LUẬN VĂN: Tính toán và thiết kế nguồn ổn áp xung doc

Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG……………






LUẬN VĂN

Tính toán và thiết kế
nguồn ổn áp xung

Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 2

Chương I:
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ỔN ÁP DC
I. LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ỔN ÁP
- Chức năng của mọi ổn áp DC và biến đổi điện áp vào DC ( một chiều)
thành điện áp ra DC xác định , ổn định và duy trì điện áp đó khơng đổi trên một
tầm rộng của các điều kiện điện áp vào và dòng tải. Để thực hiện việc này, một
ổn áp thường gồm có.
1. “Phần tử chuẩn” để cung cấp một mức điện áp ra ổn định biết trước
(V
REF
).
2. “Phần tử lấy mẫu” để lấy mẫu điện áp ra.
3. “Phần tử khuếch đại sai biệt” để so sánh mẫu điện áp chuẩn và tạo ra tín
hiệu sai biệt.
4. “Phần tử điều khiển” để biến đổi điện áp ra thành điện áp ra mong muốn
khi điều kiện tải thay đổi và được điều khiển bằng tín hiệu sai biệt.
- Mặc dù mạch thật sự có sự thay đổi, nhưng có 3 kiểu ổn áp cơ bản là: Ổn áp
nối tiếp, song song (shunt) và xung (còn gọi là giao hốn hay ngắn đoạn). Nhưng
4 thành cơ bản ở điều có ở cả 3 kiểu ổn áp đó.

Hình 1.1 Sơ đồ khối của một nguồn ổn áp cơ bản
II.CÁC THÀNH PHẦN CỦA ỔN ÁP
1. Phần tử chuẩn.
-Phần tử chuẩn là nền tản của tất cả các ổn áp và điện áp ra được điều khiển
trực tiếp bằng điện áp chuẩn V
REF
. Những biến đổi của điện áp chuẩn qua
khuếch đại sai biệt sẽ làm cho điện áp ra thay đổi theo. Để có được sự ổn định
như u cầu, phần tử chuẩn phải ổn định, đối với mọi biến đổi của điện áp nguồn
và các nhiệt độ tiếp xúc có nhiều kỹ thuật phổ biến có thể dùng giải quyết các bài
tốn thiết kế dùng IC ổn áp.
Phần tử
điều khiển
Khuếch đại
sai biệt
REF
Điện áp vào
Điện áp ra ổn đònh
Phần tử
chuẩn
o
Phần tử
lấy mẩu
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 3
2. Phần tử lấy mẫu.

-Phần tử lấy mẫu giám sát điện áp ra và đổi nó thành một mức điện áp
bằng điện áp chuẩn khi điện áp ra đúng. Khi nó có sự thay đổi điện áp làm cho
điện áp cho điện áp hồi tiếp lớn hơn hay nhỏ hơn điện áp chuẩn. Hiệu số điện áp
của điện áp chuẩn và điện áp lấy mẫu dùng để điều khiển ổn áp làm cho nó có
đáp ứng thích hợp và đúng với yêu cầu.
3. Khuếch đại sai biệt.
-Khuếch đại sai biệt của ổn áp dùng để so sánh điện áp hồi tiếp với điện áp
chuẩn. Nó cũng khuếch đại mức sai biệt để lái mạch điều khiển để đưa điện áp ra
về mức đặt trước.
4. Phần tử điều khiển.
a. Nối tiếp:

Vo=Vs -IL.Rs

b. Song song:

Vo =VI-(IL+Is).Rs


c. Xung:

Vo =Vs
Toff
+
Ton
Ton



Cấu hình của phần tử điều khiển

 Tất cả các phần tử đã giới thiệu ở trên hầu như không đổi đối với các
mạch ổn áp. Trái lại thì phần tử điều khiển thay đổi theo ổn áp sẽ thiết kế. -
Người ta dựa vào phần tử này để phân loại ổn áp nối tiếp, song song hay ổn áp
xung(switching).
II. PHÂN LOẠI ỔN ÁP.
1. Ổn áp nối tiếp
 Ổn áp nối tiếp có tên là “nối tiếp” là dựa vào phần tử điều khiển, ở ổn áp
này phần tử điều khiển mắc nối tiếp với tải. Phần tử điều khiển thường là một
transistor và nó có chức năng như một điện trở thay đổi được(Rs). Tích số của Rs
Rs
Vs
Vo
Rs
R
Is
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 4
và dòng tải IL làm cho sai biệt điện áp vào ra(Vi-Vo) thay đổi và điện áp này bổ
chính cho điện áp vào và dòng tải thay đổi.
 Ổn áp nối tiếp cơ bản được minh họa như hình vẽ sau:



