Mạch điều chỉnh tăng giảm điện áp DC dùng Transistor

Bộ điều chỉnh điện áp là một thiết bị được sử dụng để chuyển đổi điện áp dao động ở đầu vào thành một điện áp ổn định và xác định ở đầu ra. Bộ điều chỉnh điện áp có thể là cơ khí, điện, AC hoặc DC. Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về bộ điều chỉnh tuyến tính điện tử DC.

Ứng dụng của Mạch điều chỉnh tăng giảm điện áp

Hầu hết các mạch đều yêu cầu một điện áp nguồn cung cấp không đổi, độc lập với dòng điện tiêu thụ. Ngay cả khi điện áp vượt quá một chút cũng có thể gây hư hỏng, và đây là lý do tại sao cần sử dụng bộ điều chỉnh. Nhưng bộ điều chỉnh cũng rất hữu ích trong việc loại bỏ nhiễu nguồn trong các ampli âm thanh. Trong máy phát tín hiệu hoặc dao động, tần số đầu ra sẽ thay đổi theo điện áp nguồn và cũng phải được điều chỉnh tốt để giữ cho nó không đổi.

Mạch điều chỉnh tăng giảm điện áp DC

Có ba loại chính hoặc kiểu bộ điều chỉnh: bộ điều chỉnh dương khi điện áp đầu vào là dương, bộ điều chỉnh âm khi điện áp đầu vào là âm, bộ điều chỉnh điện áp kép, là tập hợp của cả hai, ví dụ như mạch op-amp, và cuối cùng là bộ điều chỉnh có thể điều chỉnh trong đó bất kỳ loại nào trong số trên có thể hiện diện, nhưng có núm điều khiển để thay đổi điện áp đầu ra theo yêu cầu.

Mạch điều chỉnh dùng Diode Zener

Diode Zener là một loại diode khi được kết nối trong cấu hình ngược (xem bên dưới), sẽ bắt đầu “phá vỡ” hoặc dẫn điện ở một điện áp cụ thể, được gọi là điện áp Zener. Một khi nó bắt đầu dẫn điện, thì dòng điện sẽ không dừng lại, vì vậy cần một điện trở (R1 được hiển thị bên dưới) để giới hạn dòng điện ở mức an toàn.

Trong bộ điều chỉnh đơn giản trên, Vin là 12V, và Vout là 5V, và I là 10mA. Nếu không có Zener R1, thì sẽ là R = V/I = 12-5/0,01 = 700Ω. Tuy nhiên, sẽ không có điều chỉnh, vì Zener sẽ không dẫn điện. Theo nguyên tắc thực tế, Zener cần dẫn điện hai đến năm lần dòng điện tải, giả sử 50mA. Với giả định đó, sẽ là I = 50 + 10 = 60mA, vì vậy R1 = 7/0,06 = 116Ω.

Tuy nhiên, vấn đề là công suất tỏa nhiệt trong R1 và D1 cho dòng điện tải lớn sẽ quá cao. Nhưng đây là một mạch khá phù hợp để chuyển đổi mức tín hiệu, chẳng hạn từ 5V xuống 3,3V cho các mô-đun.

Mạch điều chỉnh dùng Diode Zener và Transistor

Ở đây, chúng ta sử dụng Zener làm tham chiếu và transistor Q1 làm bộ điều chỉnh nối tiếp đảm nhận công việc nặng nhọc. R2 cung cấp hiệu điện thế phân cực để bật Q1 và cung cấp một dòng điện nhỏ hơn qua Zener D2. Nếu Vout là 5V, điện áp base-emitter 0,6V sẽ được cộng thêm vào đó, vì vậy D2 sẽ cần là 5,6V (có sẵn thông thường), và R2 bây giờ sẽ phải cung cấp dòng điện collector/hfe của transistor (giả sử 1000). Đối với nguồn cấp 1A, 1/1000 10mA, R2 = 12-5,6/0,01 = 640Ω cộng thêm một ít dòng điện cho Zener, giả sử 560Ω.

Nhưng đây vẫn là một dòng điện lãng phí nhiều trong việc làm nóng Zener. Vì vậy, bây giờ chúng ta đã thêm Q5 và một mạng phản hồi từ Vout để cung cấp một mạch hữu ích:

D4 không còn quan trọng và có thể là bất cứ thứ gì trong phạm vi từ 1V đến 4V và có thể điều chỉnh. Khi Vout cố gắng vượt quá điện áp base/emitter của Q5 +0,6 + D4, nó sẽ lấy dòng điện từ base của Q4 ổn định điện áp. R6 bây giờ có thể là một giá trị lớn hơn và không quan trọng vì 1k sẽ hoạt động tốt. R7 và R8 cũng sẽ cho phép điều chỉnh dễ dàng hơn.

