Đồ Án thiết kế bộ biến đổi DC-DC

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................2
LỜI CẢM ƠN.......................................................................................................3
MỤC LỤC.............................................................................................................4
LỜI MỞ ĐẦU.......................................................................................................6
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI 1 CHIỀU DC-DC.................7
1.1. TỔNG QUAN BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC...................................................7
1.2. PHÂN LOẠI CÁC BỘ BIẾN ĐỔI.........................................................7
1.2.1. Theo mức điện áp ra so với điện áp vào.........................................7
1.2.2. Theo phương pháp chuyển đổi........................................................8
1.2.3. Theo sự liên hệ vật lý giữa đầu vào và đầu ra................................8
1.2.4. Theo bộ điều chỉnh............................................................................8
1.3. MỘT SỐ MẠCH THƯỜNG DÙNG........................................................8
1.3.1. Mạch biến đổi Buck..........................................................................8
1.3.2. Mạch biến đổi Boost.........................................................................9
CHƯƠNG 2 CHỌN VÀ PHÂN TÍCH MẠCH LỰC......................................11
2.1. CẤU TRÚC MẠCH LỰC

...................................................................11

2.2 TÍNH TỐN VÀ LỰA CHỌN CÁC PHẦN TỬ TRONG MẠCH LỰC
...........................................................................................................................12
2.2.1.Tính tốn cuộn cảm L.....................................................................12
2.2.2 Tính tốn tụ C đầu ra......................................................................15
2.2.3 Chọn Diot D......................................................................................15
2.2.4 Chọn IGBT.......................................................................................15
CHƯƠNG 3 CHỌN VÀ PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỀU KHIỂN......................16
3.1. NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA BĂM XUNG MỘT CHIỀU...................16
3.2. ĐIỀU KHIỂN THEO PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐỘ RUNG
XUNG PWM....................................................................................................18
1

3.2.1.KHÂU PHÁT XUNG CHỦ ĐẠO VÀ TẠO ĐIỆN ÁP RĂNG
CƯA...........................................................................................................19
3.2.2. KHÂU TẠO ĐIỆN ÁP ĐIỀU KHIỂN..........................................22
3.2.2.1. Hệ thống hở................................................................................23
3.2.2.2. Hệ thống kín...............................................................................23
3.2.2.3. Mạch hạn chế góc điều khiển.....................................................25
3.2.3 KHÂU SO SÁNH.............................................................................27
3.2.4. KHUẾCH ĐẠI XUNG ( DRIVER)...............................................29
CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
..............................................................................................................................32
4.1 MẠCH ĐỘNG LỰC.................................................................................32
4.2 MẠCH ĐIỀU KHIỂN...............................................................................34
4.2.1.Khâu phát xung...............................................................................34
4.2.2. Khâu răng cưa.................................................................................35
4.2.3.Khâu so sánh....................................................................................36
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...........................................................................37
1. Kết luận.....................................................................................................37
2. Kiến nghị...................................................................................................37

2


LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay , trên tất cả các nước trên thế giới nói chung và nước ta nói riêng
ở đó các thiết bị bán dẫn đã và đang thâm nhập vào các ngành công nghiệp ,
nông nghiệp và cả trong lĩnh vực sinh hoạt . Các nhà máy , xí nghiệp đã ứng
dụng ngày càng nhiều những thành tựu của công nghiệp điện tử công suất . Ứng
dụng Điện tử công suất trong truyền động điện – điều khiển tốc độ động cơ điện

là lĩnh vực quan trọng và ngày càng phát triển. Các nhà sản xuất không ngừng
cho ra đời các sản phẩm và công nghệ mới về các phần tử bán dẫn công suất và
các thiết bị điều khiển đi kèm.
Em đã rất nỗ lực và cố gắng làm việc với tinh thần học hỏi và quyết tâm cao
nhất tuy nhiên đây là lần đầu tiên em làm đồ án, và đặc biệt do nhận thức về thực
tế của em cịn nhiều hạn chế nên em khơng thể tránh khỏi những sai sót, em
mong nhận được sự phê bình góp ý của các thầy để giúp em hiểu rõ hơn các vấn
đề trong đồ án cũng như những ứng dụng thực tế của nó để bản đồ án của em
được hồn thiện hơn.
Trong q trình làm đồ án em đã nhận được sự giúp đỡ của các thầy giáo
trong bộ môn và đặc biệt là sự chỉ bảo tận tình của Cơ Nguyễn Thị Thành đã
giúp em hoàn thành đồ án này. Chúng em xin chân thành cảm ơn cô và hi vọng
cô sẽ giúp đỡ em nữa trong việc học tập của em sau này.

3


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI 1 CHIỀU DC-DC
1.1.

