CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 40
vS − VZ vS − VZ
là: Ri = = (2.61)
iR iZ + iL
Suy ra mức dòng zener iZ, là:
vS − VZ
iZ = − iL (2.62)
Ri
Các đại lượng có thể thay đổi trong phương trình (2.62) là vS và iL. Để đảm bảo diode vẫn ở
vùng điện áp hằng (vùng đánh thủng), ta hãy khảo sát hai mô hình của trạng thái vào/ra như sau:
1. Mức dòng chảy qua diode, iZ là nhỏ nhất (IZmin) khi dòng tải, iL là lớn nhất (ILmax) và mức
điện áp nguồn, vS là nhỏ nhất (VSmin).
2. Mức dòng chảy qua diode, iZ là lớn nhất (IZmax) khi dòng tải, iL là nhỏ nhất (ILmin) và mức
điện áp nguồn, vS là lớn nhất (VSmax).
Khi các đặc tính của hai mô hình được kết hợp vào phương trình (2.61), ta có:
Trạng thái 1:
V − VZ
Ri = Smin (2.63)
I Lmax + I Zmin
Trạng thái 2:
V − VZ
Ri = Smax (2.64)
I Lmin + I Zmax
Do trị số của Ri trong cả hải phương trình (2.63) và phương trình (2.64) là một, nên ta có thể cân
bằng hai biểu thức để có:
(VSmin − VZ )( I Lmin + I Zmax ) = (VSmax − VZ )( I Lmax + I Zmin ) (2.65)
Trong bài toán thực tế, hợp lý nhất là cho biết khoảng điện áp vào, khoảng dòng tải, và mức điện
áp zener yêu cầu. Do vậy phương trình (2.65), sẽ tương đương một phương trình theo hai ẩn,
dòng zener lớn nhất và nhỏ nhất. Xác định phương trình thứ hai bằng cách xét đặc tuyến hình
2.31. Để tránh phần đặc tuyến không phải hằng số, ta sử dụng quy tắc kinh nghiệm là mức dòng
zener nhỏ nhất sẽ bằng 0,1 lần mức dòng zener lớn nhất, tức là:
I Zmin = 0,1I Zmax
Giải phương trình (2.65) theo IZmax, trong đó sử dụng tiêu chuẩn thiết kế đã được giới thiệu ở
trên,
I (V − V ) + I Lmax (VSmax − VZ )
I Zmax = Lmin Z Smin (2.66)
VSmin - 0,9VZ - 0,1VSmax
Có thể tính được mức dòng zener lớn nhất, để có trị số của Ri từ phương trình (2.63) hoặc (2.64).
Ví dụ 2.3: Thiết kế bộ ổn định điện áp bằng zener khoảng 10V (hình 2.33) cho các điều kiện
như sau: a) Khoảng dòng tải từ 100mA đến 200mA và khoảng điện áp nguồn từ 14V đến 20V.
b) Khoảng dòng tải từ 20mA đến 200mA và khoảng điện áp nguồn từ 10,2V đến 14V. Sử dụng
diode zener 10V trong cả hai trường hợp.
Giải: a) Việc thiết kế bao gồm chọn giá trị điện trở Ri phù hợp, và thông số định mức công suất
cho zener. Sử dụng phương trình từ mục trên để tính mức dòng lớn nhất của diode zener và sau
đó tính trị số điện trở vào. Từ phương trình (2.66), ta có:
I (V − V ) + I Lmax (VSmax − VZ ) 100mA(10V − 14V) + 200mA(20V − 10V)
I Zmax = Lmin Z Smin = = 533mA
VSmin - 0,9VZ - 0,1VSmax 14V − 0,9 × 10V − 0,1 × 20V
Tiếp theo, từ phương trình (2.64), tính Ri như sau:
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 41
VSmax − VZ 20V − 10V
Ri = = = 15,8Ω
I Lmin + I Zmax 533mA + 100mA
Sẽ không đầy đủ nếu chỉ xác định điện trở Ri, nên cũng cần phải chọn công suất định mức thích
hợp cho điện trở. Mức công suất lớn nhất cho bởi tích của điện áp và dòng điện, trong đó sử
dụng trị số lớn nhất cho mỗi đại lượng.
