Giáo trình Điện tử công suất và ứng dụng (Nghề: Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa - Trình độ Cao đẳng): Phần 2 - Trường Cao đẳng Nghề An Giang

Bài 3. BIẾN ĐỔI DC-DC (DC-DC converter)
A. MỤC TIÊU
- Trình bày được nhiệm vụ và chức năng từng khối của bộ biến đổi DC - DC.
- Lắp ráp được bộ biến đổi DC - DC không cách ly.
- Lắp ráp được bộ ổn áp tuyến tính khả điều chỉnh.
- Kiểm tra, sửa chữa được những hư hỏng trong mạch biến đổi DC - DC theo đúng yêu cầu
kỹ thuật.
- Sử dụng đúng chức năng các loại mạch biến đổi DC - DC đáp ứng từng thiết bị điện điện
tử thực tế
B. NỘI DUNG
I. Đại cương về biến đổi DC - DC.
1. Khái quát về điều áp một chiều
Bộ biến đổi DC-DC là bộ điều khiển dòng điện và điện áp một chiều khi nguồn cấp là 1
chiều.
Các phương pháp điều áp 1 chiều
- Điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện trở.
- Điều khiển liên tục bằng cách mắc nối tiếp với tải 1 Transistor.
- Điều khiển bằng băm áp (xung áp).
2. Điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện trở
Sơ đồ

Hình 3.1. Điều áp bằng mắc nối tiếp điện trở

67


Dịng điện và điện áp được tính:

U
U
1

1 .R
;U =
I =
d
d R +R
d R +R
f
d
f
d
Nhược điểm của phương pháp là hiệu suất thấp và khơng điều chỉnh liên tục khi dịng
tải lớn
3. Điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một transistor
a. Sơ đồ

Hình 3.2. Điều áp bằng mắc nối tiếp transistor
Dịng điện và điện áp được tính:
IC = ßIB ; UT = U1 – IC.Rd
Điện áp qua Rd: Ud = Ic.Rd = ßIB Rd
Nhược điểm của phương pháp là tổn hao trên transistor lớn, phát nhiệt nhiều làm
transistor dễ hỏng.
4. Điều khiển bằng băm áp (băm xung)
Băm áp một chiều là bộ biến đổi điện áp một chiều thành xung điện áp. Điều chỉnh độ
rộng xung điện áp, điều chỉnh được trị số trung bình của tải.

Hình 3.3. Điều áp bằng băm xung
Các bộ băm áp một chiều có thể thực hiện theo sơ đồ mạch nối tiếp) phần tử nối tiếp
đóng cắt với tải) hoặc theo sơ đồ mạch song song.
68

5. Nguồn cấp trong băm xung 1 chiều
Nguồn áp: là nguồn mà dạng sóng và giá trị điện áp của nó khơng phụ thuộc vào dịng
điện)kể cả giá trị cũng như tốc độ biến thiên).
Đặc trưng cơ bản của nguồn áp là điện áp không đổi và điện trở trong nhỏ để sụt áp
trong nguồn nhỏ.
Nguồn dòng: là nguồn mà dạng sóng và giá trị dịng điện của nó khơng phụ thuộc vào
điện áp của nó (kể cả giá trị cũng như tốc độ biến thiên).
Đặc trưng cơ bản của nguồn dịng là dịng điện khơng đổi và điện trở lớn để sụt dịng
trong nguồn nhỏ.
Tính thuận nghịch của nguồn
Nguồn có tính thuận nghịch
- Điện áp có thể khơng đảo chiều (acquy) hay đảo chiều (máy phát điện một chiều)
- Dịng điện thường có thể đảo chiều
- Cơng suất p = u.i có thể đổi chiều khi một trong hai đại lượng u, i đảo chiều.
Cải thiện đặc tính của nguồn
- Nguồn áp thường có Ro, Lo, khi có dịng điện R0i, L(di/dt) làm cho điện áp trên cực thay
đổi. Để cải thiện đặc tính của nguồn áp người ta thường mắc song song với nguồn 1 tụ.
- Tương tự, nguồn dịng có Z0 = ∞. Khi có biến thiên du/dt làm cho dòng điện thay đổi. Để
cải thiện đặc tính nguồn dịng người ta mắc nối tiếp với nguồn 1 điện cảm.
- Chuyển đổi nguồn áp thành nguồn dòng và ngược lại:

Hình 3.4. Chuyển đổi qua lại nguồn
II. Bộ ổn áp
1. Sơ lược về lý thuyết ổn áp
Mạch ổn áp một chiều còn được gọi là mạch biến đổi DC-DC, đây là một mạch biến
đổi từ điện áp một chiều này thành điện áp một chiều khác.
69

