Mạch tuyến tính là gì

Bộ chuyển đổi nguồn AC / DC và DC / DC được thiết kế để cung cấp khả năng chuyển đổi điện năng hiệu quả để cung cấp nguồn điện DC có kiểm soát, an toàn và được điều chỉnh tốt cho nhiều loại dụng cụ, thiết bị và hệ thống điện tử.

Cách đây không lâu, máy biến áp, bộ chỉnh lưu và bộ nguồn tuyến tính là công nghệ chính trong chuyển đổi điện năng, giống như đèn LED đang dần thay thế bóng đèn sợi đốt, bộ nguồn DC / DC cũng dần dần loại bỏ bộ điều chỉnh tuyến tính . Trong thập kỷ qua, đã có những tiến bộ kỹ thuật to lớn, sự phát triển của các bộ nguồn chuyển mạch mang lại những lợi ích về mạch điện, linh kiện và vật liệu mới mà trước đây không tồn tại.

Tiến bộ này đã giúp tăng hiệu suất và cải thiện nhiệt độ, đồng thời giảm đáng kể kích thước, trọng lượng và chi phí của nguồn cung cấp điện. Do đó, bộ nguồn chuyển mạch ngày nay được sử dụng với số lượng lớn và là công nghệ tiêu chuẩn trong cả bộ nguồn DC / DC và AC / DC.

Nguồn tuyến tính là gì

Nguồn tuyến tính là nguồn cung cấp điện áp đầu ra ổn định từ nguồn điện áp đầu vào ổn định hơn hoặc ít hơn. Trong hoạt động bình thường, ngay cả khi điện áp đầu vào dao động nhanh, điện áp đầu ra vẫn ổn định. Điều này có nghĩa là chúng cũng có thể lọc ra gợn sóng đầu vào rất hiệu quả, không chỉ ở tần số cơ bản, mà còn ở mức sóng hài thứ năm hoặc thứ mười [Dạng sóng cơ bản [hay sóng hài bậc nhất] là dạng sóng hình sin có tần số cung cấp. Vì vậy, với dạng sóng cơ bản 50Hz, điều này có nghĩa là tần số hài thứ 2 sẽ là 100Hz [2 x 50Hz], sóng hài thứ 3 sẽ là 150Hz [3 x 50Hz] , thứ 5 ở 250Hz, thứ 7 ở 350Hz, v.v.]. Hạn chế chỉ là tốc độ phản ứng của mạch phản hồi khuếch đại lỗi bên trong.

Hình 1.1

Hầu hết các bộ nguồn tuyến tính có một vòng điều khiển kín. Hình 1.1 minh họa loại điều chỉnh điện áp này. Các transistor là phần tử điều chỉnh, có hiệu suất là một điện trở biến đổi để hạn chế dòng điện chạy từ đầu vào đến đầu ra. Bộ chia điện áp ở R1 / R2 được chọn sao cho ở điện áp đầu ra yêu cầu, điện áp này đưa và đầu vào đảo của bộ khuếch đại lỗi giống như điện áp VREF ở đầu vào không đảo. Bộ khuếch đại lỗi điều khiển đầu ra của nó theo cách sao cho chênh lệch điện áp giữa các đầu vào của nó luôn bằng không.

Phân tích hoạt động mạch nguồn tuyến tính

Nếu điện áp ở đầu ra tăng do giảm tải hoặc tăng điện áp đầu vào, thì điện áp ở đầu vào đảo ngược của bộ khuếch đại lỗi sẽ tăng cao hơn điện áp VREF và đầu ra của bộ khuếch đại lỗi trở thành âm, do đó, giảm biến tần xuống bóng bán dẫn vượt qua và giảm điện áp đầu ra. Ngoài ra, nếu tải tăng hoặc điện áp đầu vào giảm xuống, điện áp tại đầu vào nghịch lưu sẽ giảm xuống dưới điện áp VREF và bộ truyền động đến bóng bán dẫn được tăng lên để tăng điện áp đầu ra để bù lại. Do đó, cùng một vòng phản hồi điều chỉnh cho cả sự thay đổi điện áp đầu vào [điều chỉnh dòng] và những thay đổi trong tải [điều chỉnh tải]. Không cần đặc biệt nhấn mạnh rằng điện áp tham chiếu phải rất ổn định và có hệ số nhiệt độ tuyệt vời để cung cấp điện áp đầu ra ổn định và chính xác, nhưng với một pcb tốt, giá trị gợn / nhiễu điện áp đầu ra nhỏ hơn 50uVp-p.

