Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế nguồn cho đèn led

BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC
ĐỒ ÁN 2- THIẾT KẾ MẠCH TƢƠNG TỰ

Đề tài: Thiết kế nguồn (driver) cho đèn LED cơng suất
trung bình
Hà Nội 2022

1


NHIỆM VỤ
ĐỒ ÁN MÔN HỌC

1. Đề tài thiết kế :
Thiết kế nguồn (driver) cho đèn LED cơng suất trung bình.
2. Các số liệu ban đầu:
Điện áp vào xoay chiều Uinnom = 220 AC, (Uinmin = 90V, Uinmax = 277V), f =
50Hz, đầu ra PFC: công suất 70W; Hiệu suất 0,9, tần số chuyển mạch 50kHz.
3. Nội dung phần thuyết minh, tính tốn:
• Giới thiệu tổng quan về đèn LED cơng suất trung bình
• Tìm hiểu và phân tích mộ số mạch nguồn cho đèn LED cơng suất trung bình
• Chọn giải pháp (sơ đồ) thiết kế.
• Tính tốn mạch động lực và mạch điều khiển
• Khảo sát mạch điện thiết kế bằng phần các phần mềm mô phỏng mạch điện.
4. Ngày giao nhiệm vụ thiết kế:
5. Ngày nộp thiết kế: ……………….
Tài liệu tham khảo
1. Trần Văn Thịnh; Điện tử công suất; NXB ĐH Mở Hà Nội; 2021
2. Published by Infineon Technologies AG 81726 Munich, Germany, XDPL8221
digital PFC + flyback controller IC XDP™ digital power, Design Guide
3. Allan A. Saliva; Design Guide for Off-line Fixed Frequency DCM Flyback

Converter; Infineon Technologies North America; 2013.
4. Trần Văn Thịnh; Thiết kế cuộn dây và biến áp trong thiết bị điện tử công suất;
NXB Giáo dục; 2012
Cán bộ hướng dẫn

2


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU.............................................................................................................................................. 4
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐÈN LED CƠNG SUẤT TRUNG BÌNH ..................................................... 5
1.1 Giới thiệu về đèn LED .......................................................................................................................... 5
1.2 Đèn LED công suất trung bình ............................................................................................................. 8
CHƯƠNG 2 : TÌM HIỂU VÀ PHÂN TÍCH MỘT SỐ MẠCH NGUỒN CHO ĐÈN LED CÔNG SUẤT TRUNG BÌNH . 9
2.1 Buck Converter ( bộ băm giảm áp )..................................................................................................... 9
2.1.1 Sơ đồ nguyên lý ............................................................................................................................ 9
2.1.2 Các đặc tính ra của bộ băm giảm áp .......................................................................................... 10
2.2 Boost Converter ( bộ băm tăng áp ) .................................................................................................. 11
2.2.1 Sơ đồ nguyên lý .......................................................................................................................... 11
2.2.2 Các đặc tính ra của bộ băm tăng áp ........................................................................................... 12
2.2.3 Buck-Boost converter ................................................................................................................ 14
2.2.4 Bộ băm tích lũy năng lượng điện cảm qua máy biến áp ( Flyback converter ) .......................... 17
2.2.5 Bộ băm nối tiếp ( Forward converter )....................................................................................... 19
2.2.6 Bộ băm kiểu đẩy kéo ( push – pull converter ) .......................................................................... 20
CHƯƠNG 3: CHỌN GIẢI PHÁP VÀ SƠ ĐỒ THIẾT KẾ ..................................................................................... 22
3.1. Giải pháp .......................................................................................................................................... 22
3.2. Chọn sơ đồ thiết kế .......................................................................................................................... 23
3.3 Phân tích nguyên lí mạch thiết kế ..................................................................................................... 24
CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN SƠ ĐỒ THIẾT KẾ ................................................................................................... 25

3


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, ngành điện - điện tử- tự
động hóa ngày càng phát triển mạnh mẽ. Rất nhiều sản phẩm thuộc ngành điện -điện tửtự động hóa đã được ra đời và giải quyết tối ưu những vấn đề khó của xã hội và thỏa mãn
được nhu cầu của xã hội, con người, doanh nghiệp và rất nhiều đã làm thay đổi thế giới.
Sản phẩm mà dễ thấy nhất và khá quan trọng trong đời sống hiện nay đó là đèn LED.
Đèn LED có được sử dụng rất phổ biến vì nó dễ sử dụng và có thể làm được nhiều mục
đích .Nhưng đèn LED có nhược điểm là tuổi thọ của nó thấp và chiếu sáng khơng ổn
định.
Từ lý do trên, trong môn học ― Đồ Án 2 ‖ ở trên trường em đã chọn đề tài thiết kế
―Thiết kế nguồn (driver) cho đèn LED công suất trung bình.‖ để hiểu rõ hơn về việc sự
dụng đèn LED và làm sao để bảo vệ, chiếu sáng ổn định và kéo dài tuổi thọ cho đèn
LED.
Do sự hiểu biết và kinh nghiệm trong lĩnh vực này còn hạn chế nên khơng tránh xảy
ra những sai sót trong q trình thực hiện, em rất mong được nhận sự giúp đỡ, đóng góp
của thầy cơ và bạn bè để có thể hoàn thiện hơn.
Sinh viên thực hiện

4


CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐÈN LED CÔNG SUẤT
TRUNG BÌNH
1.1 Giới thiệu về đèn LED
Thị trường đèn LED dự kiến sẽ tăng gần gấp 4 lần trong thập kỷ tới, từ 67,6 tỷ đô la
vào năm 2019 lên 262,8 tỷ đô la vào năm 2030, tốc độ tăng trưởng kép hàng năm
(CAGR) là 12,9%. Tính đến 2016, nhiều loại bóng đèn LED tiêu thụ chỉ khoảng 10–25%
năng lượng tiêu thụ bởi một bóng đèn sợi đốt, lại bền hơn đến 25 lần so với đèn sợi đốt.