Hình 3.5. Sơ đồ khối bộ ổn áp
Thơng thường, ổn áp được phân thành 2 loại:
- Ổn áp tuyến tính.
- Ổn áp ngắt mở (switching regulator).
Dù là loại nào, một mạch ổn áp cũng phải đạt 2 chức năng:
- Ổn định điện áp ngõ ra khi điện áp ngõ vào thay đổi và khi dòng tải thay đổi.
- Giảm đến mức thấp nhất sóng dư ở ngõ ra.
2. Ổn áp tuyến tính
Trong bài thí nghiệm này ta khảo sát mạch ổn áp tuyến tính dạng nối tiếp. Sơ đồ khối
như sau:

Hình 3.6. Sơ đồ khối bộ ổn áp tuyến tính
70


- Công suất ổn áp: Thường là một transistor công suất lớn, hoạt động như một điện
trở thay đổi.
- So sánh: So sánh điện thế lấy mẫu và điện thế chuẩn để tạo thành điện thế điều khiển
VDK để điều khiển mạch kích tạo dịng kích cho cơng suất.
-

Chuẩn: Tạo điện thế chuẩn Vref cho mạch so sánh (thường dùng zener).

- Lấy mẫu: Lấy một phần điện thế ngõ ra so sánh với điện thế chuẩn (điện thế lấy mẫu
thay đổi theo điện thế ngõ ra vo).
Nguyên tắc hoạt động: vo=vi-AV
Giả sử khi vo thay đổi (vì lý do nào đó), điện thế lấy mẫu thay đổi theo trong khi điện
thế chuẩn không đổi nên ngõ ra VDK của mạch so sánh thay đổi, điện thế VDK này điều
khiển mạch kích và cơng suất thay đổi độ hoạt động (chạy mạnh/chạy yếu) để thay đổi
AV sao cho vo ổn định.

3. Ổn áp tuyến tính dùng zenner transistor

Hình 3.7. Mạch ổn áp cơ bản dùng zener transistor
Q1: Công suất ;
Q2: Thúc (kiểu darlington) ;Q3: So
sánh
Zener D: tạo điện thế chuẩnR3,
R4,VR: Lấy mẫu
71


C2: Giảm sóng dư ngõ ra
Do dịng tải IL chạy thẳng và thường trực qua Q1 nên Q1 phải có công suất lớn và
phải được giải nhiệt cẩn thận. Mạch thường có một điện trở R cơng suất lớn để chia bớt
dịng qua Q1
4. Ổn áp ngắt mở
-

Tuy có rất nhiều dạng, nhưng đa số đều dùng phương pháp biến điệu độ rộng xung.

Nguyên lý chung vẫn như mạch ổn áp tuyến tính nhưng thay mạch khuếch đại kích
bằng một mạch dao động tạo sóng vng. Tín hiệu ra của mạch dao động kích vào
transistor cơng suất ổn áp (thường là BJT hoặc MOSFET công suất lớn), mức cao của
xung vng làm transistor bảo hịa, mức thấp làm transistor ngưng. Như vậy công suất ổn
áp hoạt động như một chuyển mạch (switch).
Dao động tạo xung vng có thể là đa hài (công suất độc lập với mạch dao động)
hoặc thông dụng hơn là dao động blocking (công suất tham gia vào mạch dao động) do
cách ly được mass điện.

Hình 3.8 Ổn áp ngắt mở

72


-`

Khi chưa mắc tụ lọc ngõ ra, v0 có dạng xung với biên độ đỉnh bằng vi khi SW ở

trạng thái ON và v0=0 khi SW ở trạng thái OFF. Trị trung bình của v0 là
Ta thấy: Để thay đổi trị trung bình ngõ ra vo ta có thể:
-

Thay đổi thời gian SW ở trạng thái ON (Transistor dẫn bảo hòa)

-

Thay đổi tần số của mạch dao động (Tức thay đổi chu kỳ T)

-

Hoặc thay đổi cả hai

Thực tế, để tiện việc thiết kế và kiểm soát, thường người ta giữ nguyên tần số dao động
(thực tế trong máy thu hình, monitor máy tính…. Người ta dùng xung qt ngang đưa về
để giữ cho tần số dao động bằng với tần số quét ngang), tín hiệu lấy mẫu chỉ làm thay đổi
độ rộng của xung vuông tức thay đổi thời gian dẫn, ngưng của transistor công suất, tức Tx.
-

Để ổn định vo, thí dụ khi vi cao người ta giảm Tx, khi vi giảm người ta tăng Tx.