Sơ đồ khối của bộ điều chỉnh 3 chân đơn giản hóa Hình 1.1 không có bảo vệ ngắn mạch. Nếu đầu ra nối đất, transistor sẽ bão hòa và một dòng điện rất cao sẽ chạy từ đầu vào đến đầu ra, vì vậy cần có mạch bên trong thứ hai để hạn chế dòng điện [Hình 1.2]. Giới hạn dòng điện sử dụng điện áp rơi trên Điện trở Shunt, RS để theo dõi dòng điện . Khi dòng điện cao để điện áp vượt quá 0,7V điện áp tiếp giáp BE của Q2

và nó bắt đầu dẫn dòng ăn cắp dòng khỏi Q1, do đó làm giảm lượng điều khiển và hạn chế dòng ra, do đó ILIMIT = 0,7V / RS.

Hình 2

Sự khác biệt giữa điện áp đầu vào và đầu ra được giảm bởi transistor. Ví dụ, nếu điện áp đầu vào là 12V [giả sử từ pin ô tô] và điện áp đầu ra được điều chỉnh là 5V, thì transistor phải giảm 7V. Điều này có nghĩa là nhiều điện năng được tiêu hao trong bộ điều chỉnh hơn so với thực tế được cung cấp cho tải [xem thêm thảo luận về tính toán hiệu quả trong phần tiếp theo]. Đây là lý do tại sao hầu hết các bộ nguồn tuyến tính cần một bộ tản nhiệt. Rõ ràng, nếu điện áp đầu vào giảm xuống dưới điện áp đầu ra, bộ nguồn tuyến tính không thể bù và điện áp đầu ra sẽ theo điện áp đầu vào giảm xuống. Tuy nhiên, nếu điện áp đầu vào giảm xuống quá thấp, nguồn điện bên trong bộ khuếch đại lỗi và VREF sẽ bị tổn hại và đầu ra có thể trở nên không ổn định hoặc bắt đầu dao động.

Bộ nguồn tuyến tính cũng hoạt động kém trong chế độ chờ. Ngay cả khi không có tải, IC điều chỉnh dòng 78xx vẫn cần khoảng 5mA để cấp nguồn cho amp báo lỗi và mạch điện áp tham chiếu. Nếu điện áp đầu vào là 24V, dòng điện tĩnh này có nghĩa là mức tiêu thụ không tải là 120mW.

Ưu điểm của bộ nguồn tuyến tính là chi phí thấp, đặc tính điều khiển tốt, nhiễu thấp, phát xạ thấp và đáp ứng quá độ tuyệt vời. Nhược điểm là tiêu thụ tĩnh cao, chỉ có đầu ra duy nhất và hiệu suất cực kỳ thấp đối với chênh lệch điện áp đầu vào / đầu ra lớn.

Hiệu suất của bộ nguồn tuyến tính

Hiệu suất η của mạch nguồn tuyến tính là tỷ số công suất đầu ra phân phối Pout và công suất tiêu thụ Pin :

IQ là dòng tĩnh của bộ điều chỉnh tuyến tính trong điều kiện không tải. Phương trình có thể được viết lại:

Ví dụ sau đây là cho một bộ nguồn điều chỉnh điện áp 5 volt 3 chân điển hình với điện áp đầu vào là 10Vdc, dòng điện đầu ra là 1A và dòng điện tĩnh là 5 mA. Sau đó, tính toán hiệu suất là:

Do đó, hiệu suất tổng thể là 49% và công suất tiêu tán trong bộ nguồn vượt quá 5W được cung cấp cho tải. Nếu điện áp đầu vào được hạ xuống mức tối thiểu 7Vdc, hiệu suất tăng lên 70%, nhưng đây là hiệu suất thực tế tối đa vì cần một khoảng lớn hơn điện áp đầu ra 2V để điều chỉnh thích hợp. Rõ ràng ngay lập tức từ các phương trình hiệu suất ta thấy rằng hiệu suất của loại bộ điều chỉnh này phụ thuộc trực tiếp vào điện áp đầu vào và tải và không phải là hằng số.

Điều này cũng có nghĩa là bộ điều chỉnh điện áp phải được trang bị một bộ tản nhiệt đủ lớn để cho phép hoạt động an toàn trong các điều kiện xấu nhất của điện áp đầu vào tối đa và dòng điện đầu ra tối đa.

Các thuộc tính khác của bộ nguồn tuyến tính

Bộ nguồn tuyến tính một mặt có một số ưu điểm, nhưng cũng có một số lợi thế khó khăn đòi hỏi sự chăm sóc đặc biệt trong ứng dụng và sử dụng của chúng.