Tương tự như đèn sợi đốt (và khác với đèn huỳnh quang), đèn LED đạt đến độ sáng
tối đa ngay lập tức mà khơng có độ trễ khởi động. Việc bật và tắt thường xuyên không
làm giảm tuổi thọ như với đèn huỳnh quang. Công suất ánh sáng (light output) giảm dần
theo tuổi thọ hoạt động của đèn LED.
Một số bóng đèn LED được dùng thay thế trực tiếp cho đèn sợi đốt hoặc đèn huỳnh
quang khi các loại đèn này bị hư hỏng. Trên vỏ hộp sản phẩm bóng đèn LED có thể hiển
thị cơng suất ánh sáng tính bằng Lumen (lm), cơng suất tiêu thụ tính bằng Watt (W),
nhiệt độ màu tính bằng Kelvin (K), hoặc mơ tả màu như "trắng ấm", "trắng mát" hoặc
"ánh sáng ban ngày", phạm vi nhiệt độ hoạt động, và đôi khi thể hiện cả công suất tương
đương với đèn sợi đốt cung cấp cùng công suất tính bằng lumen.

Hình 1.1 : Bóng đèn LED

5


Tương tự như đèn sợi đốt (và khác với đèn huỳnh quang), đèn LED đạt đến độ sáng
tối đa ngay lập tức mà khơng có độ trễ khởi động. Việc bật và tắt thường xuyên không
làm giảm tuổi thọ như với đèn huỳnh quang. Công suất ánh sáng (light output) giảm dần
theo tuổi thọ hoạt động của đèn LED.
Một số bóng đèn LED được dùng thay thế trực tiếp cho đèn sợi đốt hoặc đèn huỳnh
quang khi các loại đèn này bị hư hỏng. Trên vỏ hộp sản phẩm bóng đèn LED có thể hiển
thị cơng suất ánh sáng tính bằng Lumen (lm), cơng suất tiêu thụ tính bằng Watt (W),
nhiệt độ màu tính bằng Kelvin (K), hoặc mơ tả màu như "trắng ấm", "trắng mát" hoặc
"ánh sáng ban ngày", phạm vi nhiệt độ hoạt động, và đôi khi thể hiện cả công suất tương
đương với đèn sợi đốt cung cấp cùng cơng suất tính bằng lumen.
Đặc tính phát xạ có hướng của bóng đèn LED ảnh hưởng đến thiết kế của đèn. Một
bóng đèn LED có thể cung cấp lượng ánh sáng bằng với một bóng sợi đốt vốn tiêu thụ
điện năng hơn gấp nhiều lần; tuy nhiên, với hầu hết hệ thống chiếu sáng thông dụng,
người ta sử dụng nhiều đèn LED kết hợp với nhau. Điều này giúp tạo ra một bóng đèn

với chi phí rẻ hơn với những đặc tính được cải thiện tốt hơn, như khả năng phân bố ánh
sáng, tản nhiệt và chỉ số hồn màu.
Đèn LED sử dụng dịng điện một chiều (DC), trong khi mạch điện chính là dịng
điện xoay chiều (AC) và thường có điện áp cao hơn nhiều so với mức mà đèn LED có thể
chịu được. Do vây, bên trong đèn LED có thể chứa mạch điện để chuyển đổi nguồn điện
xoay chiều thành dòng điện một chiều ở mức điện áp phù hợp. Các mạch này chứa bộ
chỉnh lưu, tụ điện và có thể có các bộ phận điện tử hiệu dụng khác, như thiết bị điều
khiển tăng–giảm độ sáng của đèn. Trong bóng đèn LED dây tóc, mạch điều khiển được
đơn giản hóa vì nhiều mối nối LED được mắc nối tiếp có tổng điện áp hoạt động xấp xỉ
bằng điện áp nguồn điện xoay chiều. Đèn LED yêu cầu một hệ thống cung cấp điện
(mạch điều khiển) để điều khiển và tương tác với mạng điện chính. Nói chung, dạng sóng
dịng điện chứa một lượng độ nhiễu nhất định, tùy thuộc vào cơng nghệ của bóng đèn
LED.
Trước khi đèn LED được phát minh, ba loại đèn sau được sử dụng cho những nhu
cầu chiếu sáng thông dụng (ánh sáng trắng):
 Đèn sợi đốt, tạo ra ánh sáng nhờ vào dây tóc được đốt nóng bởi dịng điện và phát
sáng. Loại đèn này có hiệu quả rất thấp, với hiệu suất phát sáng khoảng 10–22
lumen/Watt (lm/W) và cũng có tuổi thọ ngắn (khoảng 1.000 giờ). Chúng đang bị loại bỏ
dần khỏi các ứng dụng chiếu sáng thông dụng. Đèn sợi đốt tạo ra bức xạ vật đen liên tục
tương tự như ánh sáng mặt trời, do đó tạo ra chỉ số hoàn màu (CRI) cao.