Vo =Vref(1+R1/R2)


Với :Vref là điện áp chuẩn

 Bất lợi cơ bản của ổn áp nối tiếp là: Công suất tiêu thụ của nó phụ thuộc
vào dòng tải và sai biệt điện áp vào ra. Công suất tiêu thụ sẽ trở nên đáng kể khi

dòng tải tăng hay hiệu số điện áp vào ra tăng.
2. Ổn áp song song.
 Ổn áp song song dùng linh kiện tích cực mắc song song với tải và điều
khiển dòng diện qua nó để bù các biến động của các điện áp vào hay các điều
kiện tải thay đổi.
 Ổn áp song song cơ bản dược minh họa như hình vẽ sau:






Với -V
ref
: điện áp chuẩn
-IL: dòng tải
-I
shunt
: dòng qua phần tử điều khiển
-Khi dòng IL tăng, Ishunt giảm để điều chỉnh sụt áp qua Rs. Theo cách
này thì Vo giữ không đổi.
-Vo=VI-Is.Rs
-Với Is=IL+Ishunt
-Vo=VI-Rs(IL+Ishunt)
 Rshunt: biểu diễn điện trở tương đương của phần tử điều khiển.
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 5
*Ưu nhược điểm:
-Mặc dù ổn áp này thơng thường ít hữu hiệu hơn ổn áp nối tiếp hay ổn áp
xung, nhưng đối với một số ứng dụng nó lại có lợi. Ổn áp song song ít nhạy với

những biến đổi tức thời của điện áp vào, nó khơng phản ánh những biến đổi nhất
thời của dòng tải trở về nguồn.
3.Các vi mạch ổn áp DC tuyến tính.
-Các vi mạch ổn áp DC tuyến tính được sử dụng rất rộng rải do những ưu
điểm của nó như :Tích hợp tồn bộ linh kiện trong một vỏ kích thước bé, khơng
cần sử dụng hoặc chỉ sử dụng thêm một vài linh kiện ngồi để tạo mạch hồn
chỉnh, mạch bảo vệ q dòng, q nhiệt có sẳn bên trong vi mạch … Một trong
những lọai vi mạch ổn áp DC tuyến tính thơng dụng là họ vi mạch 78xx ( ổn áp
dương) và ổn áp 79xx(ổn áp âm) có ba chân. Tùy theo hình dạng vỏ, các vi mạch
ổn áp ba chân có thể cung cấp dòng từ 100mA đến 1A và cho điện áp ra cố định
ở nhiều giá trị khác nhau tương ứng với mã số:
-Dạng mạch điện dùng vi mạch ổn áp ba chân.




-Trong đó Ci được thêm vào khi vi mạch đặt xa nguồn chỉnh lưu và lọc để
ổn định điện áp ngõ vào; Co để lọc nhiễu cao tần.
-Tuy nhiên để vi mạch hoạt động tốt thì điện áp ngõ vào tối thiểu phải cao
hơn điện áp ngõ ra 2V. Đây là một giới hạn của vi mạch ổn áp tuyến tính

4.Nguồn ổn áp xung
-Sơ đồ minh họa ngun lý họat động của nguồn ổn áp xung.

-Khi cơng tắc hở, năng lượng tích trữ ban đầu trong mạch lọc được cấp
cho tải.Khi điện áp trên tải giảm dần đến lúc ngõ ra mạch so sáng đổi trạng thái,
cơng tắc đóng lại. Dòng điện từ nguồn vào Vs cung cấp năng lượng cho tải và
78XX
(79XX)
VI
V
o
CoCi
Tải
KĐ
sai
lệch
So
sánh
Vref
Is
Io
Vo
Vs
Công tắc
(transistor)
Mạch lọc
( LC )
+
-
+
-
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp

Trang 6
tích trữ trong mạch lọc. Do đó VL tăng, làm ngõ ra mạch so sánh đảo trạng thái
để mở cơng tắc. Tương tự khi dòng tải tăng, mạch so sánh sẽ điều khiển cơng tắc
trong thời gian lâu hơn so với thới gian mở cơng tắc để duy trì điện áp ra ổn định;
ngược lại, thời gian cơng tắc mở sẽ lâu hơn thời gian đóng khi dòng tải bé.
-Phần tử điều khiển (transistor) nối tiếp lái dòng trong nguồn ổn áp xung
hoạt động ở chế độ đóng ngắt nên cơng suất tiêu tán rất bé so với transistor lái
dòng ở nguồn ổn áp tuyến tính phải dẫn điện liên tục, nhất là khi điện áp vào lớn
hơn điện áp ra. Do đó hiệu suất của nguồn ổn áp xung (khoảng 85%) cao hơn
hiệu suất của nguồn ổn áp tuyến tính. Việc chon transistor lái dòng và tỏa nhiệt
cho nó đối với nguồn ổn áp xung sẽ đơn giản hơn nhiều so với nguồn ổn áp tuyến
tính, với cùng mức cơng suất ra tải
-Trong thực tế, cơng tắc transistor được điều khiển bằng một nguồn dao
động tần số cố định, có chu kỳ nhiệm vụ D=
T
Ton
được điều biến bởi điện áp ngõ
ra mạch so sánh. Tần số đóng mở cố định của cơng tắc transistor cho phép tối ưu
hóa các thành phần lọc, giảm được độ gợn sóng ngõ ra. Tần số dao động có thể
từ vài Khz đến vài chục Khz, tùy theo đáp ứng của transistor lái.
-Ngày nay, ta có những loại MOS và BJT cơng suất lớn có đáp ứng cao
hơn 500Khz, nên có thể tăng tần số dao đơng cao hơn để giảm được kích thước
mạch lọc ngõ ra.

KĐ
sai
lệch
Tải
Mạch chỉnh
lưu và lọc
Tạo sóng
răng cưa
Khóa
BJT
Điện áp
chuẩn
Mạch lọc
( LC )
Ve
V
I
Vc
V
L

+
Ve
Ton

T
Vosc

Vc

Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 7
-Sơ đồ khối minh họa của một nguồn ổn áp xung điều khiển bằng tần số
cố định.
-Khối so sánh va khuếch điện áp sai lệch thực hiện việc so sánh điện áp ra
Vo với điện áp chuẩn Vref tạo ra tín hiệu Ve. Tín hiệu này cùng với điện áp hình
răng cưa Vosc do bộ tạo sóng tạo ra (có fo=1/T) được so sánh với nhau trong
khối điều khiển độ rộng xung tạo ra chuổi Ve dùng để điều khiển sự đóng mở của
khóa transistor.
-Khi Vosc >Ve, tín hiệu ở mức cao(Ton).
-Khi Vosc<Ve, tín hiệu ở mức thấp(Toff).
T=Ton+Toff
T: chu kỳ đóng ngắt
Ton: thời gian đóng
Toff: thời gian ngắt.
-Như vậy khi điện áp Vo có khuynh hướng tăng hoặc dòng tải bé, điện áp
Ve tăng, thì Ton giảm. Do đó, khóa transistor sẽ tắt trong thời gian dài hơn, khiến
Vo giảm xuống.
-Khi Vo giảm hoặc dòng tải tăng, Ve giảm thì Ton tăng.
 Kết luận: Từ những ưu điểm đã phân tích ở trên của ổn áp xung, nên ta
chọn kiểu ổn áp xung để thiết kế mạch ổn áp 5V/10A; -15V/3A;+15V/3A với

mục đích là sẽ lợi dụng được những ưu điểm đó.
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 8
Chương II:
NGUồN ổN ÁP XUNG

A. LINH KIệN ĐÓNG NGắT
-Ổn áp xung thường được sử dụng hai linh kiện bán dẫn đóng ngắt thông
thường như: thyristor (SCR), transistro công suất hay transistor trường.
I. Đóng ngắt bằng SCR
-Sự bất lơị khi dùng linh kiện đóng mở bằng SCR là chúng ta điều khiển
cả hai quá trình kích khởi và ngắt của SCR. Vì vậy làm phức tạp thêm trong quá
trình điều khiển và hạn chế việc nâng cao tần số.
-Theo nguyên lý SCR sẽ tự duy trì trạng thái dẫn điện sau khi được kích.
Muốn SCR đang ở trạng thái dẫn chuyển sang trạng thái tắt thì phải cho IG=0 và
điện thế VAK=0v. để SCR có thể tắt được thì thời gian VAK=0 đủ dài. Vậy phải
có thêm thời gian tắt SCR.
-Để SCR dẫn điện trong trường hợp điện thế VAK thấp thì phải có dòng
điện kích cực G của SCR. Dòng IG min là trị số dòng kích nhỏ nhất đủ để điều
khiển SCR dẫn và IG min có trị số lớn hay nhỏ tùy thuộc công suất của SCR.
Nếu SCR càng lớn thì IG min càng lớn.
-Với:
-t
off
=t
It = 0
+t
off SCR