PR = ( I Zmax + I Lmin )(VSmax − VZ ) = 6,3W
Cuối cùng, ta phải xác định công suất định mức cho diode zener. Mức công suất lớn nhất tiêu
tán ở diode zener được tính bằng tích của điện áp và dòng điện trên zener.
PR = VZ I Zmax = 0,53A × 10V = 5,3W
b) Lặp lại các bước tính trên theo các thông số của phần b, ta có:
I Lmin (VZ − VSmin ) + I Lmax (VSmax − VZ ) 20mA(10V − 10,2V) + 200mA(14V − 10V)
I Zmax = = = - 4020mA
VSmin - 0,9VZ - 0,1VSmax 10,2V − 0,9 × 10V − 0,1 × 14 V
Trị số IZmax âm cho biết biên độ giữa VSmin và VZ là không đủ lớn để cho phép thay đổi dòng tải,
nghĩa là, ở trạng thái xấu nhất của điện áp vào là 10,2V và dòng tải là 200mA, thì zener không
thể cho khả năng duy trì 10V trên hai cực của diode zener. Do đó, bộ ổn định sẽ không hoạt
động đúng đối với trị số chọn nào đó của điện trở, nên ta có thể tăng điện áp nguồn hoặc giảm
mức dòng ra yêu cầu.
Mạch ổn định bằng zener ở hình 2.33, có thể kết hợp với mạch nắn toàn kỳ ở hình 2.25, để tạo
thành mạch nắn toàn kỳ có ổn định điện áp bằng zener như ở hình 2.34.
RF là điện trở xã, dùng để tạo đường xã cho tụ khi tháo tải (tải hở). Các điện trở xã thường có trị
số điện trở cao để không tiêu thụ nhiều công suất khi mạch hoạt động. Trị số của CF tính theo
phương trình tương ứng (2.59). Điện trở trong phương trình là điện trở tương đương mắc song
song với CF. Diode zener được thay bằng nguồn điện áp VZ. Điện trở tương đương là do mạch
song song của RF với Ri. Điện trở Ri mắc nối tiếp trong mạch để tránh các ngắn mạch hiệu dụng
của RL lên diode zener. Do RF lớn hơn nhiều so với Ri, nên điện trở song song có trị số gần bằng
với Ri. Bởi vì điện áp ngang qua Ri không thể bằng 0 đối với mạch nắn toàn kỳ, nên Vmax ở
phương trình (2.59) cần phải được thay bằng tổng mức dao động điện áp. Vậy, tụ được tính gần
đúng bởi phương trình (2.67), trong đó cho tỷ số biến áp a là ½.
V − VZ
CF = Smax (2.67)
∆Vf p Ri
Mức điện áp lớn nhất đặt trên bộ ổn áp là VSmax. ∆V là mức gợn đỉnh – đỉnh, và fp là tần số cơ
bản của tín hiệu chỉnh lưu (tức là tần số tín hiệu ra của mạch chỉnh lưu toàn kỳ gấp hai lần tần số
nguồn).
b) Diode zener thực tế và độ ổn định theo phần trăm
Ở mục trên ta giả thiết diode zener là lý tưởng, đó là ở vùng đánh thủng thác lũ, diode làm việc
như một nguồn điện áp hằng, có nghĩa rằng đặc tuyến ở hình 2.31, là một đường thẳng dọc theo
vùng đánh thủng. Trong thực tế, đoạn đặc tuyến đánh thủng không phải chính xác là một đường
dọc mà có độ nghiêng nào đó để dẫn đến một điện trở nối tiếp khác 0. Điện áp đánh thủng tùy
thuộc vào mức dòng mà lẽ ra là không đổi. Mô hình diode zener thực tế như ở hình 2.35, thay
diode zener thực tế bằng một diode lý tưởng mắc nối tiếp với một điện trở RZ.