6


 Đèn huỳnh quang, tạo ra ánh sáng tử ngoại bằng sự phóng điện phát sáng giữa hai
điện cực trong ống áp suất thấp chứa hơi thủy ngân và argon, được chuyển thành ánh
sáng khả kiến nhờ lớp phủ phosphor huỳnh quang bên trong ống.[18] Loại đèn này hiệu
quả hơn đèn sợi đốt, có hiệu suất phát sáng khoảng 40–100 lm/W và có tuổi thọ cao hơn
với khoảng từ 6.000–20.000 giờ[15][17] và được sử dụng rộng rãi cho chiếu sáng dân
dụng và văn phòng. Đèn huỳnh quang tiêu thụ chỉ bằng khoảng 1/5 đến 1/3 năng lượng

tiêu thụ bởi đèn dây tóc có cùng độ sáng tương đương, đồng thời bền hơn gấp 20
lần.[19] Tuy nhiên, hàm lượng thủy ngân trong đèn huỳnh quang gây nguy hiểm đến môi
trường và sau khi sử dụng, đèn huỳnh quang phải được xử lý như chất thải nguy hại.
 Đèn halogen kim loại (metal-halide lamp), tạo ra ánh sáng bằng hồ quang giữa hai
điện cực trong không gian chứa argon, thủy ngân và các kim loại khác, iod hoặc brom.
Đây là loại đèn điện trắng hiệu quả nhất trước khi có đèn LED, với hiệu suất phát sáng
khoảng 80–115 lm/W và có tuổi thọ bóng đèn khoảng 6.000–10.000 giờ.[15] Tuy nhiên,
vì đèn halogen kim loại cần khoảng thời gian khởi động 5–7 phút trước khi bật, nên loại
đèn này không được sử dụng để chiếu sáng khu dân cư mà được dùng để chiếu sáng khu
vực công nghiệp và thương mại, dùng làm đèn an ninh ngoài trời và đèn đường. Giống
như đèn huỳnh quang, đèn halogen kim loại cũng chứa thủy ngân, là chất nguy hiểm.
Dưới góc độ là những thiết bị chuyển đổi năng lượng điện, tất cả các loại đèn trên
không hiệu quả, do biến đổi năng lượng vào thành nhiệt năng, thay vì chuyển thành ánh
sáng. Vào năm 1997, hệ thống điện chiếu sáng toàn cầu tiêu thụ 2.016 nghìn tỷ Watt-giờ
(W-h) năng lượng (tương đương cơng suất của 1.000 nhà máy phát điện lớn). Ở các nước
công nghiệp phát triển, việc chiếu sáng chiếm khoảng 12% trong tổng năng lượng điện
tiêu thụ. Sự khan hiếm của các nguồn năng lượng ngày càng tăng và chi phí mơi trường
để sản xuất năng lượng, đặc biệt là sự phát hiện ra hiện tượng ấm lên toàn cầu do carbon
dioxide thải ra từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch —là nguồn năng lượng lớn nhất để sản
xuất điện— đã tạo động lực để phát triển thêm những loại đèn điện tiết kiệm điện hơn.
Loại bóng đèn LED cơng suất thấp đầu tiên được phát triển vào đầu thập niên 1960,
và chỉ tạo ra ánh sáng ở bước sóng màu đỏ, tần số thấp của quang phổ. Năm 1968, các
loại đèn LED thương mại đầu tiên được ra mắt: Màn hình đèn LED của công ty HewlettPackard được phát triển bởi Howard C. Borden, Gerald P. Pighini, và kỹ sư người Ai
Cập Monhamed M.Atalla và đèn LED chỉ thị của Công ty Monsato. Tuy nhiên, đèn LED
ban đầu không hiệu quả và chỉ có thể hiển thị màu đỏ đậm, khiến chúng không phù hợp
cho việc chiếu sáng thông thường; do vậy, chúng chỉ được dùng ở màn hình hiển thị số
và đèn báo chỉ thị.

7

Đèn LED độ sáng cao màu xanh lam đầu tiên được NakamuraShuji thuộc công ty
Nichia Corporation giới thiệu vào năm 1994. Nhờ việc đèn LED xanh lam và đèn LED
hiệu suất cao được phát minh dẫn đến sự phát triển của 'đèn LED trắng' (white LED) đầu
tiên, sử dụng lớp phủ phosphor để chuyển đổi một phần ánh sáng xanh lam phát ra thành
ánh sáng có tần số đỏ và xanh lục, tạo ra ánh sáng có màu trắng. Akasaki Isamu, Amano
Hiroshi, và Nakamura Shuji sau đó đã được trao giải Nobel Vật lý năm 2014 cho việc
phát minh ra đèn LED xanh lam.

1.2 Đèn LED cơng suất trung bình
Cơng suất đèn LED là gì ?
Khái niệm cơng suất đèn LED
Công suất (Walt) là đại lượng biểu thị tốc độ tiêu thụ điện năng để thắp sáng trong
vòng 1h đồng hồ của đèn led.
Cơng thức tính: P = U * I. (Trong đó U là điện áp, I là cường độ nguồn).
Ý nghĩa:
+ Đây là thông số giúp người dùng lựa chọn được loại đèn phù hợp với mục đích
chiếu sáng; diện tích khơng gian.
+ Lựa chọn được đèn led có thơng số phù hợp giúp tiết kiệm lượng điện tiêu thụ;
giảm chi phí đầu tư chiếu sáng.
Lƣu ý khi lựa chọn cơng suất đèn led :
Xác định mục đích và nhu cầu sử dụng trước khi chọn:
+ Trước khi chọn mua công suất đèn, người mua phải xác định mục đích xem chiếu
sáng ở khơng gian nào. Từ đó, lựa chọn được loại đèn đáp ứng mục đích đó.
Ví dụ: nhà xưởng chuyên sản xuất đồ may mặc cần sử dụng đèn led công nghiệp
công suất cao để đảm bảo ánh sáng cho nhân cơng.
+ Chiếu sáng trang trí hoặc chiếu sáng hành lang; nhà vệ sinh thì nên chọn đèn công
suất nhỏ để tiết kiệm điện.
+ Xác định nhu cầu sử dụng trước khi chọn đèn: Tùy vào mỗi diện tích của nhà
xưởng hay nhà ở,.. khác nhau mà cơng suất cũng khác nhau.

