Dt Voltage Regulators 2

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

1

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

2

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

Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường

3

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

4

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

Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường

6

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

Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường

7

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

Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường

8

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

9

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 không tải • Đáp án: 0.083% (hoặc 0.0042%/mA), 0.5 Ohm

Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường

10

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

11

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

12

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

13

Hoạt động của ổn áp nối tiếp

Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường

14

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 Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường

16

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

Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường

18

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

shunt voltage regulator Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường

19

Hoạt động cuả ổn áp kiểu song song (1)

Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường

20

… khi VIN hoặc RL giảm

(Vsample-VREF) giảm

Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường

21

… khi VIN hoặc RL tăng

(Vsample-VREF) tăng

Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường

22

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

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

Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường

23

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

Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường

24

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

Đáp án: PR1 = max khi VOUT = 0 (ngắn mạch)
PR1max = 7.1W Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường

25

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

26

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

Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường

27

Hoạt động của mạch ổn áp kiểu step-down

Sự phụ thuộc của VOUT vào ton và toff Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường

28

… khi VOUT có xu hướng giảm

Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường

29

…khi VOUT có xu hướng tăng

Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường

30

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

31

Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường

… khi Q1 on

D1 off

L tích năng lượng

Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường

32

… khi Q1 off

L giải phóng năng lượng

Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường

33

Volatge-inverter • Điện áp output ngược dấu với điện áp input

Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường

34

… khi Q1 on D1 off

Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường

35

… khi Q1 off VL đảo dấu

D1 on

Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường

tụ C nạp điện áp âm

36

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

37

IC ổn áp 78xx

Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường

38

Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường

39

IC 79xx

Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường

40

Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường

41

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

Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường

42

LM 317 (2)

nhỏ, cỡ 50µA

Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường

43

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

Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường

44

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

45

control element

Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường

46

78S40: ổn áp step-doWn

Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường

47

78S40: ổn áp step -up

Nguồn cung cấp một chiều Nguyễn Quốc Cường

48