Để thấy rõ các ảnh hưởng của điện trở nối tiếp RZ, ta giả sử rằng diode zener thực tế đã được kết
hợp đưa vào ví dụ 2.3a, với điện trở của diode RZ = 2Ω. Giả sử IZmin bằng 10% của IZmax, hay
bằng 0,053A. Điện áp ra (song song với tải) không lớn hơn mức hằng số 10V do RZ. Ta tính các
trị số nhỏ nhất và lớn nhất của điện áp ra từ hình 2.34, theo các mức dòng nhỏ nhất và lớn nhất.
Mức điện áp ngang qua diode lý tưởng ở hình 2.35, là 10V, nên ta có thể viết:
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 42
Vomin = 10V + (0,053A × 2kΩ ) = 10,1V
Vomax = 10V + (0,53A × 2kΩ ) = 11,1V
Độ ổn định theo phần trăm được định nghĩa bằng tổng mức dao động điện áp xung quanh mức
điện áp ổn định (hay mức ổn định lý tưởng). Độ ổn định theo phần trăm nhỏ hơn sẽ cho ổn định
điện áp tốt hơn. Vậy, ở ví dụ trên,
V − Vomin 11,1V − 10,1V
% Reg = omax = = 0,1 = 10% (2.68)
Vonominal 10V
Độ ổn định 10% được xem là kém đối với nhiều ứng dụng. Độ ổn định sẽ được cải thiện khi giới
hạn mức dòng zener ở giá trị nhỏ hơn, và thực hiện bằng cách sử dụng một mạch khuyếch đại
nối tiếp với tải. Tác dụng của mạch khuyếch đại là để giới hạn các biến thiên của dòng chảy qua
diode zener.
2.7 MẠCH XÉN VÀ GHIM.
Các diode có thể dùng để xén tín hiệu vào hay giới hạn các thành phần của tín hiệu. Diode cũng
được dùng để khôi phục mức dc cho tín hiệu vào.
a) Mạch xén
Mạch xén dùng để xén một phần của dạng sóng phía trên hoặc phía dưới mức chuẩn nào đó.
Mạch xén đôi khi còn gọi là mạch hạn chế, mạch chọn biên độ, hay mạch cắt. Mạch chỉnh lưu
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 43
bán kỳ ở phần trước sử dụng hoạt động xén tại mức 0. Nếu thêm một nguồn pin nối tiếp với
diode, mạch chỉnh lưu sẽ xén mức trên hoặc mức dưới của mức điện áp nguồn pin, tùy thuộc vào
chiều của diode, như minh họa ở hình 2.36.
Các dạng sóng ra ở hình 2.36, cho rằng các diode là lý tưởng. Có thể bỏ qua giả thiết lý tưởng
bằng cách bổ sung hai thông số ở mô hình diode. Một là để diode dẫn cần phải có điện áp trên
diode lớn hơn Vγ. Thứ hai, khi diode đang dẫn phải tính đến điện trở thuận Rf. Hình 2.37a, là
mạch đã được sửa đổi. Ảnh hưởng của Vγ là tạo mức xén Vγ + VB thay cho VB. Ảnh hưởng của
điện trở là thay đổi hoạt động xén bằng phẳng theo mức tỷ lệ theo điện áp vào (tức là ảnh hưởng
của mạch phân áp). Mức điện áp ra được tính như sau (xem hình 2.37b).
Đối với: vi < VB + Vγ , ta có: vo = vi
+ (VB + Vγ )
Rf R
Đối với: vi > VB + Vγ , ta có: vo = vi
R + Rf R + Rf
Ta có thể thực hiện đồng thời cả xén mức dương và xén mức âm bằng các mạch xén phân cực
song song, thiết kế bằng hai diode và hai nguồn điện áp mắc theo hai chiều ngược nhau. Mạch sẽ
cho dạng sóng ra như ở hình 2.38, trong đó giả thiết hai diode là lý tưởng.
Suy rộng cho các diode thực tế mắc song song dẫn đến kết quả ở hình 2.37.