Tính tốn chiếu sáng cho 1 phịng học:
+Xác định diện tích của phịng học bằng cách đo chiều dài, chiều rộng, chiều cao.
Từ đó tính tổng diện tích theo cơng thức: D x R x C.
+Chọn phương pháp tính tốn chiếu sáng bằng hệ số sử dụng hoặc cơng suất đơn vị.
Sau đó tính tổng quang thơng và số lượng bóng cần sử dụng.

8


+ Từ đó lựa chọn loại bóng đèn chiếu sáng có cơng suất phù hợp: đèn tp led 1m2
hoặc đèn led panel.
Tính tốn chiếu sáng nhà xưởng để chọn đèn phù hợp:
+ Trong quá trình thiết kế, đội ngũ kiến trúc sư phải tính tốn được khơng gian đó
cần độ rọi bao nhiêu; sử dụng loại đèn gì. Từ đó, sẽ xác định được công suất đèn led cần
mua.
+ Trước hết, cần tính tốn tổng lượng quang thơng cần sử dụng; tổng cơng suất cần
dùng. Sau đó, sẽ tính được số lượng bóng đèn đáp ứng ánh sáng cho diện tích đó.
+ Tính được số lượng đèn led cần sử dụng sẽ suy ra được thông số watt của mỗi đèn
cần sử dụng.

CHƢƠNG 2 : TÌM HIỂU VÀ PHÂN TÍCH MỘT SỐ MẠCH
NGUỒN CHO ĐÈN LED CƠNG SUẤT TRUNG BÌNH
Có rất nhiều loại mạch nguồn trên thị trường hiện nay, nhưng chung quy lại tất cả
các loại đều có chung nguyên lý biến đổi điện áp đầu vào để cho được điện áp đầu ra
thích hợp với từng loại thiết bị cần sử dụng.
Mạch nguồn sẽ gồm 1 đầu dây nối với nguồn điện để đưa dòng điện đi qua điện trở
hoặc biến áp nhỏ, 1 công tắc tự động nối LED, 1 bộ tạo xung và chỉnh lưu, tất cả mạch
này thường được điều khiển tự động bằng 1 IC nguồn để cho điện áp đầu ra. Về cơ bản sẽ
có 2 loại mạch nguồn: mạch nguồn xung và bộ biến đổi nguồn DC – DC.

2.1 Buck Converter ( bộ băm giảm áp )
2.1.1 Sơ đồ nguyên lý

Hình 2.1 : Sơ đồ nguyên lý
Bộ băm giảm áp bao gồm một công tắc đơn cực là một tranzitor được mắc nối tiếp
với điện áp vào một chiều u. Tranzitor được đóng mạch trong thời gian Ton với chu kỳ
9


đóng cắt là Tck. Khi tranzito T đóng mạch thì điện áp ở u’ là u (giả sử trong trường hợp
đóng mạch, điện áp trên T bằng 0). Khi nó cắt mạch, điện áp u’ giảm đột ngột về không
và để tránh điện áp ngược lớn đặt nên T, người ta sử dụng vịng phóng điện tự do hay
diode xả D.

2.1.2 Các đặc tính ra của bộ băm giảm áp

Hình 2.2 : Dạng sóng dịng điện và điện áp
Khi T đóng, giả sử thời điểm đó điện áp đặt lên nó bằng 0, có một điện áp
(u – uc) đặt lên L. Với điện áp hằng số này đặt lên cuộn dây L, dịng điện trong nó
tăng lên một cách tuyến tính với tỉ lệ :
di/dt = (u – uc)/L
(2.1)
Khi T cắt, dịng điện trong cuộn dây khơng thể thay đổi đột ngột nên điện áp đặt
lên L sẽ lập tức phản ứng đảo chiều để duy trì dịng điện i’. Nếu khơng có diode D, u’ có
thể đạt đến giá trị âm rất lớn để giữ dòng điện trong L theo hướng trước đó. Nhưng do lúc
này diode D đóng mạch và giữ cho điện áp đầu trên của D ln vào khoảng 1V nên T
khơng bị tình trạng q áp. Dịng i’ chạy qua T được đóng lại và nó được chuyển sang đi
10

qua diode D. Cực tính của điện áp đặt lên L đảo chiều và có độ lớn u’+1, dịng điện trong
L sẽ giảm tuyến tính với tỉ lệ
di/dt = (u’+1)/L
(2.2)
Ở cuối thời gian T cắt, dòng điện đi qua L giảm xuống I1 và tiếp tục chạy qua D.
Khi T lại được đóng trong chu kỳ tiếp theo và bắt đầu cấp dòng vào catod D sẽ
thay thế dòng qua diode, khi dịng qua T tăng tới I1 thì tất cả dòng qua D sẽ bị triệt tiêu và
D lại bị khố.
Dịng qua cuộn dây L sẽ là tổng của dịng qua T khi nó đóng và dịng qua D khi T
cắt. Dòng điện qua L được thể hiện ở hình 1.6. Nó là dịng điện có dạng lên xuống một
khoảng I2 ÷ I1 quanh dịng điện một chiều đầu ra IR, vì vậy giá trị trung bình của dạng tín
hiệu chính là giá trị IR.
Với ω là tần số góc tương ứng với tần số băm và α là tỉ số băm khi dẫn liên tục :
Khi 0 < ωt < 2лα, T dẫn :
i’= i, u’= U, uc  U  L

di '
dt

(2.3)

Khi 2лα < ωt < 2л, D dẫn :
i’= 0, u’= 0, uc   L

di '
dt

(2.4)

Dạng sóng hình 1.5 được vẽ khi giả thiết uc là khơng đổi. Vì điện áp trên điện cảm

bằng khơng, điện áp ra uc có giá trị trung bình bằng u’ :
uc  U '   .I .

