MC34166

MC33166 hoặc MC34166 là IC Nguồn Chuyển mạch – Đảo phase Tăng/Giảm từng mức (Step – Up/Down/Inverting Regulator)

Loại MC3x166 là IC Nguồn có 5 chân bao gồm:

Chân 1: Hồi tiếp điện áp so sánh;

Chân 2: Điện áp chuyển mạch (điện áp ra qua cuộn chặn xung ngược L);

Chân 3: GND (cực âm nguồn, cực chung);

Chân 4: Điện áp vào (điện áp cung cấp);

Chân 5: Bù điện áp/Chế độ chờ.

          Tần số Chuyển mạch: 52 kHz;

          Điện áp vào: 7,5 ÷ 40V;

          Điện áp ra tối thiểu: Vout-min = 5V

Hình bên đây mô tả giản đồ biến đổi Năng lượng của sự Chuyển mạch Dòng điện (Điều chế Độ rộng Xung đối với Cường độ Dòng điện) phụ thuộc giữa Điện áp vào và Điện áp ra sao cho nếu Cường độ Dòng điện mà Tải yêu cầu càng bé hoặc Điện áp vào càng lớn thì Xung tạo ra có độ rộng càng ngắn. Ngược lại, nếu Cường độ Dòng điện mà Tải yêu cầu càng lớn hoặc do Điện áp vào càng nhỏ thì Xung tạo ra càng cần phải có độ rộng càng lớn.

          Khi đó, nếu Độ rộng Xung của Nguồn Chuyển mạch thay đổi thì Giá trị Điện áp ra sẽ được xác định bởi Giá trị Trung bình của Độ rộng Xung Chuyển mạch được thay đổi sao cho Độ rộng Xung càng lớn thì điện áp ra trung bình cũng sẽ càng lớn. Xét về nguyên lý thì MC34166 hoạt động không khác so với LM2575 hoặc LM2576.

§        Nguồn đơn cực dương – điện áp ra cố định

Sơ đồ mạch ứng dụng đơn giản nhất được mô tả như hình bên với điện áp ra V0 được ấn định là 5V:

Trong đó, điện trở hồi tiếp R1 từ đường nguồn ra V0 về chân 1 có giá trị trong khoảng 330 Ohm đến 6,8 KΩ (Với điện áp ra V0 = 5V).

Tụ lọc nguồn ra có thể được chọn từ 470μF đến 2200μF/10V.

Diode D (được nối trực tiếp ở Chân 2 của MC34166 và trước Cuộn chặn L) có nhiệm vụ chống xung ngược được sử dụng là loại Diode Xung tần số cao và chịu đựng được với điện áp cao.

Cuộn chặn L được tính theo Lý thuyết khoảng 100 ÷ 220μH.

Trên thực tế, cuộn L được cuốn khoảng 25 ÷ 45 vòng trên lõi hình xuyến hoặc lõi hình biến áp(hình bên mô tả loại lõi hình xuyến tròn) và với số liệu chuẩn mực thường dùng nhất là 42 vòng.

Chú ý: Số vòng dây của Cuộn L thực tế không phụ thuộc vào Công suất của Nguồn được yếu cầu và gần như được cuốn với số vòng không thay đổi với bất kỳ kích thước nào của lõi hình xuyến(42 vòng theo tiêu chuẩn Quốc tế). 

Lõi xuyến có kích thước phụ thuộc vào Công suất hay Cường độ dòng điện tải được yêu cầu và được ước tính gần đúng:

Lõi xuyến có đường kính 8 ÷ 16 mm đối với Dòng điện tải tối đa trong khoảng dưới 1,5 A;

Lõi xuyến có đường kính trong khoảng 16 ÷ 25 mm đối với Dòng điện tải tối đa 3 A.

§        Nguồn đơn cực dương – Điện áp áp ra thay đổi được

Đối với Điện áp ra được yêu cầu lớn hơn 5 V, cần thay đổi mạch hồi tiếp bằng cách thêm vào một cặp Điện trở phân áp để tạo ra điện áp phản hồi về chân 1 theo tỷ lệ R2/R1 thì có thể tạo ra Điện áp ra có giá trị đúng bằng:

Vout = 5(1 + R2/R1)

Hình bên đây mô tả sơ đồ nguyên lý của Mạch Nguồn Switching có điện áp ra V0 > 5V được tạo bởi mạch phân áp hồi tiếp R2/R1.

Có thể thay R1 hoặc R2 bằng 1 biến trở để có thể điều chỉnh được điện áp ra một cách linh hoạt.

Chú ý: Với kiểu Nguồn này, Điện áp vào tối thiểu luôn phải lớn hơn Giá trị Điện áp ra mong muốn theo hệ thức:

Vin > Vout

Vì vậy đây là kiểu Nguồn được gọi là loại Chuyển đổi Cực tính Dương (hay còn gọi là Chuyển đổi Dương hoặc Chuyển đổi thuận).