-t

It
=0: thời gian dòng giảm xuống 0
-t
off SCR
: thời gian tắt SCR.
-t
off
: thời gian từ lúc tác động đến SCR tắt
*Các phương pháp ngắt:
a. Ngắt nguồn điện áp VAK ra khỏi SCR (cách này thường không được sử
dụngvì phải tốn hao năng lượng ngắt, tốc độ làm việc chậm)
b. Giảm dòng qua SCR xuống dưới giá trị dòng duy trì IH (phương pháp đảo
lưu ép)
c. Đảo cực tính điện áp cấp cho AK.
II. ĐÓNG NGẮT BẰNG TRANSISTOR.
-Có nhiều lọai BJT trên thị trường từ những BJT Ge,Si, đến BJT darlington
rất tốt, chúng thường làm một số công việc nhất định
-Khi chọn lựa chúng ta phải chú ý đến chế độ họat động của chúng như: Địên
áp cao, tần số giao hoán cao, dòng điện cao. Ngoài ra còn phải chú ý về giá thành
của chúng.
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 9
-Để đóng ngắt các mạch điện tử người ta dùng các khóa điện tử. Các khóa
này có hai trạng thái phân biệt.
-Trạng thái đóng (trạng thái dẫn bão hòa)
-Trạng thái ngắt (trạng thái tắt).
Việc chuyển đổi trạng thái này sang trạng thái kia là do tác động của hai tín
hiệu điều khiển ở ngõ vào, đồng thời quá trình chuyển trạng thái được thực hiện
vơí một tần số nhất định.
-Đặc tính làm việc của transistor ở chế độ đóng ngắt.

Miền bão hòa I, miền cắt II.
-Để đảm bảo cho BJT nằm ở trạng thái tắt thì VBE<V
-V: điện áp mở







-Ic=ICBO có giá trị rất bé
-IE =0 tại điểm B
-Tại điểm B điện ápUCE=0 nên công suất tiêu hao P=Ic.UCE cũng rất
nhỏ.Tại A Ic=0 nên Pc công suất bé.
-Khi diểm làm việc di chuyển từ A điến B và ngược lại,trên đường
tải,trong vùng tích cực III,tất nhiên cũng tiêu hao công suất.song thời gian
chuyển dich rất ngắn .

V
BE

I
B
0
V

Nguyn Vn c Lun vn tt nghip
Trang 10
*iu kin transistor tin sõu vo trng thỏi bóo hũa
.IB > Ic
*Xung nhn tc thi Ibtrong khong thi gian úng ngt cn kộo di t
2% n 3% thi gian dn.










-Khi chn transistor lm vic tng cụng sut khúa úng m, ta chỳ ý cỏc
c tớnh sau :in ỏp ngc 100 n 1500V ,dũng in thun ,thi gian chuyn
mch. (tn s chuyn mch).
-Khúa úng m cú th dựng mch ghộp 2 transistor nh mch ghộp
Dalington hay transistor MOS.
*Kt lun:
-B ngun switching dựng tansistor cụng sut tn s cao lm phn t úng
ngt ngi ta hay dựng nht.Bi vỡ nú d tỡm trờn th trng ,ỏp ng tn s cao ,
giỏ thnh khụng cao.Vy trong phn thit k ta chn linh kin úng ngt bng

transistor .
III. CC PHNG PHP IU CHNH
-Nh ó kho sỏt trờn ,n ỏp xung dựng phn t iu chnh in ỏp ra,
nờn trong lỳc iu chnh linh kin s dn bóo hũa hay tt dũng v ỏp qua nú ph
thuc ti .
-Nh vy chỳng ta ch cú th iu khin 2 thụng s ú l tn s v rng
xung .
-Thay i rng xung, tn s c nh.
-Thay i tn s, rng xung c nh.
-Thay i c tn s v rng xung.
1.B n ỏp switching thay i rng xung, tn s c nh.
(Phn ny ó c gii thiu chng I ,mc III.4.)
2.B n ỏp switching cú rng xung khụng i, tn s xung thay i.

Transistor
Transistor
Xung nhoùn I
I
Doứng ủổnh ngửụùc I
Bmin
B
B
ngaột
daón

Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 11
-Thay đổi tần số này tùy theo điện áp nguồn và dòng điện qua tải, để giảm
bớt những tổn thất qua transistor và trong biến áp thì tần số này không được dưới
vài Khz.Mạch điện này đơn giản nhưng khó lọc dược các gợn sóng đầu ra. Vì

vậy trong thực tế ít dùng.