(2.5)

Trong thực tế vì điện trở bản thân của điện cảm, Uc giảm đi một chút khi dòng điện
Uc/R tăng. Khi dòng điện bé, dịng điện khơng liên tục, Uc tiến tới U khi dòng điện tiến
tới 0. Để giảm sự đập mạch của điện áp ra cần tăng LCω2.

2.2 Boost Converter ( bộ băm tăng áp )
2.2.1 Sơ đồ nguyên lý

Hình 2.3 : Sơ đồ nguyên lý
11


Sơ đồ bộ băm áp song song Boost có điện áp ra ln lớn hơn điện áp vào. Nó
sử dụng các phần tử giống như sơ đồ Buck nhưng chúng được sắp xếp như hình
1.7 và có sự hoạt động khác so với sơ đồ Buck. Cuộn dây L được mắc nối tiếp với
Us và công tắc tranzito T. Điểm cuối của cuộn dây L cấp tới tụ điện đầu ra C và
điện trở tải thông qua diode D.
Hoạt động :
+) Khi T đóng trong thời gian Ton, D có điện áp ngược và dịng điện tăng lên
tuyến tính trong L1 đến giá trị đỉnh Ip = Us.Ton/L. Năng lượng tích luỹ trong cuộn
dây:
1
E  .L.( I p )2  0,5L.I p2
2

(2.6)

Trong q trình T đóng, dịng điện ra tải được cấp từ tụ đầu ra C có điện dung được
chọn đủ lớn trong thời gian Ton.
Khi T cắt, L được nạp đến giá trị điện áp lớn hơn Us qua diode D và cung cấp năng
lượng dự trữ của nó cho tải và bổ xung năng lượng cho tụ C. Đồng thời năng lượng đến
tải cũng được cung cấp từ nguồn điện vào U trong suốt thời gian T cắt.
Điện áp ra được điều chỉnh bởi việc điều khiển thời gian T đóng qua bộ phản hồi
âm. Nếu dịng điện tải một chiều tăng lên thì thời gian mở sẽ tự động tăng lên để cung
cấp đủ năng lượng địi hỏi của tải. Nếu điện áp U giảm thì tương tự thời gian Ton tăng để
duy trì điện áp ra cố định.

2.2.2 Các đặc tính ra của bộ băm tăng áp
Nếu dòng điện chạy qua D giảm xuống 0 trước khi T đóng trong chu kỳ tiếp theo,
thì tất cả năng lượng tích luỹ trong L trong q trình T đóng trước đó đã được cung cấp
hết cho tải và mạch điện làm việc ở chế độ gián đoạn.
Giả sử phần năng lượng E được cấp cho tải trong thời gian chu kỳ T, vì vậy nếu tất
cả năng lượng dự trữ trong cuộn dây được cung cấp hết cho tải trong một chu kỳ T thì
phần cơng suất được cấp từ L là:
PL 

0,5.L.( I p ) 2
T

(W )

(2.7)

Trong thời gian Toff dòng điện trong L giảm tuyến tính xuống 0 thì cũng có một
thành phần dịng điện cùng chiều chạy qua Us và cung cấp đến cho tải phần công suất Pdc
:

Pdc =

(2.8)
12


Tổng công suất cung cấp cho tải

+

Pt = PL + Pdc =

(2.9)

Trong đó :
Ip = U.Ton / L

(2.10)

Suy ra
Pt =

(

)(

)

(2.11)

Để đảm bảo dòng điện L1 giảm đến 0 trước khi bắt đầu q trình đóng tiếp theo, đặt
(Ton + Toff) = kT với k là hệ số nhỏ hơn 1 với.
Khi đó :
 U 2 .Ton 
Pt  
 .(kT )
2
T
.
L



(2.12)

Với điện áp đầu ra V0 và tải điện trở R0.
Ta có:
U 2 .Ton
U C2
k .R.Ton
(kT ) 
 UC  U .
2T .L1
R
2L

(2.13)

Hay
Uo = Udc.1/(1-α)

(2.14)
với α <1 : phần trăm dẫn của T trong một chu kỳ.
Khi 0 < ωt < 2лα, T dẫn :
di
dt

(2.15)

di '
dt

(2.16)

i’= 0, ic = -iR = - uc/R, u’ = 0, us  L
Khi 2лα < ωt <2л, D dẫn :
i’= i, ic= i - uc/R, uc = u’, us  uc  L

Từ đó suy ra dạng sóng khi dẫn điện liên tục với giả thiết uc và iR không đổi. Trong
khoảng đầu tiên dòng điện tăng và bằng sự giảm dòng điện ở khoảng thứ hai.
Ta có :
Us. 2лα + (Us - Uc).( 2л - 2лα) = 0
13

(2.17)


Uc 

Us
1

(2.18)

Trong thực tế, do điện trở trong của điện cảm, khi α tăng, tỷ số Uc/Us bằng 1 khi α
= 0, sau đó tăng lên rồi quá một cực đại và tiến tới 0 khi α tiến đến 1. Khi dịng điện nhỏ,
dịng điên khơng liên tục, Uc/Us tiến tới vơ cùng khi dịng điện tiến tới 0. Khi dẫn liên tục,
sự nhấp nhô của điện áp ra Uc tỷ lệ với dòng điện và tỉ lệ nghịch với ωC.