Mạch thường được thiết kế ở tần số khá cao (hơn 10KHz) nên tụ lọc ngõ ra không
cần lớn mà vẫn bảo đảm được việc giảm tối đa sóng dư (vo gần lý tưởng).
Để tạo ra nhiều loại điện áp khác nhau, nhất là cách ly được mass điện và mass máy
(chống giật), người ta thường thiết kế bộ nguồn có biến áp xung. Tùy theo tần số hoạt động
của mạch và số vịng cuộn sơ cấp, thứ cấp mà ta có được các điện áp khác nhau theo yêu cầu.
D
B1

B+

-

B2

OSC

SW

D

Hình 3.9. Sơ đồ mạch ổn áp ngắt mở
III. Bộ băm áp (chopper)
1. Bộ băm tăng áp (boost)
Sơ đồ

73


Hình 3.10. Sơ đồ mạch tăng áp boost
Mạch điện này sẽ gồm 4 linh kiện điện tử cơ bản đó là cuộn dây L1, khóa chuyển mạch

Mosfet ( có thể là BJT) ,diode D1 và tụ điện C1.
Chức năng của mạch này là biến đổi điện áp vào từ điện áp thấp thành điện áp ra cao
hơn.
Hoạt động
Khi Mosfet dẫn (kích vào chân G) lúc này điện áp trở L1 = Vin (giả thiết van là lý
tường tức khi thông dòng trở CE bằng 0) lúc này diode D1 ngắt do bị phân cực ngược và nó
sẽ cắt mạch tải ra khỏi nguồn E đồng thời dòng trong cuộn dây L sẽ xuất hiện và tăng từ dần
từ giá trị ban đầu là Imin nào đó, lúc này dịng qua tải được duy trì nhờ tụ C đóng vài trị là
nguồn (Tụ C phóng) và đến thời điểm ta cho Mosfet ngắt lúc này trên cuộn dây L1 xuất hiện
1 điện áp tự cảm chống lại sự giảm dòng il. Điện áp tự cảm này cộng với nguồn Vin có chiều
+ đặt vầo chân Anot của diode làm diode dẫn ngay lập tực và nó nạp bổ xung cho tụ C. Quá
trình như vậy cứ lặp đi lặp ra và có điện áp cấp cho tải.
Ngày nay các nhà sản xuất đã tích hợp sẵn những phần tử khóa chuyển mạch sẵn trong
những IC chuyên dụng và những ic đó gọi là IC boost điển hình trong thực tế đó là IC
LM27313.

Hình 3.11. Sơ đồ mạch tăng áp boost dùng LM27313
74


Nguyên lý hoạt động: Nhìn vào sơ đồ trên các bạn thấy nó vẫn bao gồm những linh kiện
cơ bản trong mạch boost đó là cuộn dây L1 ,diode D1, tụ điện C3 và khóa chuyển mạch nó
tích hợp sẵn trong IC LM27313 . Hai điện trở R2, R3 có nhiệm vụ lấy mẫy điện áp đầu ra đưa
về chân feedback để khống chế dao động nếu điện áp ra bị tăng quá cao hoặc bị giảm quá thấp.
Ứng dụng
Mạch tăng áp boost thường được dùng làm mạch nguồn DC cần nguồn điện áp tăng so
với nguồn đã có. Ngồi ra mạch boost còn được dùng làm mạch desunfat bảo dưỡng ắc quy,
cấp nguồn cho các thiết bị đòi hỏi điện áp cao cỡ vài chục Vôn nhưng nguồn cấp có điện áp
thấp cỡ 1.5V hay 3.7V .Nâng áp trong các mạnh nguồn xung như TV, LED.
2. Bộ băm giảm áp (buck).

Sơ đồ

Hình 3.12. Sơ đồ mạch giảm áp buck
Mạch điện này cũng gồm 4 linh kiện điện cơ bản đó là: Khóa chuyển mạch điện tử,
diode D1, cuộn dây L1 và tụ điện C1
Hoạt động
Khi Transistor dẫn khi đó dịng qua transistor cũng chính là dịng qua L1 và nạp vào
cho tụ điện và duy trì dịng qua tải. Dịng qua L1 và dịng nạp vào tụ C1 khơng tăng đột ngột
mà tăng từ từ khi đó điện áp ra trên tải cũng tăng từ từ ,lúc này diode D1 khơng dẫn vì bị phân
cực ngược.
Khi transistor tắt dịng qua tải được lấy từ cuộn cảm L1 và một phần nhỏ của tụ điện
C1 (tụ phóng) lúc này diode D1 dẫn ngay lập tức và dòng qua tải lúc này chính là dịng qua
diode. Diode D1 bắt buộcphải có để bảo vệ transistor khỏi bị hỏng do điện áp ngược đặt lên
nó khi cắt dịng. Điện áp ngược do cuộn cảm L1 sinh ra cộng với nguồn E có thể đánh chết
tranistor ngay lập tức.
75


Trong thực tế mạch buck không chỉ tạo ra được điện áp dương mà cịn có thể tạo ra
được điện áp âm ,sơ đồ mạch điện vẫn gồm 4 linh kiện chính là khóa chuyển mạch, cuộn cảm
L1, diode D1 và C1 nhưng diode D1 với cuộn cảm L1 đổi chỗ cho nhau và đảo cực của tụ
hóa C1, về nguyên lí hoạt động vẫn giống hệt mạch buck tạo điện áp dương.