TỔNG QUAN BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC

Bộ biến đổi DC-DC thuộc nhóm các bộ biến đổi cơng suất. Chúng có thể làm
tăng hoặc giảm điện áp đầu ra so với đầu vào vào tùy theo yêu cầu sử dụng.
Điện áp một chiều ngõ vào có thể từ mạch chỉnh lưu khơng điều khiển, có thể
từ nguồn cố định như ắcquy
Điện áp trên tải có dạng xung hình thành từ q trình ngắt liên tục nguồn điện
áp một chiều không thay đổi ngõ vào. Do đó, bộ biến đổi cịn được gọi là bộ biến
đổi điện áo một chiều DC –DC dạng xung hay còn gọi là bộ băm ( chopper) điện

áp một chiều.
Bộ băm xung áp một chiều được sử dụng nhiều trong các máy nâng vận
chuyển, trong truyền động điện máy cắt gọn kim loại, trong giao thông đường
sắt, ô số chạy điện, xe điện bốc đỡ hàng
Ngày nay, các bộ biến đổi sử dụng trong các hệ thống rất thông dụng bởi hiệu
suất va chất lượng điện áp. Các bộ biến đổi điện áp một chiều là một trong
những bộ biến đổi được sử dụng nhiều nhất. Trong đó, bộ biến đổi giảm áp
(Buck Converter) sẽ cho điện áp đầu ra giảm đi so với điện áp đầu vào. Nó được
ứng dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị hay hệ thống khác nhau như: cấp nguồn
cho máy tính và laptop, các bộ sạc điện thoại, nạp pin từ năng lượng mặt trời…
1.2.

PHÂN LOẠI CÁC BỘ BIẾN ĐỔI

1.2.1. Theo mức điện áp ra so với điện áp vào
Bộ biến đổi giảm áp (Buck Converter hoặc Step down converter): Là bộ
biến đổi mà giá trị điện áp một chiều ở đầu ra nhỏ hơn giá trị điện áp một chiều ở
đầu vào .
Bộ biến đổi tăng áp ( Boost Converter hoặc Step Up Converter): Là bộ
biến đổi mà giá trị điện áp một chiều ở đầu ra lớn hơn giá trị điện áp một chiều ở
đầu vào .

4


1.2.2. Theo phương pháp chuyển đổi
- Bộ biến đổi dùng tụ điện.
- Bộ biến đổi dùng cuộn cảm.
- Bộ biến đổi kết hợp cả hai phương pháp trên.
1.2.3. Theo sự liên hệ vật lý giữa đầu vào và đầu ra

Nguồn xung hiện nay có rất nhiều loại khác nhau nhưng nó được chia
thành 2 nhóm nguồn : Cách ly và khơng cách ly.
* Nhóm nguồn khơng cách ly :
+ Boot (Tăng áp)
+ Buck (Giảm áp)
+ Buck – Boot (Tăng-Giảm áp)
* Nhóm nguồn cách ly :
+ flyback
+ Forward
+ Push-pull
+ Half Bridge
+ .......
Mỗi loại nguồn trên đều có những ưu nhược điểm khác nhau. Nên tùy theo
yêu cầu của nguồn mà ta chọn các kiểu nguồn xung như trên.
1.2.4. Theo bộ điều chỉnh
- Bộ điều chỉnh tuyến tính (Linear Regulator):
Trường hợp này, năng lượng được truyền một cách liên tục từ đầu vào qua
bộ biến đổi tới đầu ra.
-Bộ điều chỉnh chuyển mạch (Switching Regulator):
Trường hợp này, năng lượng được truyền từ đầu vào qua bộ biến đổi tới
đầu ra có sự thay đổi kiểu nhảy bậc.
1.3. MỘT SỐ MẠCH THƯỜNG DÙNG
1.3.1. Mạch biến đổi Buck
Mạch biến đổi Buck là mạch biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một
chiều thấp hơn, thường được sử dụng trong các bộ ổn định điện áp thay cho các
mạch analog truyền thống.
5


Sơ đồ mạch Buck

Quá trình năng lượng xảy ra như sau:
Trong khoảng thời gian từ 0-to khi van dẫn năng lượng của nguồn sẽ được
cấp cho phụ tải (UR=E). Vì dòng điện từ nguồn cấp cho tải phải đi qua điện cảm
L, nên điện cảm này sẽ được nạp năng lượng trong giai đoạn van Q dẫn
Trong khoảng thời gian to –T,van Q khóa, điện cảm phóng năng lượng tích
lũy ở giai đoạn trước, dòng điện qua L vẫn theo chiều cũ và chạy qua
1.3.2. Mạch biến đổi Boost
Biến đổi Boost là mạch biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một
chiều có biên độ cao hơn, nó cịn gọi là mạch step-up converter. Nguyên lý này
thường được sử dụng cho việc cung cấp các điện áp yêu cầu lớn hơn điện áp
nguồn nuôi, với công suất nhỏ

6


Sơ đồ mạch Boot
Qui luật điều khiển Van Q theo nguyên tắc chung:
Van Q dẫn trong khoảng (0- to) và khóa trong khoảng (to-T). Điện áp ra tải
sẽ lớn hơn điện áp vào với tỷ lệ tùy thuộc vào tỷ lệ giữa to và T.
Khi van Q dẫn, toàn bộ điện áp nguồn được đặt vào cuộn cảm và dòng
điện từ nguồn chạy qua cuộn cảm,cuộn cảm được nạp năng lượng. Trong giai
đoạn này Diode khóa và tải bị cắt khỏi nguồn, do đó năng lượng ra tải sẽ nhờ
điện dung C.
Khi van Q khóa, năng lượng của cuộn kháng và của nguồn sẽ cấp ra tải.
Nhờ nhận thêm năng lượng tích lũy từ q trình trước trong điện cảm nên điện
áp ra tải sẽ Trong đó: E điện áp cấp, T chu kỳ đóng mở van lớn hơn điện áp
nguồn E. Tụ điện C dùng để tích lũy năng lượng và cấp cho tải khi van Q dẫn.