Hình 2.4 : Dạng sóng điện áp và dịng điện

2.2.3 Buck-Boost converter
Bộ chuyển đổi buck-boost là một loại bộ chuyển đổi DC-to-DC (hay cịn gọi là bộ
chopper ) có cường độ điện áp đầu ra lớn hơn hoặc nhỏ hơn cường độ điện áp đầu vào.
Nó được sử dụng để "nâng cấp" điện áp một chiều , tương tự như một máy biến áp cho
mạch điện xoay chiều.
Nó tương đương với một bộ chuyển đổi flyback sử dụng một cuộn cảm duy nhất
thay vì một máy biến áp. Hai cấu trúc liên kết khác nhau được gọi là bộ chuyển đổi buckboost.

14


Bộ chuyển đổi DC-DC còn được gọi là bộ chuyển đổi . Ở đây chúng ta sẽ xem xét
bộ chuyển đổi Buck Boost có thể hoạt động như một bộ chuyển đổi DC-DC Step-Down
hoặc một bộ chuyển đổi DC-DC Step-Up tùy thuộc vào chu kỳ nhiệm vụ.
Một bộ chuyển đổi Buck-Boost điển hình được hiển thị bên dưới.

Hình 2.5 : Sơ đồ nguyên lý
Nguồn điện áp đầu vào được kết nối với thiết bị trạng thái rắn. Công tắc thứ hai
được sử dụng là một diode . Điốt được kết nối ngược với hướng dòng điện từ nguồn, tới
tụ điện và tải và cả hai được nối song song như thể hiện trong hình 1.8

Cơng tắc điều khiển được bật và tắt bằng cách sử dụng Điều chế độ rộng xung
(PWM). PWM có thể dựa trên thời gian hoặc dựa trên tần số.
Nguồn điện áp đầu vào được kết nối với thiết bị trạng thái rắn. Công tắc thứ hai
được sử dụng là một diode . Điốt được kết nối ngược với hướng dòng điện từ nguồn, tới
tụ điện và tải và cả hai được nối song song như thể hiện trong hình trên.
Cơng tắc điều khiển được bật và tắt bằng cách sử dụng Điều chế độ rộng xung
(PWM). PWM có thể dựa trên thời gian hoặc dựa trên tần số.
Chế độ 1: Cơng tắc bật, diode tắt

Hình 2.6 : Mô tả chế độ 1
15


Cơng tắc bật và do đó đại diện cho một ngắn mạch lý tưởng cung cấp điện trở bằng
không đối với dịng điện để khi cơng tắc bật, tất cả dịng điện sẽ chạy qua cơng tắc và
cuộn cảm và quay trở lại Nguồn đầu vào DC.
Cuộn cảm lưu trữ điện tích trong thời gian cơng tắc bật và khi cơng tắc trạng thái
rắn tắt, cực tính của cuộn cảm đảo ngược để dòng điện chạy qua tải và qua diode và quay
trở lại cuộn cảm. Vì vậy chiều dịng điện qua cuộn cảm không đổi.
Giả sử công tắc bật trong thời gian T BẬT và tắt trong thời gian T TẮT . Chúng ta xác
định khoảng thời gian, T và tần số chuyển mạch.
(2.19)
Bây giờ chúng ta hãy xác định một thuật ngữ khác chu kỳ nhiệm vụ :
(2.20)
Trong khi thực hiện phân tích bộ chuyển đổi Buck-Boost, phải ghi nhớ rằng
1. Dòng điện dẫn là liên tục và điều này có thể thực hiện được bằng cách chọn
một giá trị L thích hợp.
2. Dịng điện dẫn ở trạng thái ổn định tăng từ giá trị có độ dốc dương đến giá
trị cực đại trong trạng thái bật và sau đó giảm trở lại giá trị ban đầu có độ
dốc âm. Do đó, sự thay đổi thực của dịng điện dẫn trong bất kỳ chu kỳ

hoàn chỉnh nào đều bằng khơng.
Chế độ II: Cơng tắc tắt, Diode bật
Vì cơng tắc mở trong một thời gian nên :

(2.21)
Chúng ta có thể nói như vậy

(2.22)
Chúng ta biết rằng D thay đổi trong khoảng từ 0 đến 1. Nếu D> 0,5, điện áp đầu ra
lớn hơn đầu vào; và nếu D < 0,5, đầu ra nhỏ hơn đầu vào. Nhưng nếu D = 0,5 thì điện áp
đầu ra bằng điện áp đầu vào .

16


Hình 2.7 : Mơ tả chế độ 2

2.2.4 Bộ băm tích lũy năng lƣợng điện cảm qua máy biến áp ( Flyback
converter )
2.2.4.1 Sơ đồ ngun lí

Hình 2.8 : Sơ đồ bộ băm Flyback
2.2.4.2 Nguyên tắc hoạt động
Trong thời gian T đóng có một điện áp đặt lên cuộn dây N1, dịng điện trong cuộn
dây tăng lên tuyến tính với tốc độ :
di/dt = (U - 1)/Lµ

( 2.23 )

Với Lµ là cảm kháng của cuộn dây.