§        Nguồn đơn cực dương – Điện áp ra lớn hơn điện áp vào

Trong thực tế, có nhiều trường hợp cần phải tạo ra Điện áp ra có giá trị lớn hơn Điện áp vào: Phương pháp truyền thống vẫn thường sử dụng đơn giản là bằng Biến áp.

Tuy nhiên, theo Nguyên lý Điện – Từ, hoàn toàn có thể biến đổi được Điện áp thấp thành Điện áp cao chỉ cần nhờ vào Cuộn chặn Xung L mà không cần phải sử dụng Biến áp theo nguyên lý đơn giản dưới đây:

          Nhờ đặc tính của Suất điện động cảm ứng (Xung ngược) sinh ra trên Cuộn chặn L luôn lớn hơn ít nhất là 3 lần so với Xung thuận (nhưng cường độ bé hơn Xung thuận) được tạo ra do Chuyển mạch Q1 của IC MC34166 nên có thể lợi dụng Xung ngược này để tạo ra một điện áp ra lớn hơn điện áp vào như mạch trên đây.

Để làm được điều này thì cần phải có thêm sự hỗ trợ của Transistor trường Q2 và điện trở R* = 680Ω ÷ 1kΩ để kích mở Q2. Khi Q1 bên trong IC MC34166 mở cho dòng điện đi qua mạch (bao gồm L và Q2) thì đồng thời sẽ kích mở Q2 nhờ dòng kích qua R* vào cực G của Q2 nên toàn bộ dòng điện của Xung thuận do Q1 mở đi xuống cực âm nguồn hoàn toàn.

Sau khi Q1 chuyển sang chế ngắt không cho dòng điện đi qua Cuộn chặn L và Q2 nữa thì Xung ngược sẽ lập tức xuất hiện: Xung ngược sẽ lập tức phân cực âm cho Q2 qua R* nên Q2 sẽ bị khóa và đồng thời đi qua đioed D1 thoát xuống cực âm và đầu kia của Cuộn chặn L (nối với diode D2) sẽ được nắn bởi diode D2 để tạo ra điện áp dương trên Tụ lọc Nguồn Co.

Như vậy, mạch nguồn trên đây chỉ lấy Xung ngược do Cuộn chặn L tạo ra để làm năng lượng chính cho việc cung cấp điện áp cho tải mà không thể lấy Xung thuận do Q1 trực tiếp tạo ra vì Xung thuận này đã bị Q2 nối tắt xuống cực âm.

Tại sao không thể tận dụng được Xung thuận để cung cấp cho tải? Bởi vì trong trường hợp này có 2 lý do để không thể sử dụng được Xung thuận:

Thứ nhất là vì do Xung thuận có giá trị thấp hơn so với giá trị điện áp cần phải cung cấp cho tải(theo hình trên, điện áp vào chỉ 12V nhưng điện áp ra yêu cầu lên tới 28V) nên Xung thuận không thể cung cấp được năng lượng cho tải.

Thứ hai là theo nguyên lý Điện – Từ, nếu Xung thuận biến thiên càng mạnh thì Xung ngược sinh ra mới càng khỏe. Vì lý do đó, khi Xung thuận được tạo ra thì Q2 phải nối tắt toàn bộ Xung thuận xuống cực âm để tạo ra sự biến thiên của Xung thuận mạnh nhất thì mới tạo ra được Xung ngược cực đại và cũng có nghĩa là mới có thể sinh ra điện áp ra khỏe hơn điện áp vào (được cung cấp bởi Xung thuận).

          Để mạch hoạt động tốt hơn, cần có thêm diode D4 là diode Xung dòng nhỏ (có thể sử dụng loại diode tách sóng có vỏ thủy tinh thường được gọi là điode muỗi 1n148) và diode Zêner D3 = 12V để bảo vệ cho Q2.

§        Nguồn đơn cực âm - Đổi nguồn dương thành nguồn âm

Rất nhiều trường hợp cần phải tạo ra một điện áp âm từ một nguồn điện áp dương bằng cách sử dụng mạch bên đây:

Mạch này cũng hoạt động trên cơ sở lợi dụng năng lượng của Xung ngược sinh ra trên Cuộn chặn L theo nguyên lý như dưới đây:

Khi Q1 tạo ra Xung thuận thì xung này sẽ bị thoát xuống cực âm hoàn toàn qua Cuộn chặn L để tạo ra sự biến thiên từ thông mạnh nhất giúp cho quá trình tạo Suất điện động phản hồi (tạo Xung ngược) ngay sau khi Q1 ngắt dong(cắt Xung thuận) đi qua mạch.

Vì điode D1 được phân cực ngược nên khi Q1 mở để tạo ra Xung thuận thì dòng điện chỉ đi qua Cuộn chặn L để xuống cực âm mà không thể đi qua D1 để nạp vào Tụ lọc Nguồn và cấp cho tải.

Sau khi Xung thuận bị cắt (tức là Q1 không mở nữa) thì ngay lập tức Cuộn chặn L sẽ sinh ra Xung ngược và được nắn bởi diode D1 và nạp vào Tụ lọc Nguồn C0 để cấp cho tải.