7

CHƯƠNG 2 CHỌN VÀ PHÂN TÍCH MẠCH LỰC
2.1. CẤU TRÚC MẠCH LỰC
Hình

2.1

Ngun lí làm việc mạch Buck

Khi đóng van S, nguồn 1 chiều Ud cấp dòng điện đi qua L sau đó dịng
điện đi qua R và tụ điện C và về âm nguồn. Cuộn cảm tích trữ năng lượng.
UL = Ud –U0
ΔIL(đóng)

  Ud U0 

DT
L

Khi mở van S thì tồn bộ phần năng lượng tích trữ trong L giải phóng
dịng điện qua tải và về diode để khép mạch
UL = –U0
ΔIL(ngắt)

 U 0

 1 D T
L

Cuộn cảm và tụ điện trong hình 2.1 tạo thành một bộ lọc thông thấp. Bộ

lọc thông thấp này làm mịn hoạt động chuyển mạch van và tạo ra điện áp DC êm
ái, mượt mà.
8


2.2 TÍNH TỐN VÀ LỰA CHỌN CÁC PHẦN TỬ TRONG MẠCH LỰC
Các yêu cầu thiết kế:
 Vin = 17 V
 Vout = 12V
 ILoad = 2A
 fsw= 100kHz ( tần số chuyển mạch)
 Iripple = 0.3 × IL
1. Trình bày cấu trúc mạch lực và nguyên tắc phát xung điều khiển.
2. Tính chọn giá trị danh định và lựa chọn cụ thể (nhà SX, mã sản phẩm) tất cả
các phần tử trong mạch: Van bán dẫn, tụ điện, điện cảm,… theo các thông số kỹ
thuật yêu cầu.
3. Xây dựng chương trình mơ phỏng bộ biến đổi kiểm chứng thiết kế.
Ta có:
Cơng suất đầu ra :���� = ���� × ����� = �� × � = ��W
Tham số điều chỉnh : D = = = 0.706
2.2.1.Tính tốn cuộn cảm L
Khi van ở trạng thái ON thì diện áp trên hai đầu cuộn cảm bằng [1]:
vL(t) = Vg - v(t)
Hay gần đúng sẽ là:
vL(t) = Vg – V
Trong đó vL tính theo cơng thức:
diL (t )
vL = L*( dt )

Từ đó ta có :

diL (t ) vL (t ) Vg  V


dt
L
L

9


Hình 2.2 Đồ thị điện áp trên cuộn cảm theo thời gian

Hình 2.3 Đồ thị dịng điện qua cuộn cảm theo thời gian

10


Dịng điện qua cuộn cảm được miêu tả như Hình 2.3, ta có thể thấy dịng
điện ����� = � + ∆��, trong đó ∆�� là độ gợn (độ dao động) của dòng điện qua
cuộn cảm.
Nên độ gợn peak-to-peak sẽ là 2∆�� và bằng :

Suy ra:

Hệ số đóng cắt của van đóng cắt:
D = = = 0.706
Ta tính được giá tri cuộn cảm như sau:

L

Vg  V
17  12
DTs
*0, 706
5
2iL
2*
0,3*10
=
≈ 6*10-5 (H)

2.2.2 Tính tốn tụ C đầu ra
Tính tốn giá trị điện dung C của tụ điện
Chọn ������� = 0.2�
Xét dòng điện qua tụ điện : điện áp bắt đầu nạp ácqui từ ���� cho đến ����
tương ứng với dòng điện trong tụ tăng từ 0 lên max và xả về 0
Từ đó ta có phương trình cân bằng tại nút : �� = �� − �0
Tại thời điểm ban đầu t=0 ,�� = 0 nên :
Điện lương nạp vào tụ trong thời gian t : Q(t)=C.Vc(t)
=> ∆� = � × ∆�� = � × (���� − ����) = � × �������

11


Cout

1
( 5 ) 2  (1  0, 706) 12
T 2  (1  D)  Vout


 10
 3, 45  106 ( F )
8  L  Vripple
8  6 106  0, 2

Chọn tụ lọc đầu ra của mạch buck là :C= 3.45 µF
Điện trở tương đương của mạch :
ESR=6Ω
2.2.3 Chọn Diot D
Dòng ước định qua điot :
�� = (1 − �)* ��ả� = (1 − 0.706)* 2 = 0.588 (�)
→ Ta cần chọn điot có giá trị dòng điện lớn hơn 0.588 (A) , điện áp lớn hơn 17V
và thỏa mãn tần số 100�ℎ�
→ Chọn điot 1N4001 tra theo thơng số datasheet
2.2.4 Chọn IGBT
Do mạch có cơng suất P=24W ( loại nhỏ)
→ Chọn Van IGBT có giá trị dòng điện lớn hơn 10A , điện áp lớp hơn 20V và
thỏa mãn tần số 100�ℎ�
→ Chọn Van IGBT FB10R06VL4 tra theo thông số datasheet