Hình 1.3 điện áp gợn đầu ra

Như đã đề cập trước đây, nếu sự chênh lệch điện áp giữa đầu vào và đầu ra thấp hơn khoảng cần thiết [thường là 2V], thì vòng điều chỉnh không còn có thể hoạt động bình thường. Một vấn đề phổ biến xảy ra khi đầu vào AC chỉnh lưu có gợn điện áp cao do tụ điện làm mịn quá nhỏ [Hình 1.3]. Nếu điện áp đầu vào giảm xuống dưới điện áp đầu ra trên mỗi nửa chu kỳ, thì đầu ra được điều chỉnh sẽ sụt giảm định kỳ ở tần số nguồn gấp đôi. Các vết lõm nhất thời này sẽ không hiển thị trên đồng hồ vạn năng , nhưng vẫn có thể gây ra các sự cố mạch mà không giải thích được. Hiệu ứng này có thể được loại bỏ bằng cách sử dụng các tụ điện làm mịn lớn hơn hoặc tăng tỷ lệ vòng dây của máy biến áp cả hai lựa chọn đều khá tốn kém.

Nguồn tuyến tính LDO

Transistor được sử dụng trong bộ nguồn tuyến tính tiêu chuẩn được sử dụng như một bộ khuếch đại dòng điện. Dòng điều khiển từ đầu ra của bộ khuếch đại lỗi được nhân với độ lợi dòng tín hiệu nhỏ của bóng bán dẫn [HFE] để cung cấp dòng tải. HFE của transistor công suất khá thấp, thường là 20-50, vì vậy thường cấu hình Darlington được sử dụng với nhiều bóng bán dẫn để tăng độ lợi dòng điện hiệu dụng và giảm dòng điện đầu ra lấy từ bộ khuếch đại lỗi. Nhược điểm của mạch Darlington là điện áp rơi tăng theo VBE cho mỗi giai đoạn, do đó điện áp rơi cho bộ nguồn tuyến tính tiêu chuẩn sử dụng transistor PNP để điều khiển NPN Darlington trở thành:

Ở nhiệt độ môi trường xung quanh thấp, HFE giảm, do đó có thể cần khoảng trống 2,5 3V để có thể điều chỉnh ổn định trong mọi điều kiện hoạt động nghĩa là đầu Vào phải lớn hơn đầu ra 2,5-3V.

Bộ nguồn tuyến tính Low Drop Out [LDO] có thể hoạt động với điện áp rơi chỉ vài trăm milivôn [có nghĩa là không cần chênh lệch giữa đầu vào và đầu ra] bằng cách thay thế transistor lưỡng cực bằng P-Channel FET. Điện áp rơi sau đó chỉ đơn giản là điện áp chuyển tiếp trên FET, là điện trở RDS nhân với dòng tải, ILOAD. Vì RDS thường rất thấp, điện áp rơi cũng thấp .

FET hiếm khi được sử dụng trong vùng ohmic của chúng vì độ lợi tuân theo một mối quan hệ phức tạp mà cả nhiệt độ và tải đều phụ thuộc [xem Hình 1.4]. Tuy nhiên, bộ khuếch đại lỗi bù cho bất kỳ độ lệch và không tuyến tính nào trong đường cong VGS VTH vì nó chỉ so sánh điện áp đầu ra với điện áp tham chiếu và điều chỉnh đầu ra của nó cho phù hợp.

Nhược điểm của LDO là đường cong VGS VTH rất dốc ở điện áp điều khiển cực G cao và rất bằng phẳng ở điện áp điều khiển thấp, do đó bộ khuếch đại lỗi phải có biến động đầu ra rất thấp [bị hãm nhiều] và vẫn có thể nhanh chóng phản ứng với tải hoặc quá độ điện áp đầu vào [giảm nhẹ]. Kết quả có thể gây ra sự cố với tải cảm ứng cao hoặc tải điện dung cao.

Hình 1.4

Bộ nguồn tuyến tính Low Drop Out [LDO] có thể dễ bị hư hỏng quá áp hơn và do đó có thể cần nhiều bộ lọc hơn và triệt tiêu quá điện áp. Chúng cũng có dải điện áp đầu vào hạn chế hơn.

Cả bộ nguồn tuyến tính tiêu chuẩn và LDO cũng dễ bị hỏng hóc bên trong vì bóng bán dẫn hoạt động quá mức. Nếu transistor bị lỗi, nó thường bị lỗi ngắn mạch giữa cực C và cực E. Điều này có nghĩa là đầu ra được kết nối trực tiếp với đầu vào mà không có bất kỳ quy định nào, thường dẫn đến sự phá hủy. Hình 1.5 cho thấy một mạch bảo vệ sử dụng một diode Zener công suất sẽ làm nổ cầu chì trong trường hợp có lỗi điều chỉnh.

Hình 1.5