1 Chương 3: Ổn áp xung + Nguyên lý chung 2 Đặc điểm quan trọng nhất của bộ ổn áp bù tuyến tính là sự sai lệch điện áp ra được đặt liên tục lên một tranzito công suất để điều khiển, bù lại sai lệch này và giá tri điện áp ra sau bộ ổn đ ị nh : U ra = U ổn đ ị nh ≤ U vào min với U vào min là giá tr ị nhỏ nhất của điện áp đưa tới bộ ổn đ ị nh . Ở các bộ ổn áp xung, người ta thay tranzito điều khiển bằng một bộ chuy ể n mạch xung. Tr ị số trung bình (1 chiều) của điện áp ở lối ra được điểu ch ỉ nh nhờ vi ệ c đóng hay mở chuyển mạch theo 1 chu kỳ xác đ ị nh và với thời gian đóng hay mở có thể điều ch ỉ nh được theo mức độ sai lệch của U ra . Nếu đặt bộ chuyển mạch điện tử ở mạch thứ cấp của biến áp nguồn, ta nhận được bộ ổn áp xung thứ cấp. Trong t r ườ ng hợp ngược lại, nếu ở mạch sơ cấp, ta có bộ ổn áp xung sơ c ấ p . Để giảm nhỏ công suất tổn hao của biến áp, người ta chọn tần số làm việc c ủ a chuyển mạch cao (vài kHz đến vài chục kHz). Bằng cách đó, kích thước, trọng l ượ ng biến áp giảm vài lần và hiệu suất năng lượng chung của bộ ổn áp có thể đạt tới trên 80%. Cặp chuyển mạch điện tử là các tranzito công suất làm việc ở chế động xung (hoặc các tranzito). Việc điều khiển đóng mở tranzito được thực hiện nhờ 1 xung vuông góc đưa tới bazơ, có chu kỳ xung không đổi. Tồn tại 3 khả năng điều khi ể n tranzito chuyển mạch là: • Thay đổi độ xung vuông (tương ứng với thời gian mở hay nối mạch của tranzito) theo mức sai lệch của U ra nhờ đó điều ch ỉ nh được ở điện áp ra ở một mức ổn đ ị nh . • Thay đổi độ trống của xung vuông (tương ứng với thời gian khóa hay ngắt m ạ ch của tranzito. Thay đổi đồng thời cả độ rộng và độ trống của xung điều khiển. Tương ứng ở 3 khả năng trên có 3 dạng mạch nguyên lý thực hiện như sau (kiểu thứ c ấ p) . + Phương pháp thay đổi độ rộng xung: Sơ đồ khối của phương pháp này cho trên hình 2.142. Đặc điểm kết cấu của phương pháp này là tranzito chuyển mạch T, cuộn chắn L và tải mắc nối tiếp nhau, điôt mắc song 3 song với t ả i . • Tranzito T làm việc như 1 khóa điện tử mở hoặc khóa với tần số không đổ i (khoảng 20 khz) do khối tạo xung nh ị p của phần điều khiển tạo ra. Phần điều khi ể n thực hiện việc so sánh điện áp ra U ra với 1 điện áp chuẩn U cb (do khối tạo điện áp chuẩn tạo ra), kết quả sai lệch được khối K khuếch đại sau đó điều chế độ rộng xung để tạo ra xung vuông có độ rộng thay đổi (tại khối tạo xung điều khiển) trước khi đ ư a tới khóa tranzito để điều tiết khoảng thời gian mở của nó. Trong khoảng thời gian ngh ỉ của xung điều khiển, dòng điện ra được đảm bảo nhờ tụ lọc C và cuộn chắn L. Điôt D dùng để ngăn ngừa việc xuất hiện điện áp tự cảm trên cuộn L quá lớn lúc chuy ể n mạch tranzito chuyển từ mở sang khóa và do đó bảo vệ tranzito khỏi quá áp đ ánh thủng U CEngcmax . 4 Hình 2.142: Ổn áp xung thứ cấp theo phương pháp điều ch ỉ nh độ rộng xung đ i ề u khi ể n • Một trong những phương án đơn giản để điều chế độ rộng xung là dùng xung tam giác có chu kỳ và biên độ không đổi so sánh với điện áp cần ổn đ ị nh như minh h ọ a trên hình 2.143. • Việc phân tích chi tiết sơ đồ khối hình 2.142 qua giản đồ điện áp và đòng điện (tìm phương trình U L (t) và I L (t) qua đó xác đ ị nh dòng tuyến tính I L (t) và ∆ I L ) cho phép rút ra các kết luận chính đối với phương pháp này là: + Tỷ số U ra /U vào tỷ lệ với t mở /T và do 0 ≤ t mở ≤ T nên 0 ≤ U ra ≤ U vào . Tức là dải đ i ể u ch ỉ nh của điện áp ra ổn đ ị nh nằm trong giới hạn 0 ÷ U vào . Điện áp ra sau bộ ổn áp luôn không lớn hơn điện áp vào. + Dòng trung bình qua tranzito chuyển mạch (là dòng điện 5 vào) luôn luôn nhỏ h ơ n dòng ra tải: I v < I ra . 