Hình 3.13. Sơ đồ mạch buck nguồn âm đơn giảng
Ứng dụng
Mạch tăng áp buck thường được dùng làm mạch nguồn DC cần nguồn điện áp tăng so
với nguồn đã có. Ngồi ra mạch buck cịn được dùng trong bộ chuyển độ POL cho máy tính
để bàn và máy tính xách tay, trong bộ sạc pin, ….
IV. Nguồn ổn áp đóng cắt
Bộ nguồn đóng – cắt (nguồn xung) là một bộ nguồn rất nhẹ và có hiệu suất cao sử dụng

xung đóng – cắt để điều khiển đóng mở thiết bị cơng suất (linh kiện đóng ngắt trong mạch) để
điều áp ở ngõ ra. Năng lượng điện được điều tiết theo ngun tắc đóng – mở vì vậy chúng rất
tiết kiệm năng lượng só với bộ nguồn tuyến tính.
Nhược điểm duy nhất của chúng là rất khó tìm ra lỗi hỏng hóc để sửa chữa mà chỉ có
thể thay thế cả block hay cả bộ nguồn, tuy nhiên nhược điểm này cũng không gây phiền hà
nhiều cho người sử dụng do giá thánh của các bộ nguồn này cũng ngày càng giảm do công
nghệ điện tử càng ngày càng phát triển.
Trong một bộ nguồn xung, nguồn xoay chiều AC được chỉnh lưu ngay thành dịng một
chiều, tiếp đó dịng một chiều này được băm với tần số cao 20-40KHz nhờ các phần tử bán
dẫn cao tần như các transistor MOS hay IGBT, kết hợp với các biến áp cao tần để điều chỉnh
điện áp 1 chiều ở đầu ra. Biến áp cao tần này sẽ nhỏ hơn nhiều so với biến áp tần số thấp. Do
công suất nguốn được hiệu chỉnh theo phương pháp điều độ rộng xung PWM Pulse Width
Modulation (điều chế độ rộng xung PWM - sẽ tìm hiểu ở bài tiếp theo) nên năng lượng điện
thất thoát cũng nhỏ hơn rất nhiều.

76


Nguồn xung hiện nay có rất nhiều loại khác nhau nhưng nó được chia thành 2 nhóm
nguồn : Cách ly và khơng cách ly[separator]
Nhóm nguồn khơng cách ly:
+ Boots
+ Buck
+ Buck - Boost
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. Sau đây là nguyên tắc hoạt động của từng
bộ nguồn trên mình chỉ nói về các bộ nguồn hay dùng trong thực tế.
1. Nguồn Push – pull
Đây là dạng kiểu nguồn xung được truyền công suất gián tiếp thông qua biến áp, cho
điện áp đầu ra nhỏ hơn hay lớn hơn so với điện áp đầu vào. từ một điện áp đầu vào cũng có
thể cho nhiều điện áp đầu ra. Nó được gọi là nguồn đẩy kéo.

Hình 3.14. Sơ đồ nguồn Push-pull
Đối với nguồn xung loại Push-Pull này thì dùng tới 2 van để đóng cắt biến áp xung và
mỗi van dẫn trong 1 nửa chu kì. Nguyên tắc cũng gần giống với nguồn flyback
Khi A được mở B đóng thì cuộn dây Np ở phía trên sơ cấp có điện đồng thời cảm ứng sang
cuộn dây Ns phía trên ở thứ cấp có điện và điện áp sinh ra có cùng cực tính.
Dịng điện bên thứ cấp qua Diode cấp cho tải. Như trên hình vẽ khi B mở và A đóng
thì cuộn NP phía thứ cấp có điện và điện áp này sinh ra cũng cùng cực tính. Như trên hình vẽ.
77


Với việc đóng cắt liên tịc hai van này thì ln xuất hiện dịng điện liên tục trên tải. Chính vì
ưu điểm này mà nguồn Push Pull cho hiệu suất biến đổi cao nhất và được dùng nhiều trong
các bộ nguồn như UPS, Inverter.
Một số lưu ý khi dùng nguồn đẩy kéo:
+ Trong một thời điểm thì khơng được cả hai van cùng dẫn. Mỗi van chỉ được dẫn
trong một nữa chu kỳ. Khi van này mở thì van kia phải đóng và ngược lại.
+ Thời gian mở các van phải chính xác, giữa hai van cần có thời gian chết để đảm bảo
hai van khơng cùng dẫn.