Hãy đi thêm một bước nữa và thêm một số bảo vệ quá dòng:

Sụt áp qua D6 và D7 luôn luôn là 0,6 + 0,6 = 1,2V, và điện áp Vbe của Q6 cũng là 0,6V. Ví dụ, nếu chúng ta chọn R14 cẩn thận để khớp với điểm mà chúng ta muốn ngăn chặn bất kỳ quá dòng nào, giả sử 2A, một khi điện áp qua R14 = 1,2V, D6 và D7 sẽ lấy dòng điện từ base của Q6 không cho phép dòng điện nguồn vượt quá 2A.

Do đó, R14 = 1,2/2 = 0,6Ω. Nhưng vẫn còn một cải tiến nữa mà chúng ta có thể thực hiện để ngăn chặn dòng điện lớn trong các diode.

Chúng ta đã thay thế các diode bằng Q9. Tất cả những gì nó cần là 0,6 để bật và gây ra giới hạn dòng điện. Đối với 2A, đó sẽ là R19 = 0,6/2 = 0,3Ω.

Mạch điều chỉnh điện áp cố định

Ở đây, chúng ta có sự đơn giản của một bộ điều chỉnh điện áp ba cực cố định. Dòng IC bộ điều chỉnh điện áp LM78xx có nhiều điện áp khác nhau. Ví dụ, LM7812 đầu ra 12V, LM7809 đầu ra 9V, và LM7805 đầu ra 5V.

C4 và C10 không được hiểu nhầm là tụ điện làm phẳng. Chúng dùng để khử nhiễu và ổn định và nên có điện trở nối tiếp tương đương (ESR) thấp. C4 thường là 10uF, và C10 là 1uF. Lưu ý rằng diode D9 để xả bất kỳ tụ điện lớn trong tải ngược lại để ngăn bộ điều chỉnh bị lệch ngược khi đầu vào giảm xuống.

Mạch điều chỉnh điện áp tùy chỉnh

Và cuối cùng, chúng ta đến điểm cuối của quá trình tiến hóa với một bộ điều chỉnh ba cực có thể điều chỉnh – bộ điều chỉnh điện áp nổi tiếng LM317, và đối tác điện áp âm của nó là LM337.

C2 dùng để khử nhiễu và có thể là 1uF. Tỷ lệ của R20 và R23 đặt điện áp đầu ra. Chúng có thể là hai điện trở cố định hoặc một biến trở có thể điều chỉnh. R20 được hiển thị trong tài liệu dữ liệu là 240Ω không tiêu chuẩn, nhưng nếu bạn đặt nó thành 220Ω tiêu chuẩn, thì đối với bất kỳ điện áp nào giữa Vmax và Vmin, R7 = (176* Vout) – 220.

Vì vậy, nếu bạn muốn 9V, R23 có thể là một giá trị cố định, tức là 176*9 – 220 = 1k4. Lưu ý rằng vì tham chiếu nội bộ là 1,25V là mức thấp nhất mà bộ điều chỉnh có thể đạt được, nó cũng cần ít nhất 2V giữa đầu vào và đầu ra và có điện áp tối đa là 32V vì vậy nó có thể cung cấp khả năng điều chỉnh từ 1,2V đến 30V. Hãy đặt R23 là 10k.

Công suất tỏa nhiệt trong bộ điều chỉnh là (Vin-Vout)* Iout. Vì vậy, đối với đầu vào 12V và đầu ra 5V ở 1A, công suất là (12-5)*1 = 7W. Điều này trái ngược với trực giác, nhưng có nghĩa là bộ điều chỉnh sẽ tỏa nhiệt nhiều nhất khi nó được đặt ở điện áp đầu ra thấp nhất.

Nếu bạn sẽ lấy ra khỏi bộ điều chỉnh nhiều hơn 1A hoặc quá nóng để cầm bằng ngón tay, nó cần một đế tản nhiệt. Bạn có thể thử gắn nó trên vỏ hộp nhôm bạn đang sử dụng hoặc gắn nó trên một miếng nhôm phẳng hoặc, tốt hơn nữa, trên một đế tản nhiệt thích hợp và đoán kích thước. Bạn nên có thể cầm thiết bị bộ điều chỉnh một cách thoải mái mà không bị bỏng tay hoặc ngón tay.