Cuối khoảng thời gian đóng dòng sơ cấp tăng lên đến giá trị :
I1 

(U  1).Ton
L

(2.24 )

Do các cuộn dây mắc ngược cực tính, nên khi T đóng, diode bên phía thứ cấp khố,
năng lượng được dự trữ trong lõi biến áp, và có giá trị :
17


E

L1 ( I )2
2

(2.25)

Khi khóa ngắt, lõi xả năng lượng, điện áp đặt lên các cuộn dây có chiều ngược lại,
lúc này diode dẫn và cho ra điện áp UR.
Dòng diện trong cuộn thứ cấp giảm dần với độ dốc :
di’/dt=UC/LS

(2.26 )

Sơ đồ flyback có thể hoạt động hoặc là ở chế độ gián đoạn, hoặc là ở chế độ liên
tục. Ở chế độ gián đoạn, năng lượng dự trữ trong lõi MBA được tích lũy trong khoảng
thời gian khóa cơng suất dẫn sẽ được xả hồn tồn trong thời gian khóa cơng suất ngừng

dẫn. Ta dễ dàng nhận ra hiện tượng này nhờ việc kiểm tra điện áp khóa công suất và
lượng điện áp phản hồi tới đầu vào có cịn hay khơng trước khi một chu kỳ làm việc khác
được lặp lại. Trong khoảng thời gian kiểm tra này, cả khóa cơng suất và diode đều ngừng
dẫn, cho phép MBA xả hồn tồn năng lượng dự trữ. Cịn ở chế độ liên tục, khóa cơng
suất dẫn trước khi lõi giải phóng hồn tồn năng lượng.
Mặc dù hai chế độ làm việc liên tục và gián đoạn có mạch điện như nhau nhưng đặc
tính của chúng khác nhau đáng kể.
Dưới đây là đồ thị minh họa dạng điện áp và dịng điện ra ở hai chế độ :

Hình 2.9 : Dạng sóng dịng điện và điện áp ở chế độ liên tục
18


Hình 2.10 : Dạng sóng dịng điện và điện áp ở chế độ gián đoạn
So với chế độ gián đoạn, chế độ liên tục có khả năng cung cấp cơng suất cao hơn.
Nếu cùng một công suất đầu ra, đỉnh dòng điện ở chế độ gián đoạn cao hơn ở chế độ liên
tục, kết quả là dòng điện làm việc lớn hơn và tất nhiên tranzitor công suất đắt tiền hơn.
Tuy nhiên, chế độ gián đoạn vẫn được sử dụng rộng rãi hơn so với chế độ liên tục tương
ứng. Điều đó là do hai nguyên nhân:
+ Do điện cảm cuộn dây biến áp nhỏ hơn, nên chế độ gián đoạn nhanh chóng đáp
ứng xung điện áp hẹp ở đầu ra khi đột ngột thay đổi tải hay thay đổi nguồn cấp
+ Hai là, chế độ liên tục có nửa mặt phẳng phải chuyển đổi công suất nên cần điều
khiển vịng kín, gây khó khăn trong thiết kế.
Điện áp đẩu ra của bộ băm Flyback được tính:
Ur/Uv = D/n.(1-D)

(2.27 )

Trong đó :
D là độ rộng xung

n là tỷ số biến áp

2.2.5 Bộ băm nối tiếp ( Forward converter )
2.2.5.1 Sơ đồ nguyên lý
19


Hình 2.11 : Sơ đồ mạch băm xung kiểu Forward
Về cấu tạo, mạch forward gần giống flyback nhưng các cuộn dây biến áp của nó
được mắc cùng cực tính và có thêm một bộ lọc ngõ ra như hình 2.11 trên.
2.2.5.2 Nguyên tắc hoạt động

Không giống như flyback, trong mạch forward, các cuộn dây biến áp được
mắc cùng cực tính và năng lượng dự trữ trong cuộn cảm L và tụ C.
Khi khóa dẫn, có dịng điện cơ cấp I1 , tích luỹ năng lượng trong cuộn dây sơ
cấp. Vì cực tính cuộn dây sơ cấp và thứ cấp như nhau nên năng lượng này truyền
trực tiếp qua cuộn thứ cấp, qua mạch lọc và tới tải.
Khi khóa ngắt, điện áp trên cuộn dây thứ cấp đổi ngược, diode D1 khoá và D2
dẫn, tải được cấp năng lượng từ cuộn dây L và tụ C.
Bộ biến đổi forward cũng có hai chế độ làm việc : gián đoạn và liên tục.
Nhưng khác với bộ biến đổi flyback, bộ biến đổi forward thường được sử dụng ở
chế độ liên tục vì ở chế độ gián đoạn, nó rất khó điều khiển.
2.2.6 Bộ băm kiểu đẩy kéo ( push – pull converter )
2.2.6.1 Sơ đồ nguyên lý