Một kiểu xén khác là mạch xén phân cực nối tiếp, như mạch ở hình 2.39. Nguồn pin khoảng 1V
mắc nối tiếp với nguồn tín hiệu vào sẽ làm cho tín hiệu vào được chồng chập lên nguồn điện áp
1V dc, đúng hơn là đối xứng qua trục 0. Giả sử mạch sử dụng diode lý tưởng, diode ở mạch hình
1.43, sẽ dẫn chỉ trong khoảng thời gian tín hiệu vào chuyển sang bán kỳ âm. Khi diode đang
dẫn, tín hiệu ra bằng 0. Điện áp ra khác 0 khi diode ngưng dẫn. Ở mạch hình 2.39b, diode được
mắc ngược lại cũng tương tự như trên. Khi tín hiệu ở trạng thái dương, diode sẽ dẫn và có tín
hiệu ra, nhưng khi diode ngưng, không xuất hiện tín hiệu ra. Mặc dù nguyên lý hoạt động của
hai mạch là khác nhau, nhưng hai tín hiệu ra là như nhau. Ở mạch hình 2.39c, và d, nguồn pin
được đảo ngược cực tính và dạng sóng ra nhận được như hình vẽ.
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 44
Ví dụ 2.4: Tính mức điện áp ra của mạch xén ở hình 2.40a, giả thiết rằng: a) Vγ = 0; và b) Vγ =
0,7V. và Rf = 0 trong cả hai trường hợp.
Giải: a) Khi Vγ = 0, với vi dương và vi < 3V, suy ra: vi = vo.
Khi vi dương và vi > 3V, suy ra:
v − 3V
i1 = i
1,5 × 104 Ω
vo = 104 Ω × i1 + 3V = 2 × vi + 1
3
Đối với vi = 8V, thì vo = 6,33V.
Khi vi âm và vi > - 4V, suy ra: vi = vo.
Khi vi âm và vi < - 4V, suy ra: vo = - 4V
Dạng sóng ra kết quả như ở hình 2.40b.
Khi Vγ = 0,7V, vi là dương, và vi < 3,7V, suy ra: vi = vo.
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 45
Khi vi > 3,7V, suy ra: i1 = (vi – 3,7V)/1,5 x 104,
vo = 104 Ω × i1 + 3,7V = 2 × vi + 1,23
3
Đối với vi = 8V, thì vo = 6,56V.
Khi Vγ = 0,7V, vi âm và vi > - 4,7V, suy ra: vi = vo.
Khi vi âm và vi < - 4,7V, suy ra: vo = - 4,7V
Dạng sóng ra kết quả như ở hình 2.40c.
b) Mạch ghim
Dạng sóng điện áp có thể được dịch chuyển bằng cách bổ sung một nguồn điện áp độc lập, hoặc
là nguồn hằng hoặc là nguồn phụ thuộc thời gian mắc nối tiếp với nguồn tín hiệu. Ghim là hoạt
động dịch mức mà nguồn bổ sung không còn độc lập với nguồn tín hiệu nữa. Mức dịch tùy
thuộc vào dạng sóng thực tế. Hình 2.41, thể hiện ví dụ về việc ghim áp.
Dạng sóng vào ở hình 2.41, bị dịch bởi một lượng làm cho mức đỉnh của dạng sóng bị dịch mức
tại trị số là VB. Vậy mức dịch là mức chính xác cần để thay đổi mức lớn nhất ban đầu Vm đến
mức lớn nhất mới VB. Dạng sóng là “được ghim” đến giá trị VB. Nếu ta đã biết trị số chính xác
của mức đỉnh ban đầu Vm, thì ta có thể thực hiện dịch mức đỉnh bằng một nguồn dc độc lập mắc
nối tiếp với nguồn tín hiệu. Đặc trưng riêng của mạch ghim là mạch có thể điều chỉnh dạng sóng
mà không cần biết dạng chính xác ban đầu. Mức dịch được xác định bởi dạng sóng thực tế. Nếu
dạng sóng vào thay đổi, thì mức dịch sẽ thay đổi theo để dạng sóng ra luôn luôn được ghim ở
mức VB. Do vậy, mạch ghim sẽ cung cấp thành phần dc theo mức cần thiết để nhận được mức
ghim yêu cầu. Đối với ví dụ, tụ trong mạch ở hình 2.41, sẽ nạp đến giá trị bằng với mức chênh
lệch giữa mức đỉnh của dạng sóng ban đầu và VB. Tụ đóng vai trò như nguồn pin có biên độ điện
áp VB mắc nối tiếp, do vậy làm dịch dạng sóng đến giá trị thể hiện ở hình 2.41c.