CHƯƠNG 3 CHỌN VÀ PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Băm xung một chiều (BXMC) là thiết bị dùng để thay đổi điện áp một chiều ra
tải từ một nguồn điện áp một chiều cố định . BXMC được ứng dụng để điều
chỉnh
tốc độ động cơ điện một chiều, tạo nguồn ổn áp dải rộng.
3.1. NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA BĂM XUNG MỘT CHIỀU
Nguyên lý cơ bản của băm xung một chiều được mơ tả trên hình 3.1. Giữa nguồn
một chiều E và tải Rt là van Tr làm việc như một khóa điện tử, hoạt động của
BXMC
12

là cho van đóng cắt theo chu kỳ với quy luật:
- Trong khoảng thời gian 0 - t0 , cho van dẫn, điện áp rơi trên tải Ut có giá trị
bằng
điện áp nguồn Ut = E.
- Từ t0 - t1, van Tr không dẫn (mạch hở), tải bị ngắt khỏi nguồn nên Ut = 0.36 Để
đóng cắt điện áp nguồn người ta thường dùng các khóa điện tử cơng suất vì
chúng
ta có đặc tính tương ứng với khóa lý tưởng, tức là khi khóa dẫn điện (đóng) điện
trở
của nó khơng đáng kể, cịn khi khóa bị ngắt (mở ra) điện trở của nó lớn vơ cùng
(điện áp trên tải sẽ bằng 0).

Hình 3.1. Nguyên lý băm xung một chiều (BXMC)
Như vậy giá trị trung bình của điện áp trên tải là:

Trong đó: t0 - thời gian khóa K đóng,
γ - tham số điều chỉnh,
T - chu kỳ đóng cắt của van.
Biểu thức (3.1) cho thấy có thể điều chỉnh điện áp ra bằng cách thay đổi tham số
γ.
Việc điều chỉnh điện áp bằng cách “băm” điện áp một chiều E thành các “xung”
13


điện áp ở đầu ra nên thiết bị này có tên gọi là “Băm xung áp một chiều –
BXMC”.
Có hai phương pháp chính cho phép thay đổi tham số γ là:
1. Thay đổi thời gian t0, còn giữ chu kỳ T, như vậy ta dùng cách thay đổi

độ rộng của xung điện áp ra tải trong quá trình điều chỉnh, nên cách này được gọi
là phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM). (Pulse Width Modulation).
2. Thay đổi chu kỳ T, cịn giữ thời gian t0 khơng đổi. Cách này ngược lại
với cách trên, độ rộng xung điện áp ra tải được giữ nguyên, mà chỉ thay đổi tần
số lặp lại của xung này, vì vậy được gọi là phương pháp xung – tần.
Phương pháp này không thuận lợi khi phải điều chỉnh điện áp trong dải
rộng, vì tần số biến thiên nhiều sẽ làm thay đổi mạnh giá trị trở kháng khi mạch
có chứa các điện cảm hoặc tụ điện nên khó tính tốn thiết kế, nhất là hệ thống
điều chỉnh kín vì lúc đó mạch thuộc hệ có tham số biến đổi. Vì vậy phương pháp
này chỉ dùng khi phạm vi điều chỉnh hẹp và thực tế ít được sử dụng.
Ta thấy rằng khóa điện tử Tr chỉ làm việc đúng như một van bán dẫn, vì
thế BXMC có nhiều ưu điểm như:
- Hiệu suất cao vì tổn hao công suất trong bộ biến đổi là không đáng kể so
với các bộ biến đổi liên tục, do tổn hao trong van bán dẫn là nhỏ.
- Độ chính xác cao và ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ mơi trường vì yếu tố
điều chỉnh là thời gian đóng khóa Tr mà không phải mà không phải giá trị điện
trở phần tử điều chỉnh như những bộ điều chỉnh liên tục kinh điển.
- Kích thước gọn và nhẹ.
Tuy nhiên BXMC có những nhược điểm là:
- Cần có bộ lọc đầu ra, do đó làm tăng qn tính điều chỉnh.
- Tần số đóng cắt lớn sẽ gây ra nhiễu cho các thiết bị xung quanh
Các bộ BXMC được chia thành băm xung khơng đảo chiều và băm xung
có đảo chiều dịng tải.
Ở Chương 2 em đã chọn phân tích Băm xung một chiều nối tiếp (Buck-giảm áp).

14


Nên ở chương này em chọn phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM)
(Pulse Width Modulation) , ở phương pháp này đơn giản hơn rất nhiều so với

phương pháp Xung –Tần
3.2. ĐIỀU KHIỂN THEO PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐỘ RUNG
XUNG PWM

a)

b)

Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển băm xung một chiều kiểu PWM
Phương pháp thực hiện băm xung với tần số không đổi f=const, điện áp ra
tải thay đổi nhờ chỉ điều chỉnh độ rộng khoảng dẫn của van t o= var. Để thực hiện
điều này sử dụng sơ đồ cấu trúc như hình 3.2a, cịn hình 3.2b là đồ thị minh họa
nguyên lý hoạt động. Chức năng các khâu là
1. Khâu phát xung chủ đạo nhằm tạo dao động với tần số cố định nhằm đảm bảo
điều kiện băm xung với tần số không đổi.
2. Khâu tạo điện áp răng cưa theo tần số của khâu phát xung chủ đạo, đồng thời
đảm bảo phạm vi điều chỉnh tối đa của tham số γ .
3. Khâu so sánh tạo xung: So sánh điện áp răng cưa urc với điện áp điều khiển
uđk điểm cân bằng giữa chúng chính là điểm t 0 . Do đó khi điện áp điều khiển
thay đổi sẽ làm thay đổi t0 và do đó thay đổi tham số điều chỉnh γ. Điện áp ra của
khâu này có dạng xung tương ứng với giai đoạn van lực Tr dẫn.
4. Khâu khuếch đại công suất nhằm tăng công suất xung tạo ra ở khâu so sánh,
đồng thời phải thực hiện ghép nối với van lực theo tính chất điều khiển của van
lực.
15


5. Khâu tạo điện áp điều khiển theo luật công nghệ.
3.2.1.KHÂU PHÁT XUNG CHỦ ĐẠO VÀ TẠO ĐIỆN ÁP RĂNG
CƯA

Khâu phát xung chủ đạo có hai nhiệm vụ:
- Tạo dao động với tần số cố định bằng tần số băm xung van lực.
- Điện áp ra có dạng xung với hình dáng theo yêu cầu của khâu tạo răng cưa.

Hình 3.3. Tạo răng cưa một cực tính từ răng cưa hai cực tính.
Thơng dụng nhất hiện nay là sơ đồ hình 3.3, cho phép tạo ở đầu ra của
OA2 điện áp răng cưa có hình tam giác cân, trong khi đó đầu ra của OA1 là dao
động điện áp xung chữ nhật.OA1 là mạch lật kiểu trigơ Schmitt, do đó đầu ra chỉ
có hai trạng thái tối đa tương ứng hai giá trị cực đại ±Um. Nếu dùng cụm hai
diode ổn áp đấu nối tiếp Dz1, Dz2 thì Um=(UDz+0,7), nếu khơng dùng thì như
thơng thường Um=Ubh của OA. Cụm các diode ổn áp có tác dụng chống bão hịa
sâu cho OA để có thể phản ứng nhanh do giảm thời gian trễ lật trạng thái, do đó
cần dùng khi phải tạo dao động tần số cao.
OA2 là mạch tích phân đảo dấu quen thuộc, vì đầu vào tuy có đảo dấu nhưng
chỉ có giá trị khơng đổi nên tích phân sẽ cho giá trị tuyến tính.
U RC  

U m
U m
1
iC dt  U C  
dt  U c  U c 
t


C
CR1
CR1

16

Sự biến thiên của đầu ra OA2 thông qua điện trở R 3 tác dụng đến cửa (+)
của OA1, mỗi khi điện thế cửa này về đến không sẽ làm trigơ lật sang trạng thái
đổi dấu điện áp đầu ra. Lập tức bộ tích phân cũng đảo chiều biến thiên và mạch
bắt đầu với quy trình ngược giai đoạn trước…
Phân tích cho thấy ngưỡng để bộ tích phân đảo hướng của nó có giá trị gọi
là điện áp ngưỡng Ung và bằng:
U ng  

R3
Um
R2

Giá trị này cũng chính là biên độ của điện áp tam giác.
Ưu điểm của dạng này cịn ở chỗ nó khơng cần khoảng phục hồi, cả thời
gian răng cưa đi lên và đi xuống của nó đều là thời gian làm việc, vì vậy cho
phép đảm bảo phạm vi điều chỉnh tối đa là γ=(0÷1). Do đó khi cần điều chỉnh
như vậy, BXMC khơng đảo chiều cũng dùng răng cưa tam giác.
Có thể biến xung tam giác hai cực tính thành một cực tính nếu sử dụng
thêm mạch dịch điện áp bằng cụm điện trở treo R4 và R5
Điện áp ở hai đầu ra Ura1 và Ura2 sẽ được dịch đi một giá trị là :
U RC E

R4 R5
U ra 
1
1

R4 R5

Điện áp ở hai đầu ra Ura sẽ bằng không khi tử số củ biểu thức này về bằng
khơng, điều đó có nghĩa giá trị Urc phải trái dấu nguồn E. Mặt khác điện áp răng
cưa có giá trụ biên dộ là Um, nên có điều kiện để răng cưa tam giác trở thành
một cực tính:
U m E
R U

0 4  m
R4
R5
R5
E

Đây chính là điều kiện để chọn các điển trở R4 và R5 .
Để kết hợp bảo vệ BXMC nhờ cắt xung bằng điện áp điều khiển (U dk = 0),
giá trị thấp nhất của răng cưa thường lấy khác không ( khoảng 0,1V), do vậy một
trong hai điện trở R4 và R5 là biến trở để hiệu chỉnh mạch
Giải
Với tần số 100KHz thì chu kỳ làm việc của băm xung là:
17


T= ==0.00001 (ms)
Chọn điện áp nguồn E= ±15V và sử dụng cụm diode ổn áp đấu nối tiếp đối
đầu, với Uoa=12V, có điện áp đầu ra OA1 cực đại Um= Uoa+UDz = 12+0,7=12,7
(V). Theo đồ thị hoạt động ta thấy trong khoảng thời gian một nửa chu kỳ điện
áp răng cưa phải biến thiên được giá trị bằng hai lần biên độ điện áp tam giác
Ung, ở bài này sẽ bằng 2x10V=20V. Do đó từ (3.32) thể hiện sự biến thiên của
điện áp này, ta rút ra:

2U ng 

CR1 

Um T
U
 CR1  m T
CR1 2
4U ng

12.7
105  15.345 10 6
4 10

Chọn tụ C=11pF, suy ra:
R1 

15,375 106
 13950()
11 pF

Chọn biến trở 15k vào ví trí R1 để hiệu chỉnh tần số băm xung.
Từ biểu thức:
= = = 0,787
Suy ra R3 = 0,787R2 tức là nếu R2=10kΩ thì R3 = 7,87 kΩ. Tuy nhiên ta
chọn R2=10kΩ và R3 là biến trở 10kΩ để chỉnh xuống giá trị cần thiết nhằm đảm
bảo biên đồ xung tam giác 10V.
- Để tạo điện áp răng cưa một cực tính với biên độ 10V và giá trị nhỏ nhất
lớn hơn 0 thì ta dịch răng cửa để chuyển thành xung tam giác một cực tính.
Chọn trước R5 = 12 kΩ, ta tính được giá trị R4 theo công thức:

U
R4 U m
10

 R4  m R5  12 103  12k 
R5
E
E
10

Vậy chọn R4 là biến trở 15 kΩ để điều chỉnh điện áp dịch xung tam giác
sao cho điểm thấp nhất lớn hơn 0 và có biên độ khoảng 10 V
Lưu ý, khâu so sánh phía sau nên sử dụng dạng so sánh hai cổng để không
làm xung tam giác bị ảnh hưởng. Nhưng nếu sử dụng so sánh một cửa thì điện
áp tam giác sẽ bị ảnh hưởng bởi tín hiệu đưa tới so sánh, do đó hoặc phải tăng
điện trở đầu vào so sánh để đảm bảo lớn hơn nhiều lần các điện trở R4, R5 hoặc
phải giảm điện trở R4, R5 xuống nữa.
18


3.2.2. KHÂU TẠO ĐIỆN ÁP ĐIỀU KHIỂN
Khâu tạo điện áp điều khiển liên quan chặt chẽ đến hệ thống lực của chỉnh
lưu vì nó phải đảm bảo đưa ra giá trị điện áp tác động tới góc điều khiển thơng
qua khâu so sánh và do đó khống chế năng lượng ra tải theo đúng yêu cầu kỹ
thuật và công nghệ của máy sản xuất. Do vậy trong các hệ thống tự động nói
chung, khâu này có ý nghĩa quan trọng và thường là khâu xử lý các tín hiệu theo
một quy luật hay thuật tốn đã định trước.

Hình 3.4 Tạo điện áp điều khiển.
a. Cấu trúc chung

b,c. hệ hở

d. hệ kín

Các tín hiệu cần thu nhận và xử lý phải là điện áp hoặc đã được chuyển
đổi sang điện áp, và được chia thành hai loại:
- Tín hiệu do yêu cầu công nghệ sản xuất đưa tới, gọi là lượng đặt hay điện
áp đặt Uđ.
- Thông tin thu thập từ tải về gọi là lượng phản hồi hay điện áp phản hồi
Uph. Điện áp này thường tỷ lệ theo các đại lượng cần giám sát để xử lý (như
dòng điện, điện áp, công suất, nhiệt độ, áp suất, …).
Các hệ điều khiển được chia thành hai loại là: hệ hở và hệ kín.
3.2.2.1. Hệ thống hở
Hệ thống hở hồn tồn khơng có tín hiệu phản hồi, mà chỉ có tín hiệu đặt, khâu
tạo điều áp điều khiển không phức tạp. Đơn giản nhất khi chỉ là một biến trở để
điều chỉnh điện áp theo ý muốn của người vận hành (hình 3.4b), phức tạp hơn
nếu như điện áp này phải thay đổi theo thời gian, tức là có quy luật biến thiên
theo thời gian (hình 3.4c).
19


3.2.2.2. Hệ thống kín
Hệ thống kín có các tín hiệu phản hồi và mức độ phức tạp hơn, tùy theo số
lượng tín hiệu phản hồi về và luật xử lý giữa chúng với điện áp đặt. Mục đích
của hệ kín là nhằm điều khiển hệ thống theo một quy luật định trước, một đặc
tính mong muốn y=f(x) của cơng nghệ. Có ba đặc tính thường gặp thể hiện ở
hình 3.3 là:
1. Đặc tính cứng (đường 1): đây là dạng thơng dụng nhất trong thực tế,
cho phép ổn định giá trị cần thiết y với mọi biến động của x. Ví dụ như ổn định

