Mạch Nguồn Quantum cơ bản

Mạch nguồn Quantum hay còn gọi là mạch nguồn Lượng tử cơ bản được giới thiệu đơn giản như dưới đây:

Mạch cơ bản nhất được đưa vào sử dụng trên thực tiễn là các chuyển mạch S1 và S2 được thay thế bởi các transistor có công suất lớn và có tần số làm việc cho phép rất cao, có thể lên tới vài MHz nếu mạch nguồn được thiết kế cho các thiết bị cao tần (các máy thu phát vô tuyến) được mô tả như hình dưới đây. Trong đó, transistor Q1 thay thế cho S1 và transistor Q2 thay thế cho S2.

          Các đường tín hiệu điều khiển Control1 và Control2 được đưa vào để điều khiển đóng ngắt  các transistor nói trên với phase xung ngược chiều nhau sao cho nếu Q1 đóng mạch điện thì Q2 ngắt và ngược lại.

          Tụ C0 là tụ lọc nguồn đầu vào, tụ C1 được gọi là “tụ hiệu chỉnh điện áp lượng tử” hay còn gọi là tụ chỉnh áp lượng tử và tụ C2 được gọi là tụ lọc đầu ra.

Tại sao tụ C1 có tên gọi là tụ chỉnh áp lượng tử? Là bởi vì như ở các phần phân tích và chứng minh trên đây thì tụ C1 có nhiệm vụ cung cấp trung gian năng lượng (điện lượng) điện từ đầu vào đến lối ra cho tải và tạo nên sai số điện áp lượng tử được xác định bởi hệ thức (4.b).

Sự chuyển mạch của các transistor Q1 và Q2 sẽ được điều khiển một hệ thống điều khiển điện tử. 

Để có thể hiểu được đầy đủ về cấu trúc điều khiển của một mạch ổn định điện áp lượng tử hoàn chỉnh, cần phân tích mạch minh hoạ trên đây:

          Toàn bộ hệ thống ổn áp lượng tử có thể được chia thành 4 bộ phận chính như sau:

·        Chuyển mạch điện tử Switching

Theo nguyên lý đã nêu, bộ phận quan trọng cấu thành nên mạch nguồn lượng tử chính là bộ chuyển mạch gồm có Q1, Q2, C1 và C2. Bộ phận này có nhiệm vụ tạo ra các điện lượng dịch chuyển trung gian từ đầu vào cung cấp đến lối ra thông qua lần lượt các chuyển mạch Q1 và Q2 để có thể tạo ra điện áp ở lối ra theo các hệ thức đã được xây dựng ở các phần trên đây.

·        Bộ dao động VCO Oscillator

Ta thấy rằng, để tạo ra tần số làm việc cho các chuyển mạch được tạo bởi Q1 và Q2 thì cần phải có một bộ dao động Oscillator và như trên đã chứng minh rằng: Khi năng lượng hay công suất tiêu thụ trên tải thay đổi hoặc điện áp vào bị thăng giáng không ổn định thì để làm ổn định điện áp ra cần phải làm thay đổi tần số chuyển mạch của Q1 và Q2.

Vì thế, bộ dao động đó cần phải được điều khiển tần số dao động của nó sao cho phù hợp với yêu cầu của tải và vì là một bộ dao động có tần số thay đổi được điều chỉnh theo giá trị điện áp đầu ra nên bộ dao động này còn được gọi là Bộ dao động được điều khiển tần số bằng điện áp (Voltage Controlled Oscillator và được viết tắt là VCO).

Nguyên lý làm việc của bộ VCO được mô tả đơn giản như sau: Trước hết, phần tử tích cực của mạch dao động VCO là một phần tử khuyếch đại thuật toán Op – Amp (là một phần tử của vi mạch LM324) có nhiệm vụ tạo dao động nhờ hai mạch hồi tiếp âm và dương đồng thời nghịch phase nhau.