Mạch ghim là mạch được kết hợp giữa nguồn pin (hay nguồn dc), diode, tụ điện và điện trở.
Điện trở và tụ điện phải được chọn để có hằng số thời gian lớn. Để tụ nạp đến giá trị không đổi
và duy trì tại giá trị đó suốt trong chu kỳ của dạng sóng vào. Nếu điện áp trên tụ không duy trì
gần như không đổi, thì sẽ dẫn đến méo dạng sóng nhiều hơn so với dịch đơn. Nếu đảm bảo điều
kiện hằng số thời gian lớn và điện trở thuận của diode được giả thiết là bằng 0, thì dạng sóng ra
là bản sao của dạng sóng vào với mức dịch thích hợp. Mỗi khi mức ra vượt quá VB, diode sẽ
được phân cực thuận và sóng ra sẽ được giới hạn ở mức VB. Trong suốt khoảng thời gian đó, tụ
sẽ được nạp đến giá trị là:
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 46
VC = Vm − VB
Hình 2.42, là mạch ghim cho tín hiệu ra sẽ được ghim ở mức 0 (tức là không có nguồn pin nên
VB = 0). Bởi vì diode được mắc ngược lại so với mạch trước, nên mức thấp nhất của tín hiệu ra
sẽ được ghim, tức là tụ điện có thể nạp chỉ theo chiều là sẽ cộng thêm với mức điện áp vào.
Mạch thể hiện với sóng vuông làm tín hiệu vào. Điều quan trọng là mức điện áp ngang qua tụ sẽ
duy trì gần như không đổi trong suốt bán kỳ của dạng sóng vào. Theo kinh nghiệm thiết kế
mạch, hằng số thời gian RC thấp nhất bằng 5 lần khoảng thời gian của bán kỳ (tức là 5 lần t1 – t0
hoặc t2 – t1). Nếu tuân theo nguyên tắc thiết kế, thì mạch RC phải có ít nhất là 20% của hằng số
thời gian để nạp hoặc xả trong suốt bán kỳ, nghĩa là sẽ thay cho trị số cuối cùng trong khoảng
18% của giá trị ban đầu (tức là, exp(-0,2) = 0,82). Nếu hằng số thời gian quá nhỏ, dạng sóng sẽ
bị méo dạng như chỉ ở hình 2.42c. Để làm giảm sai lệch đến mức thấp nhất so với 18%, thì có
thể tăng hằng số thời gian (nghĩa là, tăng lên gấp 10 lần khoảng thời gian của bán kỳ).
2.8 BỘ CHUYỂN ĐỔI MỨC ĐIỆN ÁP DC - DC
Trong hầu hết các hệ thống điện tử, nguồn cung cấp cần phải có nhiều mức điện áp. Một trong
những phương pháp tạo ra các mức điện áp là sử dụng hàng loạt các mạch chỉnh lưu bán kỳ hoặc
toàn kỳ. Tuy nhiên, điện áp ra của các mạch chỉnh lưu được quyết định bởi điện áp của biến áp,
nên biến áp cần phải có nhiều đầu ra. Ngoài ra, hầu hết các mạch chỉnh lưu thường hoạt động ở
tần số thấp 50Hz, hoặc 60Hz nên các biến áp có kích thước và trọng lượng lớn.
Một phương pháp linh hoạt hơn là sử dụng các mạch biến đổi dc sang dc hiệu suất cao có thể
hoạt động tại các tần số cao hơn nhiều, bằng cách như vậy sẽ làm giảm kích thước và trọng
lượng của các cuộn điện cảm trong mạch. Mạch biến đổi dc sang dc sử dụng điện áp vào dc và
sẽ cung cấp điện áp ra được điều khiển bằng điện tử với dãi biến đổi liên tục. Mục này sẽ đề cập
hai kiểu bộ biến đổi dc sang dc: bộ biến đổi tăng sẽ tạo ra điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu
vào, và bộ biến đổi giảm mà điện áp ra sẽ thấp hơn so với điện áp vào.