20


Hình 2.12 : Sơ đồ băm kiểu đẩy – kéo
2.2.6.2 Nguyên lý hoạt động

Hoạt động của bộ mạch đẩy - kéo tương đối đơn giản. Tại một thời điểm chỉ có một
tranzitor đóng mạch cịn tranzitor kia ngắt mạch. Khi có một tranzitor đóng sẽ có dịng
điện chạy trong một nửa cuộn dây sơ cấp. Tương ứng sẽ có một nửa của cuộn thứ cấp
dẫn, đặt điện áp thuận lên bộ chỉnh lưu. Dòng điện sinh ra đi vào bộ lọc LC và được dự
trữ trong cuộn cảm và tụ điện. Điện áp đặt lên bộ lọc LC sẽ có giá trị bằng điện áp vào
nhân với hệ số MBA. Điều này tiếp diễn đến khi bộ điều khiển cắt tranzitor đang dẫn,
tiếp đó có một khoảng thời gian dự trữ an tồn ―dead-time‖ mà khơng có tranzitor nào
dẫn để đảm bảo khả năng cắt hồn tồn dịng điện trong mạch. Đối với tranzitor lưỡng
cực công suất, thời gian này vào khoảng 0,2s. Đối với các tranzitor trường, thời gian
này ngắn hơn khoảng từ 50÷100ns. Nếu khơng đảm bảo được điều này thì trường hợp cả
hai tranzitor cùng dẫn thì sẽ gây ngắn mạch trong MBA và tạo ra dòng điện phá hủy
tranzitor.
Điện áp ra được tính :
Ur/Uv=2.D/n
Trong đó :
n =N2/N1
D= Ton/Tck

21

(2.28 )


Hình 2.13 : Dạng sóng dịng điện và điện áp

CHƢƠNG 3: CHỌN GIẢI PHÁP VÀ SƠ ĐỒ THIẾT KẾ
3.1. Giải pháp
Qua chương 2 ta đã tìm hiểu một số nguồn xung phù hợp với đèn LED cơng suất
trung bình nhưng với thông số Uinnom = 220 AC, (Uinmin = 90V, Uinmax = 277V), f =
50Hz, đầu ra PFC: công suất 70W; Hiệu suất 0,9, tần số chuyển mạch 50kHz ta nhận thấy

mạch nguồn xung Fly-Back là phù hợp nhất với những thông số trên.
Chọn nguồn Fly – Back làm giải pháp cho các số liệu trên

22


Hình 3.1 : Giải pháp cho nghiên cứu

3.2. Chọn sơ đồ thiết kế

Hình 3.2 : Sơ đồ thiết kế mạch Fly-Back

23


3.3 Phân tích nguyên lí mạch thiết kế
Nguyên lý hoạt động:
Điện áp vào AC 220V sau khi qua cầu diode điện áp DC được chỉnh lưu tới một
mức nhất định, Tụ C1 có tác dụng lọc điện áp ra của cầu diode.
Khi dòng điện đi qua cuộn làm việc sơ cấp của máy biến áp sau đó tới chân D của
mosfet Q1 lúc này IC sẽ tạo ra xung kich tại chân G của Q1 lúc này Q1 sẽ đóng ngắt liên
tục từ D sang S và tạo ra nguồn xung.
Để bảo vệ quá dòng ta dùng điện trở R10 nối đất khi đó chân IS của IC sẽ lấy điện
áp rơi trên R10 đến một ngưỡng nhất định của IS thì IC sẽ tự động ngắt.
Cuộn hồi tiếp của máy biến áp có tác dụng cấp nguồn ni VCC cho IC dao động
tiếp tục hoạt động.
Khi mới cấp điện do biến áp chưa hoạt động, cuộn hồi tiếp chưa có điện áp cảm
ứng ra nên ta phải cấp một điện áp mồi vào chân VCC bằng cách dùng R2 phân áp để cấp
điện áp mồi cho IC bắt đầu làm việc, khi IC bắt đầu làm việc nó sẽ tạo xung dao động ở
chân OUT kích cho chân G mosfet bắt đầu làm việc lúc này biến áp sẽ có dịng biến thiên

chạy qua và cuộn hồi tiếp sẽ có điện cảm ứng.
Nguồn ni sẽ đi qua diode D5 có tác dụng chỉnh lưu nguồn ni, tụ C5 có tác
dụng lọc nguồn.
Khi mosfet hoạt động sẽ tạo ra một điện áp ngược ở trên cuận sơ cấp do đó dòng
điện dương sẽ đi ngược qua một mạch dập xung ngược gồm có diode D4, điện trở R1 và
tụ C1 có tác dụng dập xung ngược về đúng chiều hoạt động.
PC817 có tác dụng làm ổn định đầu ra khi tải thay đổi hoặc điện áp vào thay đổi.
Khi nguồn có xu hướng thay đổi thì điện áp đưa về chân R của transistor TL431
cũng thay đổi (dòng chảy từ K sang A cũng thay đổi) dẫn tới LED bên trong opto qang
PC817 phát sáng:
Phát sáng yếu thì dịng chảy trong PC817 yếu dẫn đến điện áp chân INV của IC sẽ
có xu hướng giảm lúc này IC sẽ nhận biết được điện áp ra đang có xu hướng giảm và tự
động tăng dòng hoạt động của mosfet lên để duy trì điện áp đầu ra ln ổn định.
Phát sáng mạnh (ngược lại)
Tụ C9 có tác dụng dập xung nhiễu của điện áp hồi tiếp.

24


CHƢƠNG 4: TÍNH TỐN SƠ ĐỒ THIẾT KẾ
Tính tốn :
Chọn cầu trì :

= 0,3 A => 0,3 . 1,5 = 0,45

=> chọn cầu trì bằng 0,5 A
Chọn varistor : V250NA4 : 250
Chọn tụ C5, C6, C8, C9 =0,1µF

C2 = 100µF

Điện áp sau chỉnh lưu
U2 = √ U1 = 220. √ = 311V
Chọn điot cầu :
{

=>

{

Chọn 4 Con điot : 1N4004

Hình điot 1N4004
Chọn tụ C3:
311=> Vtụ >1,5.V1=466,5V


Chọn tụ có điện dung là : {



C = 4700

/
25