Trong một mạch ựiện tử thì bộ nguồn là quan trọng nhất, nó quyết ựịnh sự hoạt ựộng hay ngưng hoạt ựộng của mạch. Một bộ nguồn không tốt sẽ làm cho mạch hoạt ựộng không ổn ựịnh và sẽ làm hỏng linh kiện một cách nhanh chóng (ựiều này rất thường xảy ra ựối với những mạch ựiện tử không ựược ổn áp tốt mà phải hoạt ựộng ở những vùng có lưới ựiện không ổn ựịnh). đối với các IC số thuộc họ TTL thì ựiều này luôn luôn ựúng. Vì vậy một bộ nguồn ổn áp tốt thì rất cần thiết cho các mạch ựiện tử (thường là các mạch dùng IC số). Tùy vào thông số nguồn cần cung cấp mà ta thiết kế bộ nguồn có ựiện áp và dòng ựiện ra tương ứng.
Một bộ nguồn thường gồm ba khâu như sơ ựồ dưới ựây
Hình 3.19. Sơ ựồ khối khối nguồn
Biến áp: Là thiết bị thay ựổi biên ựộ tắn hiệu giữa ựầu vào và ựầu ra. Có thể là tăng hoặc giảm. Trong trường hợp này, nguồn cấp cho các mạch số thấp hơn nhiều so với ựiện áp ựược cung cấp 220 VAC nên biến áp có chức năng hạ áp.
58
Chỉnh lưu: Là các mạch ựiện biến ựổi năng lượng ựiện xoay chiều thành năng lượng ựiện một chiều. Các thiêt bị số chỉ hoạt ựộng với dạng ựiện áp một chiều. Mạch chỉnh lưu có thể chỉnh lưu một nửa chu kì hay cả hai nửa chu kỳ và thường dùng điôt làm phần tử chỉnh lưu.
Lọc: Là quá trình san phẳng ựiện áp, làm cho tắn hiệu ra tương ựối bằng phẳng và có thể coi như một chiều. Thường dùng tụ ựiện làm phần tử lọc. Tùy vào giá trị của nguồn ựiện mà các tụ này có ựiên dung khác nhau.
Ổn áp: Là quá trình ổn ựịnh ựiện áp ựầu ra trên tải khi nguồn vào thay ựổi hoặc công suất tải thay ựổi. Dưới ựây mô tả một vài phương pháp ổn áp trong các mạch nguồn. Chức năng của mọi ổn áp DC là biến ựổi ựiện áp vào DC chưa ổn ựịnh thành ựiện áp ra DC ổn ựịnh và giá trị ựiện áp này phải ựúng với giá trị khi tắnh toán lý thuyết. điện áp ra này phải ựược duy trì liên tục và không ựược thay ựổi khi ựiện áp ngõ vào hoặc dòng tải thay ựổi (ở một giới hạn cho phép của mạch). để thực hiện ựược việc này thì một mạch ổn áp thường gồm có các phần sau ựây:
Hình 3.20. Sơ ựồ khối nguồn ổn áp cơ bản
- Phần tạo áp chuẩn (REF: Reference): cung cấp một mức ựiện áp ổn ựịnh biết trước (VREF).
- Phần tử lấy mẫu:lấy ựiện áp ngõ ra ựể làm mẫu.
điều khiển công suất Lấy mẫu R E F
Khuếch ựại vi sai
điện áp hồi tiếp
điện áp vào điện áp ra
Phần tử tạo áp chuẩn
59
- Phần tử khuếch ựại vi sai: so sánh mẫu ựiện áp ra với mức chuẩn và tạo ra tắn hiệu sai biệt.
-Phần tử ựiều khiển công suất:biến ựổi ựiện áp vào thàn múc ựiện áp ra mong muốn khi ựiều kiện tải thay ựổi. Khối này ựược ựiều khiển bằng tắn hiệu sai biệt từ bộ khuếch ựại sai biệt ựưa ựến.
Có 2 loại ổn áp cơ bản là: ổn áp tuyến tắnh và ổn áp xung. Ổn áp tuyến tắnh ựược chia ra làm hai loại nữa là ổn áp nối tiếp và ổn áp song song. Tuy mạch ựiện thật sự của các loại ổn áp này khác nhau nhưng về cơ bản ựều phải có ựủ cả bốn thành phần trong sơ ựồ khối trên. Sau ựây là các sơ ựồ khối của các loại ổn áp cơ bản trên.
Hình 3.21. Sơ ựồ khối mạch ổn áp nối tiếp
Tên gọi ổn áp nối tiếp là do phần tử ựiều khiển mắc nối tiếp với tải (phần tử ựiều khiển thường là một Transistor có chức năng như một biến trở, ở ựây ký hiệu là RS). Nguyên lý hoạt ựộng của mạch như sau: giả sử ựiện áp ngõ vào bị sụt áp thì tại thời ựiểm tức thời (ngay lúc vừa sụt áp) ựiện áp ngõ ra cũng bị sụt theo. điện áp sụt này (ựiện áp mẫu) ựược phản ánh ựến bộ khuếch ựại sai biệt nhờ cặp ựiện trở lấy mẫu R1, R2. Khối khuếch ựại sai biệt sẽ so sánh ựiện áp mẫu này với ựiện áp chuẩn từ khối REF (Reference) ựưa ựến và sẽ ựưa ra tắn hiệu ựiều khiển ựến cực B của Transistor, ựiều chỉnh lại ựiện áp phân cực của nó (cụ thể là làm Transistor dẫn mạnh hơn). Giải thắch tương tự cho trường hợp tăng áp ở ngõ vào.