a) Bộ biến đổi kiểu tăng áp
Mạch của bộ biến đổi tăng [boost converter] cơ bản như ở hình 2.43a. Phần chính của bộ biến
đổi là cuộn cảm L và chuyển mạch S sẽ được chuyển mạch đóng và mở một cách định kỳ, như
chỉ rõ ở hình 2.43b. Chuyển mạch sẽ kín mạch trong khoảng thời gian Ton và hở mạch trong
khoảng thời gian Toff. Chuyển mạch tuần hoàn theo chu kỳ T = Ton + Toff. Diode D cũng sẽ hoạt
động như một chuyển mạch nên diode sẽ ngưng khi S kín mạch và ngược lại. Điện áp vào dc sẽ
được cung cấp bởi nguồn VS, còn R và C tương ứng với điện trở tải và tụ lọc.
Trong các phân tích sau ta giả thiết là mạch đã được hoạt động ở trạng thái ổn định và bất kỳ quá
trình quá độ khi khởi đầu đều được loại bỏ, tức là mạch đang hoạt động ở trạng thái tuần hoàn.
Chuyển mạch S đóng
Trong khoảng thời gian Ton chuyển mạch S kín mạch, mà điện áp đầu ra xác định được là sẽ lớn
hơn 0, diode D1 sẽ phân cực ngược, suy ra mạch tương đương ở hình 2.44a. Để đơn giản sử
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 47
dụng mô hình diode lý tưởng. Điện áp vào dc VS lúc này sẽ xuất hiện trực tiếp trên cuộn cảm, và
dòng điện trong cuộn cảm tại thời điểm kết thúc của khoảng thời gian Ton là:
Ton V V T V
iL (Ton ) = iL (0+ ) + ∫ S dt = iL (0+ ) + S t 0on = iL (0+ ) + S Ton (2.69)
0 L L L
Trong khoảng thời gian (0, Ton), dòng chảy qua cuộn điện cảm tăng dần theo tốc độ hằng như thể
hiện ở hình 2.45. Vì dòng trong cuộn điện cảm không thể thay đổi tức thời, iL(0+) sẽ bằng với
mức dòng ngay trước khi chuyển mạch thay đổi trạng thái.
Chuyển mạch S hở mạch
Khi chuyển mạch hở mạch, diode sẽ dẫn, tạo đường dẫn cho dòng điện cảm chảy qua diode,
điện trở tải R và tụ lọc C như thể hiện ở hình 2.44b. Để đơn giản trong việc phân tích, giả sử
rằng điện áp gợn ở tín hiệu ra là đủ nhỏ để điện áp ra phải gần bằng mức điện áp dc, tức là vo ≈
VO. Với giả thiết trên, điện áp trên cuộn điện cảm sẽ không đổi như trước và bằng với VS – VO.
Dòng chảy qua cuộn cảm tại thời điểm kết thúc của khoảng thời gian Toff (tức là: t = Ton + Toff =
T) là:
Ton + Toff V − V V − VO Ton + Toff
iL (T ) = iL (Ton ) + ∫ S O
dt = iL (Ton ) + S tT (2.70)
Ton L L on
V V −V
iL (T ) = iL (0 + ) + S Ton + S O Toff (2.71)
L L
Khi VO vượt quá VS, dòng cuộn cảm sẽ giảm theo thời gian trong suốt khoảng thời gian Toff – lặp
lại như thể hiện ở hình 2.45. Ngoài ra, do mạch hoạt động tuần hoàn với chu kỳ T, nên dòng điện
cảm tại các thời điểm t = 0+ và t = T cần phải đồng nhất. Vì vậy,
VS V − VS
iL (T ) = iL (0 + ) nên: Ton = O Toff (2.72)
L L
Quan hệ cơ bản giữa điện áp ra và vào của mạch biến đổi tăng là:
T VS V
VS (Ton + Toff ) = VOToff hay: VO = VS = = S (2.73)
Toff 1 − Ton 1 − δ
T
trong đó: δ = Ton / T được gọi là hệ số đầy xung [duty cycle] của dạng sóng chuyển mạch. Điện
áp ra có thể thay đổi được bằng cách biến đổi hệ số đầy xung của chuyển mạch. Do 0 ≤ δ ≤ 1,
nên điện áp ra VO ≥ VS; bộ biến đổi “sẽ làm tăng” mức điện áp ra cao hơn mức điện áp vào.