Trong sơ đồ này, sự khác biệt cơ bản và quan trọng nhất so với những sơ đồ trước đây là ở chỗ Chân 3 (cực âm) của IC MC34166 không được nối trực tiếp xuống cực âm của nguồn mà được nối vào đường điện áp ra (điện áp ra âm hơn so cực âm của nguồn vào) nhờ vậy chức năng so sánh và điều chỉnh điện áp ra mới có thể thực hiện được sao cho nếu điện áp ra càng âm thì Chân 5 của IC MC34166 sẽ càng âm hơn so với cực âm của nguồn cung cấp (nguồn vào) tức là điện áp so sánh phản hồi thông qua R1 và R2 sẽ càng tăng như đối với các trường hợp thông thường khác khiến cho mạch điều khiển của MC34166 sẽ làm thay đổi Độ rộng Xung của Xung thuận được mở bởi Q1 kéo theo sẽ thay đổi được Biên độ của Xung ngược của Cuộn chặn L tạo ra nên sẽ điều chỉnh được điện áp ra (nếu Chân 5 vẫn nối về cực âm của nguồn cung cấp như các trường hợp thông thường thì mạch sẽ mất tác dụng điều chỉnh điện áp tự động).

Chú ý: Theo nguyên lý Cảm ứng Điện – Từ thì mặc dù điện áp của Xung ngược tạo ra lớn hơn so với điện áp của Xung thuận nhưng Cường độ dòng điện của Xung ngược sẽ bé hơn Cường độ của Xung thuận.

Theo lý thuyết thì PD = PI tức là Công suất của Xung thuận PD (PD = IDUD) sẽ bằng Công suất của Xung ngược (PI = IIUI) cho nên nếu Xung ngược được tạo ra có điện áp UI lớn gấp bao nhiêu lần Xung thuận thì Cường độ của Xung ngược II­ sẽ bé hơn Cường độ của Xung thuận I­D bấy nhiêu lần.

Trên thực tế PI < Pd rất nhiều lần nên II tạo ra rất bé hơn so với lý thuyết.

Vì vậy, việc sử dụng Xung ngược để tạo ra điện áp ra cao hơn so với điện áp vào hoặc để biến đổi điện áp vào dương thành điện áp ra âm chỉ là ‘bất đắc dĩ’ vì cả hai trường hợp này sẽ cho một hiệu suất nguồn rất thấp.

§        Mạch đa điện áp

Để có thể tận dụng tối đa hiệu suất của nguồn cung cấp, cần phải tận dụng triệt để toàn bộ Năng lượng của cả Xung thuận lẫn Xung ngược bằng cách thay Cuộn chặn L bằng một Biến áp Xung (là một Biến áp có lõi bằng ferrit sử dụng cho dòng điện cao tần 50 ÷ 100kHz như hình dưới đây.

Trong đó, các cuộn của Biến áp Xung được cuốn như dưới đây:

Cuộn Sơ cấp: 42 vòng dây 0,36 mm

Cuộn thứ cấp V02 là 65 vòng dây 0,26 mm

          Cuộn thứ cấp V03 là 96 vòng cỡ dây 0,22 mm

          Kích thước của Biến áp Xung được chọn để Công suất của Biến áp có thể chịu được trong khoảng 15 ÷ 25W (tương đương với tiết diện lõi của các các cuộn dây của Biến áp trong khoảng 6 ÷ 10 mm2).

          Các điện áp ra và độ chính xác tùy thuộc vào các mức dòng tải được đối chiếu theo bảng tham chiếu dưới đây:

          Điều đó có nghĩa rằng các đường điện áp ra V02 và V03 có độ ổn định không cao bằng độ ổn định của điện áp ra chính là V01.

§        Biến đổi nguồn vào âm thành nguồn ra dương

Trong thự tế không thiếu những ứng dụng ‘khá kỳ quặc’ tùy thuộc vào những nh cầu và điều kiện bắt buộc không thể tránh khỏi.

Đó chính là việc phải biến đổi Nguồn dương thành Nguồn âm (như đã được nếu trên) hoặc biến đổi Nguồn âm thành Nguồn dương như trong trường hợp này.

          Trường hợp này cũng tương tự như trong trường hợp biến đổi điện áp vào thấp thành điện áp ra cao hơn như đã được mô tả ở phần trên.

Trong trường hợp này cực dương sẽ được nối xuống đất (trường hợp trên thì cực âm nguồn vào được nối xuống đất – tức là nối ‘mass’) và cực âm trở thành cực tự do nên nguồn vào cấp cho IC MC43166 trở thành nguồn âm.

Nhờ vậy, điện áp ra sẽ được bội áp nhờ giá trị của Xung ngược của Cuộn chặn L tạo ra cộng với điện áp vào của nguồn như hệ thức dưới đây:

V0 = VLi + Vin

Chú ý: Có thể bỏ không cần lắp Transistor 2N3906 vào trong mạch hoặc có thể thay bằng Transistor 2SA564 hoặc 2SA1015…

Tác giả bài viết: Dr Trần Phúc Ánh