REF RS VI R1 R2 VO
60
Hình 3.22. Sơ ựồ khối mạch ổn áp song song
Tên gọi ổn áp song song cũng do phần tử ựiều khiển mắc song song với tải. Nguyên lý hoạt ựộng của mạch cũng ựược giải thắch tương tự như mạch ổn áp nối tiếp. Sự thay ựổi ựiện áp vào sẽ làm ựiện áp ngõ ra cũng thay ựổi theo tại thời ựiểm tức thời, cặp ựiện trở lấy mẫu R1, R2 sẽ truyền sự thay ựổi này về bộ khuếch ựại sai biệt. Bộ khuếch ựại sai biệt cũng so sánh ựiện áp chuẩn với ựiện áp mẫu này và sẽ ựưa ra tắn hiệu ựiều khiển tương ứng làm cho ựiện áp ra ổn ựịnh trở lại.
Hình 3.23. Sơ ựồ khối mạch ổn áp xung
Ổn áp xung dùng một khóa tắch cực ựể làm phần tử ựiều khiển. Khóa này ựược dùng ựể ngắt ựiện áp vào theo một chu kỳ làm việc thay ựổi theo các yêu cầu của tải.
Một bộ lọc (thường là lọc LC) dùng lấy trung bình ựiện áp hiện diện ở ngõ vào của nó và ựưa ựiện áp ựó ựến tải ra. Do Transistor ựiều khiển hoặc mở (dẫn bão hòa) hoặc tắt nên công suất tiêu tán ở phần tử ựiều khiển sẽ tối thiểu. Vì lẽ ựó, ổn áp xung hưũ hiệu hơn ổn áp nối tiếp hoặc song song. Do nguyên nhân này, ổn áp xung ựặc biệt thắch hợp cho các ứng dụng có sai biệt ựiện áp vào ra lớn hay các yêu cầu dòng tải lớn.
V R VO R R RSHU RE RE F OSC V VO R R
61
Sự biến ựổi chu kỳ nhiệm vụ thường ựạt ựược bằng cách duy trì một tần sốkhông ựổi và thay ựổi thời gian tắt mở. Phương pháp này ựược gọi là biến ựiệu ựộ rộng xung (PWM: Pulse Width Modulation). Một kỹ thuật khác là duy trì thời gian mở không ựổi và thay ựổi thời gian tắt (thay ựổi tần số).
Tất cả các loại ổn áp trên ựều có thể ráp ựược từ các linh kiện rời như Transistor, Op-Amp,Ầ hoặc từ các mạch tắch hợp sẵn. Tuy nhiên, ựể mạch ựiện ựơn giản nên ở ựây dùng IC ổn áp (các mạch ổn áp ựược tắch hợp sẵn).
Có nhiều loại IC ổn áp, trong ựó loại IC ổn áp 3 chân thường ựược sử dụng rộng rãi vì chúng nhỏ và chỉ cần một số ắt linh kiện bên ngoài. IC ổn áp 3 chân ựặc biệt có lợi cho việc thiết kế các bộ nguồn nhỏ ổn ựịnh hay các ổn áp trên các card.
IC ổn áp 3 chân loại có ựiện áp ra cố ựịnh (không ựiều chỉnh ựược) có hai loại là ổn áp dương và ổn áp âm. Có nhiều họ IC ổn áp nhưng ở ựây ta chỉ xét ựến họ 78xx tương ứng với IC ổn áp dương, hai số sau chỉ ựiện áp ra cố ựịnh của nó, cụ thể là 7805: ổn áp dương có ựiện áp ngõ ra là 5V, 7812: có ựiện áp ra là 12VẦ. Tùy theo dòng ựiện ở ngõ ra, người ta thêm chữ ựể chỉ, thắ dụ:
78Lxx: dòng ựiện ra danh ựịnh là 100mA. 78xx: dòng ựiện ra danh ựịnh là 1A. 78Hxx: dòng ựiện ra danh ựịnh là 5A. Chú ý: 78L62: ổn áp 6,2V.
Sau ựây là một mạch ổn áp có ựiện áp ngõ ra cố ựịnh 5V sử dụng IC ổn áp 7805 (ổn áp dương có ựiện áp ngõ ra là 5V, dòng ựiện ngõ ra ựến 1A).
Hình 3.24. Mạch ổn áp 5V dùng IC VI 0,33ộ F 0,1ộF 7805 VO 1 2 3 7805 1 3 2 Sơ ựồ chân IC7805
62
Các tụ 0,33 ộF và 0,1 ộF dùng chống nhiễu và cải thiện ựáp ứng quá ựộ của ổn áp. Các tụ này ựặt càng gần chân IC càng tốt.
Phần tử tiêu thụ công suất chủ yếu của mạch này là bảng ựèn (các IC số cũng tiêu thụ công suất nhưng không ựáng kể), do dùng phương pháp quét nên tại mỗi thời ựiểm chỉ có một cột LED ựược phép sáng. Theo tắnh toán, nếu cả 7 LED trong cột cùng sáng thì dòng ựiện tức thời khoảng 2,7A nhưng dòng trung bình chỉ khoảng hơn 80mA. (theo như kết quả tắnh toán của phần thiết kế mạch thúc công suất).
IC ổn áp 7805 chịu ựược dòng ngõ ra ựến 1A nên bảo ựảm cung cấp ựủ dòng cho toàn mạch mà bản thân nó không bị quá dòng. Tuy nhiên, ta cũng cần gắn tản nhiệt cho IC ựể nó hoạt ựộng ở ựiều kiện tốt nhất.