Tính mạch lọc
Lưu ý rằng, biểu thức của điện áp ra ở phương trình (2.73) là độc lập với L. Thông số thiết kế
cần bổ sung để chọn giá trị điện cảm L là dòng gợn trong cuộn điện cảm. Bởi vì điện áp trên
cuộn điện cảm là không đổi trong suốt cả hai khoảng thời gian Ton và Toff, dòng điện cảm có
dạng sóng răng cưa như mô tả ở hình 2.45 [xem phương trình (2.69) và (2.70)]. Biên độ của
dòng gợn Ir được tính theo hai cách:
V V −V
I r = S Ton hoặc I r = O S Toff (2.74)
L L
Mức dòng gợn ở hai cách tính cần phải như nhau. Từ phương trình (2.74), rút ra biểu thức cho
trị số của cuộn cảm:
V V T ⎛T ⎞ V
L = S Ton = S ⎜ on ⎟ = S δ (2.75)
Ir Ir ⎝ T ⎠ Ir f
trong đó, f = 1/T là tần số của chuyển mạch. Từ phương trình (2.75), ta thấy rằng việc chọn tần
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 48
số làm việc cao hơn thì sẽ có trị số điện cảm cần thiết nhỏ hơn. Các bộ biến đổi điện áp dc sang
dc có thể hoạt động tại các tần số trên 60Hz để giảm kích thước của L và f thường được chọn cao
hơn dãi tần số tín hiệu tai người nghe được (tần số âm tần). Thông thường dãi tần số từ 25kHz
đến 100kHz.
Dòng vào dc
Trong mạch tăng điện áp, dòng điện cảm trung bình IL lớn hơn so với dòng tải dc. Đối với bộ
biến đổi lý tưởng, không có cơ chế suy hao trong mạch. Do vậy, công suất được phân bố đến
đầu vào của bộ biến đổi cần phải bằng công suất phân chia ở điện trở tải R:
V T I
VS I S = VO I O hoặc: I S = O I O = I O = O (2.76)
VS Toff 1 - δ
Từ phương trình (2.76), ta thấy rằng dòng dc trong cuộn điện cảm là lớn hơn so với dòng tải một
chiều bằng cùng hệ số khi tăng ở điện áp ra. Lưu ý rằng cuộn điện cảm cần phải được thiết kế
chính xác để có khả năng hoạt động với giá trị lớn của dòng trung bình.
Điện áp gợn và điện dung của mạch lọc
Ở bộ biến đổi tăng áp, tụ lọc C được thiết kế để điều chỉnh mức điện áp gợn Vr theo cách tương
tự như tụ lọc trong mạch nắn. Trong suốt khoảng thời gian Ton, diode D ngưng dẫn, như ở mạch
hình 2.44a, nên tụ cần phải cung cấp toàn bộ dòng tải. Nếu điện áp gợn được thiết kế có biên độ
nhỏ, thì dòng xã gần như không đổi (hằng số) và được tính theo IO ≈ VO/R. Dựa vào mức gần
đúng này, điện áp gợn có thể được tính theo:
I VT V T ⎛T ⎞ V T
Vr ≈ O Ton = O on = O ⎜ on ⎟ = O δ (2.77)
C RC RC ⎝ T ⎠ RC
Bảng 2.1, tóm tắt các công thức thiết kế cho bộ biến đổi tăng điện áp dc – dc
BẢNG 2.1: Thiết kế bộ biến đổi tăng điện áp
T VS V
VO = VS = = S
Điện áp ra Toff 1 − Ton 1 − δ
T
T IO I
IS = I O = = O
Dòng điện nguồn cung cấp Toff 1 - Ton 1 - δ
T
VS VST ⎛ Ton ⎞ VS
Cuộn điện cảm L = Ton = ⎜ ⎟= δ
Ir Ir ⎝ T ⎠ Ir f
V T ⎛T ⎞ V T
Tụ lọc C = O ⎜ on ⎟ = O δ
Vr R ⎝ T ⎠ RC
b) Bộ biến đổi giảm áp
Mạch biến đổi giảm áp [buck converter] như ở hình 2.46, được thiết kế để tạo ra điện áp đầu ra
là thấp hơn so với điện áp đầu vào. Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi giảm áp ở hình 2.46,
tương tự hoạt động của bộ biến đổi tăng áp, và chuyển mạch S sẽ hoạt động một cách tuần hoàn
với cùng kiểu định thời như ở hình 2.43a.