tốc độ động cơ, ổn định nhiệt độ
lò điện trở, ổn định dòng điện khi
nạp acquy...
2. Đặc tính mềm (đường 2):
có đặc điểm lượng vào x càng
tăng thì lượng ra y càng phải
giảm.Ví dụ như đặc tính U(I) của
máy hàn hồ quang để đảm bảo
cho phép làm việc ở chế độ mồi
ngắn mạch.
Hình 3.5 Các dạng đặc tính tải
3. Đặc tính có ngắt (đường 3), thường có một vùng làm việc cho phép mà
cần ổn định tham số y, khi vượt ra ngồi phạm vi đó, đến một ngưỡng quy định
cần chuyển sang đặc tính giảm nhanh y về 0 (ngắt y).
Để đảm bảo các đặc tính trên cần có mạch xử lý tín hiệu, gọi là các điều
chỉnh tự động, thường gặp ba dạng điều chỉnh sau: mạch P(tỷ lệ Proportional),
mạch PI (tỷ lệ - tích phân (I-Intergral)) và hay mạch tổng quát nhất là mạch PID
(tỷ lệ - tích phân – đạo hàm (D-Differential).
- Bộ điều chỉnh kiểu PI
Lý thuyết điều khiển cho thấy mạch điều khiển P luôn tồn tại sai số điều
chỉnh, để loại trừ sai số cần dùng mạch PI (mạch vô sai). Hình 3.6a là mạch PI
dạng đơn giản, có quan hệ vào/ra tuân theo quy luật:
20


 R

R
1
1

ura  udk    ( 0 ud  0 u ph )   (
ud 
u ph )dt  U (0) 
R2
C1 R1
C1 R2
 R


Nếu cần ổn định tham số vẫn phải tuân theo các yêu cầu nói trên, ví dụ
nếu lấy uđ âm suy ra uph phải âm và để đơn giản chọn R1=R2 thì biểu thức trở
thành:
ura  udk 

R0
1
(ud  u ph ) 
(ud  u ph )dt  U (0)  K p uv  K I  uv dt  U (0)
R
C1 R1 

Như vậy điện áp điều khiển uđk đã bao gồm hai thành phần, ngoài phần P
tác động theo sai lệch giữa hai đại lượng đầu vào ∆uv như bộ điều chỉnh tỉ lệ nói
trên với hệ số Kp, cịn thêm thành phần tích phân sai lệch với hệ số Ki. Chính
thành phần này sẽ tiếp tục tác động chừng nào vẫn còn sai lệch lượng đặt u đ và
lượng thực uph , cho đến khi sai số bằng không mới dừng, tức là tích phân chỉ
dừng tích lũy điện áp ở đầu ra mạch PI khi uv  ud  u ph  0 nhưng điện áp điều
khiển vẫn khác khơng do mạch đã tích lũy được giá trị uđk mới , đây là điểm
khác biệt nữa so với mạch P.

Hình 3.6 Bộ điều chỉnh PI và PID đơn giản
Thành phần tích phân của mạch PI sẽ gây hiện tượng trễ điều chỉnh vì cần
thời gian vì cần thời gian để tích phân, trong đó giá trị tụ C1 ảnh hưởng quyết
định đến độ tác động nhanh của hệ thống (R1 đã tham gia trong thành phần Kp
nên không dùng để hiệu chỉnh Ki), vì vậy tùy theo quán tính của hệ thống thực
để chọn C1
- Bộ điều chỉnh kiểu PID
Khi hệ thống mà phụ tải có khả năng đột biến lớn thì mạch PI với bản chất
trễ đương nhiên không thể phản ứng kịp, mặc dù vẫn đạt hệ điều chỉnh vô sai,
song thời gian để hệ thống ổn định lại kéo dài. Để khắc phục nhược điểm này
của mạch PI cần đưa thêm thành phần phản ứng nhanh chỉ với các đột biến tải,
21


đó chính là thành phần đạo hàm D, như vậy bộ điều chỉnh trở thành PID. Trên
hình 3.6b tụ CD có tác dụng như vậy, vì tụ điện này nối song song với điện trở
R2 nên khi có đột biến của điện áp phản hồi (do tải đột biến gây ra) thì dịng điện
vào mạch điều chỉnh sẽ tắt qua tụ CD mà không cần qua R2 và gây thay đổi ngay
điện áp ra, tức là mạch phản ứng nhanh và mạnh với các đột biến. Sau đó tụ CD
mất tác dụng và chỉ còn mạch PI phản ứng tiếp tục như đã nói ở trên.
Chú ý: Bộ điều chỉnh PI và PID khơng tạo được đặc tính mềm.
3.2.2.3. Mạch hạn chế góc điều khiển
Hạn chế góc điều khiển là nhằm khống chế điện áp chỉnh lưu trong phạm
vi định trước. Để thực hiện điều này người ta tác động vào điện áp điều khiển vì
điện áp này xác định góc điều khiển α. Như vậy thực chất mạch hạn chế α là
mạch hạn chế điện áp điều khiển.
Thông dụng nhất là sơ đồ hình 3.7a, điện áp điều khiển lớn nhất được đặt
bằng điện trở P1, còn điện áp điều khiển nhỏ nhất đặt bằng P2. Tùy dấu điện áp
cần hạn chế là dương hay âm mà các nguồn E cũng có dấu tương tự. Với dấu E
trên sơ đồ thì Umin sẽ âm, cịn Umax là dương. Ngun lý hoạt động khá đơn

giản, nếu coi diode là lý tưởng.
- Nếu điện áp vào Uđkv lớn hơn giá trị đặt hạn chế Umax thì diode D1 dẫn,
làm cho Ura = Umax, từ đây với mọi Ura > Umax điện áp ở đầu ra sẽ luôn giữ ở trị số
này Uđk = Umax.
- Nếu điện áp vào Uđkv nhỏ hơn giá trị đặt hạn chế Umin thì diode D2 dẫn,
sẽ chốt điện áp ra ở giá trị Umin này với mọi Ura < Umin.
Do đó ta có đặc tính vào/ra dạng lý tưởng là đường nét đậm ở hình 3.7a.
Tuy nhiên trong thực tế không được như vậy, mà uđk ra ngồi phạm vì
Umin và Umax sẽ có đường nét đứt ở hình 3.7a.