Mạch hồi tiếp dương được tạo bởi các điện trở R2 và R3 để đưa tín hiệu về cho chân vi sai dương V +(chân số 3). Mạch hồi tiếp âm được tạo bởi điện trở R1 và tụ C3 để đưa tín hiệu về cho chân vi sai âm V -. Sự tự kích dao dộng của mạch này được thực hiện như sau:

Giả sử ban đầu điện áp ở lối ra của bộ Op – Amp U1A đạt một giá trị U0 bất kỳ nào đó, khi đó nó sẽ phản hồi về đầu vào Vi sai dương V + thông qua R2 và R3 để làm cho điện áp vào dương tăng lên, trong khi vì mạch hồi tiếp âm do có tụ C3 nối xuống âm nguồn nên tăng chậm hơn mà làm cho điện áp vi sai giữa hai đầu vào luôn lớn hơn 0Volt nên nó sẽ làm cho điện áp lối ra tiếp tục tăng và đạt tới bão hoà.

Khi điện áp ra đạt tới giá trị bão hoà thì nó sẽ không thể tăng lên được nữa (bằng đúng điện áp cung cấp VCC), khi đó điện áp lối vi sai âm V - vẫn liên tục được tăng lên và có thể đạt tới giá trị của điện áp cung cấp VCC nhờ sự nạp điện của tụ C3 thông qua điện trở R1.

Vì điện áp phản hồi dương bị phân áp qua mạch điện trở R2 + R3 nên giá trị điện áp cực đại mà đầu vào vi sai dương V + có thể đạt được chỉ là:

V+Max = VCC.R3/(R2 + R3)

Giá trị điện áp nói trên được gọi là điện áp phân cực cho mạch dao động vi sai.

Nên nếu khi tụ C3 dược nạp đầy thì điện áp vi sai âm V - sẽ lớn hơn điện áp vi sai dương mà làm cho giá trị điện áp vi sai đầu vào trở nên âm và làm cho ra của mạch Op – Amp bị giảm điện áp.

Khi điện áp ra bị giảm thì vì tụ C3 vẫn được tích điện và xả dần ra lối ra (lúc này điện áp lối ra bị giảm tới 0Volt, thấp hơn điện áp trên tụ C3) thông qua điện trở R1 và vì thế lối ra được duy trì với giá trị 0Volt cho tới khi nào tụ C1 xả hết điện áp ra lối ra.

Ngược lại, theo phân tích nói trên, khi điện áp lối ra tăng thì thời gian lối ra đạt giá trị bằng điện áp nguồn được xác định tại thời điểm điện áp trên tụ bằng 0Volt cho tới khi đạt tới một giá trị lớn hơn hoặc bằng giá trị phân áp của (hay còn gọi là điện áp phân cực cho mạch dao động vi sai) V+Max như đã nêu trên.

Vì thế, dễ thấy rằng nếu điện áp phân cực V + càng lớn thì thời gian để tụ C1 có thể được nạp sao cho đạt được điện áp bằng điện áp V + sẽ càng dài (nếu thời gian nạp điện của tụ C3 càng dài thì thời gian phóng điện của C3 cũng sẽ càng dài) làm cho chu kỳ của sự dao động sẽ càng lớn hay nói cách khác là tần số dao động sẽ càng nhỏ.

Để làm thay đổi tần số dao động của mạch VCO nói trên ta thấy rằng có thể thực hiện được một cách rất đơn giản bằng cách sử dụng một điện trở R4 để phối hợp phân áp vi sai cho đầu vào vi sai dương V+ của mạch dao động vi sai.

Điện trở R4 sẽ đưa điện áp từ bộ so sánh và điều khiển điện áp để thay đổi giá trị phân cực cho đầu vào vi sai dương mà nhờ đó làm thay đổi được chu kỳ phóng nạp của mạch R1C3 mà làm thay đổi được tần số của bộ dao động vi sai.