78

Hình 3.15. Sơ đồ một dạng mạch Push -pull

Trong mạch hình 3.15 thì nguồn đẩy kéo chỉ giữa chức năng là nâng điện áp từ 12V
lên tới 310V. TL494 làm chức năng tạo xung đóng cắt có thời gian chết để điều khiển các van
đóng cắt.
2. Nguồn Buck - Boost
Mạch nguồn buck –boost là mạch Mạch tạo điện áp trái dấu, với đầu vào DC (âm hoặc
dương) điện áp đầu ra trái dấu với điện áp đầu vào và có trị tuyệt đối có thể lớn hơn hoặc nhỏ
hơn điện áp đầu vào.

Hình 3.16. Sơ đồ dạng mạch Buck-boost
Khi cơng tắc đóng, điện áp vào Vin khiến dịng đi qua cuộn dây tăng lên. Lúc này dòng
cấp cho tải chỉ là dịng do tụ phóng ra.
Khi cơng tắc mở, điện áp vào Vin bị ngắt ra. Dòng đi qua cuộn dây giảm dần khiến điện
áp trên nó tăng lên. Điện áp này nạp vào tụ đồng thời mở thơng diode D dẫn dịng phóng ra từ
cuộn dây cấp nguồn cho tải.
V. Nguyên tắc tạo tín hiệu điều khiển cho bộ biến đổi DC - DC.
Tất cả các loại nguồn DC – DC điều áp theo phương pháp đóng cắt đều có dạng điện
áp đầu ra theo kiểu xung vng với tần số xác định nào đó. Tín hiệu điều khiển của các van
cơng suất đóng cắt cũng là các xung vng với tần số đóng cắt tùy thuộc vào tính chất của
từng mạch nguồn. Tín hiệu xung vng điều khiển đó được gọi là Pulse Width Modulation
(PWM).

79


Hình 3.17. Dạng xung PWM điều khiển nguồn DC-DC
Điện áp ở dạng xung vuông với chu kỳ TP, độ rộng Ton chính là thời gian xung ở điện
áp đỉnh Vpk (Ton <= Tp). Xung vuông sau khi cho qua mạch lọc LC sẽ bị san phẳng thành
điện áp một chiều có giá trị Vout như hình vẽ. Ta có thể điều chỉnh điện áp Vout theo ý mình
bằng cách điều chỉnh độ rộng xung Ton, Ton càng lớn thì Vout càng lớn và ngược lại. Đây chính

là nguyên tắt điều khiển chung của các mạch nguồn DC- DC.
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP
1. Hãy nêu các dạng nguồn ổn áp đã học và vẽ sơ đồ, giải thích hoạt động của các dạng
mạch nguồn ổn áp.
2. Vẽ sơ đồ, giải thích hoạt động của mạch nguồn dạng boost.
3. Vẽ sơ đồ, giải thích hoạt động của mạch nguồn dạng buck.
4. Vẽ sơ đồ, giải thích hoạt động của mạch nguồn dạng buck-boost.
5. Vẽ sơ đồ, giải thích hoạt động của mạch nguồn dạng push-pull.
6. Cho mạch ổn áp có sơ đồ sau:

Hình 3.18. Sơ đồ mạch ổn áp
80


Với vi được cấp từ một nguồn thay đổi bên ngồi
a/ Giải thích ngun lý hoạt động của mạch (khi vi và IL thay đổi)
b/ Cấp vI = +18V, đo điện thế ngõ ra vo , chỉnh VR theo hai chiều. Nhận xét và giải thích.
c/ Chỉnh VR để vo=+12V, cho vi thay đổi từ +15V
sau và vẽ đồ thị vo=f(vi). Nhận xét.

+20V, đo vo, lập bảng theo mẫu

Vi

+18V

+15V

+16V

+17V

+19V

+20V

vo

d/ Cấp vi=+18V, Đo vo khi thay đổi IL (bằng cách thay đổi RL)

RL

R1(100)

R2(50 ) R3(100/3)

R4(25)

IL
vo
Vẽ đồ thị vo = f(IL). Nhận xét.
e/ Khơng mắc tụ C vào mạch, quan sát sóng dư ngõ ra. Lập lại thí nghiệm. Khi mắc tụC
vào mạch. Nhận xét và giải thích.
f/ Giả sử khơng mắc Co vào mạch, vo bị ảnh hưởng gì? Giải thích?
6. Cho mạch ổn áp có sơ đồ sau:

81


Ghi chú quan trọng:

* Trong mạch có 2 mass, một mass điện và 1 mass máy. Sinh viên khi làm thực tập
phảithật cẩn thận, tránh bị điện giật.
* Trong bài thực tập dùng SCR và
Hình 3.19. Sơ đồ mạch ổn áp dùng IC KA842