22


Hình 3.7. Mạch hạn chế điện áp
Độ sai lệch ∆U1, ∆U2 khỏi đường lý tưởng là do quan hệ các điện trở
nhánh tạo điện áp hạn chế với R và do diode D1,D2 là các phần tử không lý
tưởng mà có sụt áp khi dẫn và có đặc tính VA phi tuyến. Nếu việc bù lại sụt áp
trên diode tiến hành đơn giản bằng cách hiệu chỉnh P1, P2 xuống giá trị thấp
hơn, thì loại trừ ảnh hưởng của các điện trở khó khăn hơn.
Đồ thị trên hình 3.7a tương ứng với mức ngưỡng đặt ở ±5V với giá trị biến
trở là 500Ω còn điện trở R=1kΩ, nếu tăng điện trở lên gấp 20 lần trị số biến trở
thì đường đặc tính sẽ gần với đường lý tưởng.
Mạch này chưa xét tới điện trở tải, nếu có giá trị nhỏ sẽ ảnh hưởng mạnh
đến đặc tính vào/ra, vì vậy trong thực tế thường dùng mạch lặp OA ở đầu ra
trước khi đưa đến các mạch khác.
Để cải thiện đặc tính hạn chế, có thể dùng mạch theo hình 3.7b, lúc đó đặc
tính đạt được độ bằng phẳng tốt và kết hợp được thay đổi độ dốc của đặc tính
vào/ra nhờ quan hệ điện trở R0/R1.

23

3.2.3 KHÂU SO SÁNH
Khâu này có chức năng so sánh điện áp điều khiển với điện áp tựa để định
thời điểm phát xung điều khiển, thơng thường đó là thời điểm khi hai điện áp này
bằng nhau. Nói cách khác, đây là khâu xác định góc điều khiển α.
Khâu so sánh có thể thực hiện bằng các phần tử như transistor hay khuếch
đại thuật toán OA. Sử dụng nhiều nhất hiện nay là các OA vì cho phép đảm bảo
độ chính xác cao. Khuếch đại thuật tốn OA là phần tử so sánh lý tưởng vì
những lý do sau đây:
- Tổng trở vào của OA rất lớn nên không gây ảnh hưởng đến các điện áp
đưa vào so sánh, nó có thể tách biệt hồn tồn chúng để khơng tác động sang
nhau.
- Tầng vào của OA cũng là khuếch đại vi sai, mặt khác số tầng nhiều nên
hệ số khuếch đại lớn (có thể lên đến một triệu). Vì thế độ chính xác rất cao, độ
trễ khơng q vài micrơ giây.
- Sườn xung dốc đứng nếu so với tần số 50 Hz.
Thực tế khi độ chênh lệch giữa U t và Uđk chỉ cỡ vài mV thì điện áp đầu ra
của nó đã thay đổi hồn tồn từ trạng thái bão hòa âm sang bão hòa dương hay
ngược lại. Khâu so sánh OA có hai kiểu đấu điện áp vào là so sánh hai cửa và so
sánh một cửa.
Mạch so sánh hai cửa minh họa như hình 3.6. Điện áp ra sẽ tuân theo quy
luật:
K0 là hệ số khuếch đại của OA
Hình 3.6 Khâu so sánh

24


Tùy thuộc vào điện áp tựa và điều khiển đưa vào cửa nào mà điện áp ra

xuất hiện xung âm hoặc dương ở thời điểm cân bằng giá trị giữa chúng.
- Nếu điện áp điều khiển đưa vào cửa (+), cịn điện áp tựa đưa vào cửa (-)
thì điện áp ra là

Do đó khi uđk > ut thì ura = +Ubh; khi uđk < ut thì ura = -Ubh.
- Nếu điện áp điều khiển đưa vào cửa (-), còn điện áp tựa đưa vào cửa (+)
như thì điện áp ra là:

Do đó khi ut > uđk thì Ura=+Ubh; khi ut < uđk thì Ura=-Ubh.
Có hai điểm cần lưu ý khi sử dùng so sánh hai cửa.
- Một là các điện áp đưa vào so sánh phải cùng dấu (cùng dương hoặc
cùng âm) thì mới có hiện tượng thay đổi trạng thái đầu ra.
- Hai là độ chênh lệch tối đa giữa hai cửa trong khi làm việc không được
vượt quá giá trị cho phép của loại OA đã chọn.
- Các điện trở ở hai cửa vào của OA có thể không cần dùng, nếu OA cho
phép chênh lệch điện áp giữa các đầu vào của nó ∆u VOA lớn hơn chênh lệch điện
25