6 U t U đ .khi ể n t Hình 2.l43: Một phương pháp điều chế độ rộng xung nhờ 1xung chuẩn dạng tam giác + Bộ ổn áp nhận năng lượng của mạch vào (U vào dưới dạng không liên tục và chuy ể n năng lượng 1 chiều ra tải dưới dạng liên tục theo thời gian). - Phương pháp điều ch ỉ nh độ rộng xung Sơ đồ khối của phương pháp này được cho trên hình 2.144. Đặc điểm kết cấu của phương pháp này là cuộn chặn L điôt bảo vệ D và tải m ắ c nối tiếp nhau. Tranzito chuyển mạch T mắc song song với tải phân cách qua điôt. V i ệ c phân tích nguyên lý hoạt động tương tự như trên, qua đó có thể rút ra các nhận xét chính sau : Hình 2.144: Phương pháp điều ch ỉ nh độ rỗng xung 7 + Do sử dụng tính chất tự cảm của cuộn chặn L, có khả năng nhận được U ra > U vào tỷ số U ra /U vào ty lệ với T/t khóa . Vì U o ≤ t khóa ≤ T nên U vào ≤ U ra ≤ ∞ tức là phương pháp này cho phép nhận được điện áp ra lớn hơn điện áp vào bộ ổn đ ị nh hay dải điều ch ỉ nh rộng hơn. Điều này có thể giải thích tóm tắt do có hiện tượng tích lũy năng lượng t ừ trường trong cuộn L lúc tranzito mở (tương ứng với khoảng thời gian t mở = t x c ủ a 8 xung) khi D khóa, ngắt tải khỏi mạch vào. Khi tranzito khóa (tương ứng với kho ả ng thời gian t ngh ỉ = t khóa năng lượng của U vào kết hợp với năng lượng của U L qua điôt (lúc này mở) nạp cho tụ C và cung cấp U ra cho t ả i . + Năng lượng của nguồn U vào liên tục cung cấp cho bộ ổn áp (trên cuộn L) và vi ệ c truyền năng lượng ra tải xảy ra dưới dạng xung không liên t ụ c . - Phương pháp điều ch ỉ nh đồng thời độ rộng xung và độ rỗng xung Sơ đồ khối thực hiện phương án này cho trên hình 2.145. Đặc điểm kết cấu ở đây là tranzito chuyển mạch và điôt mắc nối tiếp với tải, cu ộ n chặn L mắc song song với tải phân cách qua điôt. Khi tranzito mở, dòng do U vào cung cấp cho cuộn L tích lũy năng lượng từ trường. Điốt lúc này khóa ngắt phần trước nó khỏi mạch tải, tụ C được nạp đầy từ trước, phóng điện qua mạch tải, cung cấp U ra . Khi tranzito khóa (ứng với khoảng thời gian không có xung điều khiển), trên L xuất hiện sức điện động tự cảm, chiều ngược lại với U vào làm điôt D mở giải phóng năng lượng từ cuộn L nạp cho C và cung cấp cho mạch t ả i . Qua việc phân tích có mấy nhận xét sau: + Điện áp U L và U C ngược cực tính với U vào do đó tại đầu ra ta nhận được điện áp trên tải ngược cực tính với U vào hay bộ ổn áp có tác dụng đảo dấu điện áp vào cần ổ n đ ị nh . + Điện áp ra được xác đ ị nh theo hệ t h ứ c : U ra / U vào = - t mở / t khóa 9 Hình 2.145: Phương pháp điều ch ỉ nh đồng thời t mở và t khóa Vì t mở và t khóa luôn biến đổi t ỉ lệ ngược (do chu kỳ T là hằng số) dải cho phép nhận điện áp ra là 0 ≤ |U ra | ≤ ∞ hay phương pháp này cho phép điều ch ỉ nh U ra r ộ ng nhất trong 3 phương pháp trình bày. + Năng lượng từ mạch vào cung cấp cho bộ ổn áp dưới dạng xung vào bộ ổn áp truyền năng lượng ra tải cũng dưới dạng xung. 10 . hiện sức điện động tự cảm, chiều ngược lại với U vào làm điôt D mở giải phóng năng lượng từ cuộn L nạp cho C và cung cấp cho mạch t ả i . Qua việc phân tích có mấy nhận xét sau: + Điện áp U L và. là hằng số) dải cho phép nhận điện áp ra là 0 ≤ |U ra | ≤ ∞ hay phương pháp này cho phép điều ch ỉ nh U ra r ộ ng nhất trong 3 phương pháp trình bày. + Năng lượng từ mạch vào cung cấp cho bộ ổn áp. dải đ i ể u ch ỉ nh của điện áp ra ổn đ ị nh nằm trong giới hạn 0 ÷ U vào . Điện áp ra sau bộ ổn áp luôn không lớn hơn điện áp vào. + Dòng trung bình qua tranzito chuyển mạch (là dòng điện 5 vào) luôn