trôi (l ượ ng không ổ n đị nh) c ủ a dòng ( đ i ệ n áp) m ộ t chi ề u ra t ả i: ∆U trôi = ∆U vào / K ô.đ Các d ạ ng b ộ ổ n áp trên th ự c t ế đượ c chia thành ba loài chính: ổ n áp ki ề u tham s ố , ổ n áp ki ể u bù tuy ế n tính và ổ n áp ki ể u bù xung. Ổn áp kiểu tham số. Nguyên Ií và đặ c tuy ế n c ủ a b ộ ổ n áp ki ể u tham s ố dùng đ iôt zener đ ã đượ c nêu ở 2.l.3. Ở đ ây, ch ỉ c ầ n nh ắ c l ạ i vài nh ậ n xét chính sau: + Khi đ i ệ n áp vào U 1 bi ế n đổ i l ượ ng ∆U 1 khá l ớ n, t ừ đặ c tuy ế n đ iôt ổ n áp silic, ta th ấ y đ i ệ n áp ổ n đị nh bi ế n đố i r ấ t ít và dòng đ i ệ n qua đ iôt I ô t ă ng lên khá l ớ n. V ậ y toàn b ộ l ượ ng t ă ng gi ả m c ủ a U 1 h ầ u nh ư h ạ trên R hc đ i ệ n áp ra t ả i h ầ u nh ư không đổ i. + Tr ườ ng h ợ p n ế u nh ư U 1 = const và ch ỉ có dòng t ả i ít t ă ng s ẽ gây nên s ự phân ph ố i l ạ i dòng đ i ệ n. Khi đ ó I o gi ả m xu ố ng. K ế t qu ả là đ òng đ i ệ n I r h ầ u nh ư không thay đổ i và U 2 gi ữ không đổ i. Hình 2.138: Mạch dùng nhiều điôt ổn áp mắc nối tiếp cho nhiều mức theo yêu cầu + H ệ s ố ổ n đị nh c ủ a m ạ ch t ỷ l ệ v ớ i t ỷ s ố R hc /r i (r i là đ i ệ n tr ở trong c ủ a ph ầ n t ử ổ n đị nh lúc làm vi ệ c) ngh ĩ a là r i càng nh ỏ càng t ố t và gi ớ i h ạ n trên c ủ a R hc do dòng I min c ủ a ph ầ n t ử ổ n đị nh quy ế t đ inh. Khi c ầ n ổ n đị nh đ i ệ n áp cao quá đ i ệ n áp ổ n đị nh c ủ a đ iôt có th ể m ắ c n ố i ti ế p 2 hay nhi ề u đ iôt ổ n áp, khi đ ó có th ể nh ậ n đượ c nhi ề u m ứ c đ i ệ n áp ổ n đị nh (h. 2.138). . U o = E o – (Σ∆U D + I a r b-a + I O R L ) ( 2-2 67) U D là giá tr ị trung bình c ủ a đ i ệ n áp h ạ trên các đ iôt c ủ a m ộ t v ế ch ỉ nh l ư u: I a r b-a là giá tr ị trung bình c ủ a. const=U dt dU =R v t ra ra ( 2-2 69) - Hi ệ u su ấ t: đ o b ằ ng t ỉ s ố công su ấ t ra t ả i và công su ấ t danh đị nh ở đầ u vào: vvào tra IU I.U =η (2=270) - L ượ ng trôi (l ượ ng không. ng ườ i ta ch ọ n giá tr ị R sao cho s ụ t áp m ộ t chi ề u trên nó b ằ ng (1 0-2 0)% U o kho ả ng vài Ω đế n vài kΩ. d - Bộ lọc cộng hưởng Hình 2.136a bi ể u th ị b ộ l ọ c c ộ ng h ưở ng dùng