Chuyển mạch S kín mạch
Trong khoảng thời gian Ton, chuyển mạch S kín mạch, nên diode D sẽ được phân cực ngược theo
điện áp vào dương dẫn đến mạch tương đương ở hình 2.46b. Giả sử điện áp gợn tại đầu ra khá
nhỏ để điện áp đầu ra có thể xem gần đúng mức điện áp hằng vO ≈ VO, suy ra mức điện áp trên
cuộn điện cảm sẽ bằng VS – VO, và mức dòng điện cảm tại thời điểm kết thúc của khoảng thời
gian Ton sẽ là:
Ton V − V V − VO
iL (Ton ) = iL (0+ ) + ∫ S O
dt = iL (0+ ) + S Ton (2.78)
0 L L
Vì dòng chảy trong cuộn điện cảm không thay đổi tức thời, nên iL(0+) sẽ bằng với mức dòng
ngay trước khi chuyển mạch thay đổi trạng thái.
Chuyển mạch S hở mạch
Khi chuyển mạch S chuyển sang hở mạch, diode sẽ chuyển sang dẫn, tạo đường dẫn liên tục cho
dòng điện cảm từ điểm đất qua diode đến điện trở tải R và tụ lọc C như mô tả ở hình 3.72c. Điện
áp trên điện cảm lúc này bằng với – VO. Dòng điện cảm tại thời điểm kết thúc của Toff là:
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 49
− VO
Ton +Toff V −V V
iL (T ) = iL (Ton ) + ∫ dt = iL (0 + ) + S O Ton − O Toff (2.79)
Ton L L L
Tuy nhiên, mạch hoạt động tuần hoàn với chu kỳ T. Do đó, dòng điện cảm tại các thời điểm t =
0+ và t = T cần phải đồng nhất, nên ta có:
V − VS V
iL (T ) = iL (0+ ) và: O Ton = O Toff (2.80)
L L
Rút gọn phương trình sẽ có quan hệ cơ bản giữa điện áp đầu ra và điện áp đầu vào của bộ biến
đổi giảm áp:
T
VO = VS on = VSδ (2.81)
T
Trong đó, δ là hệ số đầy xung của chuyển mạch. Do Ton ≤ T, điện áp ra VO ≤ VS. Ở bộ biến đổi
giảm áp điện áp cuộn điện cảm sẽ “làm giảm” điện áp vào, nên điện áp đầu ra là thấp hơn so với
điện áp đầu vào. Điện áp ra của bộ biến đổi giảm áp tỷ lệ thuận với hệ số đầy xung δ.
Tính điện cảm
Quan hệ giữa điện áp vào và ra được biểu diễn theo phương trình (2.81) lại độc lập với L, nên
việc tính trị số điện cảm sẽ được quyết định bởi thông số dòng gợn.
Dạng sóng dòng điện cảm của mạch biến đổi giảm áp là rất giống với dạng sóng dòng điện ở
mạch biến đổi tăng áp như ở hình 3.73. Biên độ dòng gợn Ir được tính bởi:
V −V V
I r = S O Ton = O Toff (2.82)
L L
Từ phương trình (3.93) suy ra biểu thức cho giá trị của cuộn điện cảm:
V V T ⎛T ⎞ V T ⎛ T ⎞ V
L = O Toff = O ⎜ off ⎟ = O ⎜1 − on ⎟ = O (1 − δ ) (2.83)
Ir Ir ⎝ T ⎠ Ir ⎝ T ⎠ Ir f
Trong mạch biến đổi giảm áp, dòng dc IL bằng với dòng tải IO. Dòng cần phải được cung cấp từ
nguồn VS sẽ được tính theo:
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
Copyright by webtailieu.net