82


Hình 3.20. Sơ đồ cấu tạo vi mạch KA 842
IC KA3842 là IC dao động điều khiển mạch nguồn Switching được sử dụng rất
nhiều trong các mạch nguồn monitor máy tính. IC này hoạt động theo kiểu biến điệu độ
rộng xung (pulse width modulation). IC có khả năng tạo nguồn chuẩn Vref=+5V tại chân
8, mạch so sánh cảm nhận về điện áp để khoá mạch biến điệu độ rộng xung bên trong.
Chân4 mắc R, C định tần số dao động, xung biến điệu độ rộng được thực hiện bởi mạch
FF RScấp cho mạch khuếch đại Push-Pull thông qua cổng OR.
Khi mở máy, chân 7 được cấp nguồn từ điện thế 300V để khởi động mạch, sau đó
điện thế cảm ứng lấy từ cuộn 1-3 sẽ đuợc chỉnh lưu để cấp nguồn ổn định cho IC3842. Cuộn
1-3 còn được dùng để lấy mẫu ngõ ra để đưa về mạch so sánh (chân 1-2). Zener 18V và SCR
giữ vai trò bảo vệ khi điện áp vượt quá cao.
Yêu cầu: Khảo sát mạch và thực hiện các công việc sau:
Để hở công suất nguồn, khảo sát IC3842
83


a/ Đo điện áp DC chân 7 khi mạch hoạt động ổn định. Lúc này zener 18V và SCR dẫn hay
ngưng?
b/ Đo điện áp DC tại chân 2. Điện áp này dùng làm gì? Có thay đổi theo điện áp ngõ ra B1 và
B2 không? Tại sao?
c/ Quan sát và vẽ lại dạng sóng chân số 4
d/ Quan sát và vẽ lại dạng sóng tại ngõ ra (chân 6). Chỉnh biến trở 5K, dạng sóng ngõ ra thay

đổi như thế nào?
2. Nối công suất nguồn vào mạch
a/ Đo B1 khi 𝑹𝑳 =

𝟒.𝟕
𝟐

𝑲

b/ Thay đổi RL bằng cách không nối rồi nối lần lượt JP1, JP2, JP3, đo B1, lập bảng:

c/Vẽ đồ thị B1 theo IL. Nhận xét?
d/ Đo B1, chỉnh VR=5K. Nhận xét và cho biết chức năng của VR.

84


BÀI 4. PHƯƠNG THỨC ĐIỀU RỘNG XUNG (PWM)
Mục tiêu của bài:
- Tối ưu hóa bộ nguồn đóng cắt dùng phương thức điều chế độ rộng xung.
- Thiết kế được các mạch ổn áp dùng phương thức điều rộng xung.
- Kiểm tra, sửa chữa được các bộ điều rộng xung và cách khử hài trong bộ điều rộng xung.
I.

Chiến lược cực tiểu hóa tổn hao cơng suất ở nguồn đóng cắt

Nguồn đóng cắt (Switching) được sử dụng ngày càng rộng rãi do có ưu điểm hiệu suất cao, ít
tỏa nhiệt và kích thước nhỏ hơn nhiều so với nguồn tuyến tính có cùng cơng suất.
Có 4 loại nguồn nguồn xung thơng dụng nhất là:
+ Buck: biến đổi điện áp DC đầu vào thành đầu ra DC có điện áp nhỏ hơn.

+ Boost: ngược lại so với Buck, điện áp đầu ra lớn hơn đầu vào.
+ Buck-Boost (invert): Tạo điện áp âm có trị tuyệt đối lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp vào (điều
chỉnh được).
+ Flyback: tạo điện áp dương có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp vào (điều chỉnh được).
1. Các thành phần chính của nguồn switching: Cuộn cảm, biến áp và PWM
Cuộn dây
– Điện áp trên cuộn dây và dịng điện đi qua nó liên hệ theo phương trình sau: V= L(di/dt).
– Từ phương trình trên ta rút ra được 2 đặc tính quan trọng của cuộn dây:
+ Chỉ có điện áp rơi trên 2 đầu cuộn dây khi dịng điện đi qua nó biến thiên.
+ Dịng đi qua cuộn dây không thể thay đổi đột ngột, bởi vì để làm được điều đó ta cần mức
điện thế vơ cùng lớn. Dịng qua cuộn dây thay đổi càng mạnh thì điện áp rơi trên nó càng lớn.
Biến áp
– Biến áp cấu tạo bởi 2 hoặc nhiều cuộn dây có quan hệ từ tính với nhau.Hoạt động của biến
áp là biến điện áp xoay chiều đầu vào sơ cấp thành điện áp thứ cấp có giá trị to hơn hoặc nhỏ
hơn tùy theo số vòng dây quấn. Biến áp không tạo thêm năng lượng, cho nên năng lượng ở 2
đầu sơ cấp, thứ cấp phải bằng nhau (=const).Đó là lí do tại sao cuộn dây nhiều vịng quấn hơn
có điện áp cao hơn nhưng dịng nhỏ hơn, trong khi cuộn dây ít vịng dây quấn hơn có điện áp
nhỏ hơn nhưng dòng điện lớn hơn.