·        Bộ đảo phase Inverter

Như đã phân tích ở các phần trên, để các chuyển mạch Q1 và Q2 có thể đóng – ngắt ngược phase nhau thì cần phải có một bộ đảo phase nhằm để tạo ra hai phase (hai nửa chu kỳ ngược phase nhau) cho hai chuyển mạch nói trên. Bộ đảo phase được thực hiện một cách đơn giản nhờ một mạch khuyếch đại đảo Op – Amp U1B.

Mạch làm việc rất đơn giản như sau: Đầu vào vi sai dương V + được phân áp nhờ mạch điện trở R11R12 sao cho giá trị này không lớn hơn giá trị phân áp của mạch R9R10 bởi điện áp ra ở mức cao (đạt giá trị cực đại) của bộ dao động VCO tức là điện áp V + không vượt quá giá trị cực đại của đầu vào vi sai âm V - nên sẽ có hai trường hợp xảy ra:

*  Khi điện áp vào vi sai âm bằng 0: Khi đầu ra của bộ dao động VCO có điện áp bằng 0 (bộ dao động VCO chỉ tạo ra hai trạng thái điện áp ra là trạng thái cao H có giá trị điện áp ra xấp xỉ giá trị điện áp cung cấp VCC và trạng thái thấp L có giá trị điện áp ra xấp xỉ 0Volt) thì điện áp đầu vào vi sai cũng sẽ bằng 0 nên điện áp vi sai giữa hai đầu vào lớn hơn 0Volt và làm cho đầu ra của bộ đảo phase tạo ra một điện áp ở trạng thái cao H (xấp xỉ bằng điện áp nguồn).

*  Khi điện áp vào vi sai âm lớn điện áp vi sai dương: Khi điện áp ra của bộ dao động VCO đạt mức cao H (gần bằng điện áp nguồn) thì điện áp đầu vào vi sai âm được phân cực sao cho lớn hơn điện áp phân cực của đầu vào vi sai dương thì khi đó điện áp vi sai giữa hai đầu vào bé hơn 0Volt nên lối ra sẽ bị đảo phase và đạt trạng thái mức thấp L có gía trị xấp xỉ 0Volt.

          Vì thế, ta nói rằng phần tử Op – Amp U1B là bộ đảo phase điện áp cho các chuyển mạch Q1 và Q2.

·        Bộ so sánh và điều khiển điện áp ra Voltage Comparator

Chú ý: Để mạch nguồn được thiết kế theo nguyên lý mạch nói trên hoạt động tốt và có hiệu quả cao thì điện áp cung cấp VCC cho mạch điều khiển phải lớn hơn hoặc bằng điện áp cung cấp đầu vào VInput.

Vì khi đó, nếu VCC < VInput thì điện áp điều khiển do mạch điều khiển cấp cho các chuyển mạch Q1 và Q2 sẽ luôn thấp hơn VInput mà làm cho các transistor Q1 và Q2 không thể đạt trạng thái đóng bão hoà dẫn đến luôn tạo ra một điện áp rơi VS trên transistor Q1 với một giá trị là:

VS » VInput – VCC

          Và điện áp rơi này sẽ gây nên một tổn thất nhiệt làm nóng transistor Q1 theo hệ thức:

PS = Vs.I

          Trong đó: PS: Công suất tổn thất trên transistor Q1, I: Cường độ dòng điện cung cấp của nguồn cho tải thông qua Q1.

          Chính vì thế, để đáp ứng hiệu suất cao cho mạch nguồn lượng tử và để mạch điều khiển có thể làm việc với nguồn cung cấp VCC có điện áp thấp thì thông thường không nên ghép trực tiếp tín hiệu điều khiển vào các chuyển mạch Q1 và Q2 mà nên ghép qua các biến áp xung

Tác giả bài viết: Dr TRẦN Phúc Ánh