85


– Dấu chấm ký hiệu ở một trong hai đầu cuộn dây gọi là cực tính, thể hiện sự liên hệ về dấu
của điện áp và chiều dòng điện của 2 cuộn sơ cấp và thứ cấp.
Các bạn xem hình vẽ trên để biết thêm chi tiết.
– Một ứng dụng đơn giản của máy biến áp được sử dụng rất nhiều trong hệ thống đánh lửa
của oto, xe máy…

Cuộn dây N2 có số vịng lớn hơn rất nhiều so với N1. Khi cơng tắc (points closed –
chính là nút bấm khởi động) đóng, điện áp qua N1 là 12V. Dịng qua N1 là dòng một chiều

(giá trị bằng dòng qua trở hạn dịng) nên khơng có hiện tượng cảm ứng từ. Khi công tắc mở
ra (ấn công tắc khởi động) dòng qua cuộn N1 giảm xuống rất nhanh điện áp rơi trên nó cũng
vọt lên rất lớn.
Hiện tượng cảm ứng từ xảy ra khiến điện áp ở cuộn N2 tăng lên đến cỡ 30kV-40kV
theo (cơng thức ở trên) gây phóng điện ở tiếp điểm spark gap, đốt cháy nhiên liệu và xe bắt
đầu hoạt động.
PWM
– Tất cả các loại nguồn xung thơng dụng đều có dạng điện áp đầu ra kiểu xung vng với tần
số xác định nào đó gọi là Pulse Width Modulation (PWM)
Xét một ví dụ cơ bản sau:
86


– Điện áp ở dạng xung vuông với chu kỳ Tp
Độ rộng Ton chính là thời gian xung ở điện áp đỉnh Vpk (Ton<=Tp).
Xung vuông này sau khi cho qua mạch lọc LC sẽ bị san phẳng thành điện áp một chiều có giá
trị Vout như hình vẽ.
Ta có thể điều chỉnh điện áp Vout theo ý mình bằng cách điều chỉnh độ rộng xung Ton
Ton càng lớn thì Vout càng lớn và ngược lại.
Đây chính là nguyên lý hoạt động chung của các loại nguồn xung.
2. Một số loại nguồn switching thông dụng
Buck converter
– Đây là loại thông dụng nhất trong các loại nguồn xung thông dụng.
Người ta sử dụng nó trong các mạch với đầu vào DC lớn (24-48V) với các mức đầu ra 15V,
12V, 9V, 5V… với hao phí điện năng rất thấp.
Buck converter sử dụng một transistor để đóng cắt liên tục theo chu kỳ điện áp đầu vào qua
một cuộn dây.
Sơ đồ nguyên lý cơ bản như sau:

87

– Hai hình bên dưới mơ tả hoạt động của mạch ở 2 trạng thái nạp và xả của cuộn dây.
Ta sẽ tính dịng qua điện trở LOAD (tải) ở hai trạng thái.
+ Trạng thái nạp: Do chênh lệch điện thế giữa 2 điểm SW và V0, dòng qua cuộn dây tăng dần
lên, tụ C0 đồng thời được nạp.
Dòng điện qua LOAD tính theo cơng thức I(LOAD)=I(L)-I(C0).
+ Trạng thái xả: Nguồn Vin bị ngắt ra, lúc này dòng cấp cho tải LOAD sẽ là dòng xả của cuộn
dây và của tụ C0.
I(LOAD)=I(L)-I(C0) (dấu – vì chiều quy ước của I(C0) chảy về C0).
Với cuộn dây có điện cảm đủ lớn và tụ có điện dung đủ lớn, ta sẽ có điện áp ra tải V0 gần như
phẳng (gợn sóng chỉ cỡ mV) V0=I(LOAD)*R(LOAD)
Boost converter
– Mạch boost converter cho điện áp DC đầu ra cao hơn đầu vào (cùng dấu).
Sơ đồ nguyên lý mạch boost converter như sau:

– Hoạt động cơ bản như sau:
Khi cơng tắc đóng, dịng qua cuộn dây tăng dần lên.
Khi cơng tắc mở ra, dịng qua cuộn dây giảm (do có thêm tải) khiến điện áp cuộn dây tăng lên.
Điện áp này đặt vào tụ khiến cho tụ được nạp với điện áp lớn hơn điện áp Vin.
– Lưu ý rằng năng lượng đầu ra chỉ có thể nhỏ hơn hoặc bằng năng lượng đầu vào
Do đó ở mạch boost converter dòng đầu ra phải nhỏ hơn dòng đầu vào (do áp đầu ra lớn hơn
88


áp đầu vào).
Mạch Buck-Boost
– Mạch tạo điện áp trái dấu, với đầu vào DC (âm hoặc dương) điện áp đầu ra trái dấu với điện
áp đầu vào và có trị tuyệt đối có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp đầu vào.
Sơ đồ nguyên lý cơ bản như sau:

– Khi cơng tắc đóng, điện áp vào Vin khiến dịng đi qua cuộn dây tăng lên.
Lúc này dòng cấp cho tải chỉ là dịng do tụ phóng ra.
– Khi cơng tắc mở, điện áp vào Vin bị ngắt ra.
Dòng đi qua cuộn dây giảm dần khiến điện áp trên nó tăng lên.
Điện áp này nạp vào tụ đồng thời mở thơng diode D dẫn dịng phóng ra từ cuộn dây cấp nguồn
cho tải.
Nguồn flyback:
– Đây là loại nguồn linh hoạt nhất trong các loại nguồn xung thơng dụng
Nó cho phép ta thiết kế một hoặc nhiều đầu ra ở các mức điện áp khác nhau kể cả đầu ra điện
áp âm.
Mạch flyback được sử dụng nhiều trong hệ thống cung cấp năng lượng (mặt trời, gió…) khi
từ một đầu vào yêu cầu cho nhiều mức điện áp đầu ra theo yêu cầu hệ thống (thường là +5V,
+12V, -12V…) với hiệu suất cao.
Sơ đồ nguyên lý cơ bản của mạch nguồn flyback như sau:

89


– Đặc tính quan trọng nhất của mạch nguồn flyback là cực tính 2 cuộn sơ cấp và thứ cấp. Nếu
ta muốn tạo điện áp dương thì cực tính 2 cuộn dây phải ngược nhau như trên hình. Ngược lại
nếu muốn tạo điện áp âm thì cực tính 2 cuộn dây phải cùng chiều.
Nguyên tắc hoạt động như sau:
+ Khi cơng tắc đóng, dịng qua cuộn sơ cấp tăng lên.
Xét cuộn sơ cấp lúc này, điện thế ở đầu có dấu chấm nhỏ hơn so với đầu còn lại dẫn đến ở
cuộn thứ cấp cũng có điều tương tự. Điện thế ở đầu có dấu chấm của cuộn thứ cấp nhỏ hơn
đầu kia của nó dẫn đến điện áp âm đặt lên diode theo chiều thuận, diode bị khóa.
Nguồn cấp cho tải lúc này chỉ là do tụ phóng ra.
+ Khi cơng tắc mở, dịng qua cuộn sơ cấp giảm. Cuộn sơ cấp lúc này có điện thế ở đầu có dấu
chấm lớn hơn so với đầu cịn lại, dẫn đến cuộn thứ cấp cũng có điều tương tự. Điện áp dương

đặt lên diode theo chiều thuận. Diode mở ra dẫn dòng từ cuộn thứ cấp nạp cho tụ đồng thời
cấp cho tải. Đây là nguyên tắc hoạt động cơ bản của nguồn flyback.

90


Ta xét sơ đồ sau:

– Đây là sơ đồ của một mạch flyback với 3 mức điện áp đầu ra, có cả điện áp âm. Muốn tạo
điện áp âm rất đơn giản ta chỉ cần đảo chiều cực tính của cuộn dây, đảo chiều tụ đầu ra như
hình trên.
– Một số đặc điểm của mạch flyback nhiều đầu ra như sau:
+ Phản hồi dòng điện để điều khiển PWM lấy từ đầu ra có dịng lớn nhất, như trên là ở đầu ra
5V.
+ Các IC nguồn LDO được sử dụng để đảm bảo các đầu ra ít nhiễu.
Như với trường hợp trên, với đầu ra 12V thì cuộn thứ cấp sẽ được điều chỉnh cho điện áp
khoảng 13V. Chênh lệch điện áp nhỏ này đảm bảo tránh các vấn đề về quá nhiệt. Tương tự
với đầu ra -12V sẽ là -13V ở cuộn thứ cấp.
+ Do bảo toàn năng lượng nên các bạn cần chú ý các đầu ra điện áp càng lớn thì dịng điện
càng nhỏ và tổng năng lượng đầu ra nhỏ hơn hoặc bằng đầu vào.
+ Các đầu ra khơng có phản hồi dịng (như đầu ra +12V và -12V ở trên) có sụt áp khi phải kéo
tải lớn cỡ 5%-10%. Nhưng điều này là quá đủ với đa phần ứng dụng.
Ngồi ra cịn các loại nguồn switching khác như: PUSH-PULL converter, HAFT-BRIDGE
converter, FULL-BRIDGE converter.
II.

Loại bỏ, giảm thiểu tổn hao do hài gây ra:

Trong những năm gần đây, các thiết bị điện tử ( như bộ điều chỉnh tốc độ động cơ, các bộ
chỉnh lưu điều khiển, máy vi tính, ...) đã gây ra nhiều vấn đề liên quan đến sóng họa tần trong

hệ thống điện. Đối với hệ thống truyền tải điện thì ảnh chủ yếu do cảm kháng từ hóa phi tuyến
91