Trong đó :
-VC0:dao động được điều khiển bằng điện áp
-Đơn ổn:Khi có xung điều khiể mạch đơn ổn cho ra một xung có độ rộng
xung cố định rồi trở về trạng thái ban đầu.
-Tần số xung của mạch đơn ổn được thay đổi do xung kích từ VCO. Thời
gian dẫn của transistor được xác định bằng thời hằng của mạch đơn ổn và được
giữ cố định.đây là loại mạch cho phép điều chỉnh độc lập tần số xung đối với độ
rộng xung.
3. Bộ ổn áp switching thay đổi cả tần số và độ rộng xung.
-Đây là bộ ổn áp tự kích ,trên nguyên tắc tự dao động các điều kiện tác
động vào cả tần số và độ rộng xung của mạch.









Giải thích :Bộ khuếch đại sai lệch chính là mạch so sánh điện áp ra (qua

điện trở R3) với điện áp chuẩn . Khi điện áp ra của bộ ổn áp giảm, mạch so sánh
sẽ mở transistor (transistor dẫn) và khi điện áp ra tăng bộ khuếch đại so sánh sẽ
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 12
ngắt transistor giao hoán. Do tác động của vòng hồi tiếp sẽ điều chỉnh sự biến
thiên hai thông số này để ổn định điện áp ra.
*Tổng quát bộ ổn áp switching tạo ra sự thay đổi bề rộng xung tương ứng
với sự thay đổi điện áp vào chưa điều chỉnh.
*Nhận xét: Nếu ta yêu cầu chất lượng cao và tần số ổn định tránh cho
những linh kiện ở bộ lọc phải lớn (vì tần số danh định tắt mở phải lớn hơn nhiều
lần tần số lưới mà ở đây là tần số biến thiên không biết trước được)
*Kết luận:
Qua việc khảo sát các phương pháp điều chỉnh trên và với các ưu khuyết
điểm của nó. Ta chọn phương pháp điều rộng xung, giữ tần số cố định để dễ chọn
linh kiện đáp ứng yêu cầu tần số.
B. ĐỔI ĐIỆN MỘT CHIỀU RA ĐIỆN MỘT CHIỀU (Converters)
-Trong nhiều trường hợp phụ tải cần điện một chiều từ nguồn điện
một chiều, một điện áp hay dòng hiệu suất thiết bị là một điều phải quan tâm.
-Thiết bị đổi điện một chiều ra điện một chiều được lắp ráp, theo
nhiều sơ đồ rất đa dạng. Nhưng ta chỉ đề cập đến một số sơ đồ cơ bản: Buck,
Boost, Buck - Boost.
Và các dạng khác như: Flyback, Forward, Push - Pull (đẩy kéo) Half-
Bridge (nửa cầu), Cầu (Full - Bridge)
I. SƠ ĐỒ BUCK.

* Sơ đồ Buck
- DCK : Transistor ngắt dẫn làm việc điều chế độ rộng xung
( điều chế xung )
Control circuit : khối điều khiển transistor.
- L : cuộn cảm kháng tích lũy điện năng.
- C : Tụ điện tích lũy điện năng
- D
sb
: Diode san bằng dòng, giúp cho dòng điện qua L liên tục khi
dòng điện cung cấp qua transistor ĐCX không liên tục.
Vo
Cv
C
R
i
Dsb
Vo
L
1
T=Ton+Toff
DCX
Vs
Control
circuit
i
DCX
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 13
- V

s
: Nguồn điện một chiều ở ngõ vào.Nguồn này có thể là một bộ
chỉnh lưu, do đó cần có tụ điện Cv vừa để lọc vừa để tiếp nhận năng lượng từ phụ
tải trả về. Vì bộ chỉnh lưu không nhận được dòng trả về.
- Mạch này sẽ được nối ngay sau biến áp nguồn. Từ sơ đồ ta có thể
thấy rằng mạch này khá đơn giản.
- Khi transistor dẫn, nguồn điện sẽ chảy một cách trực tiếp đến đầu ra.
Điện áp này cũng phải qua cuộn dây . Khi transistor ngắt, dòng đã lưu trữ trong
cuộn làm cho diode phân cực thuận và cho phép dòng trở về tải.
- Mỗi chu kỳ làm việc gồm 2 giai đoạn :
* Giai đoạn 1: D < t < Dt






D : Hệ số chu kỳ hay tỉ số thời gian dẫn ( duty cycle) trên thời gian
làm việc T =
f
1
là chu kỳ đóng ngắt, f là tần số đóng ngắt thường vào khoảng
10KHz  100KHz. D
sb
phân cực nghịch, không dẫn.
-Điện áp ở L là : V
L
= V
s
- V

o

V
L
= V
s
- V
o
=
dt
di
L
L

- Vậy i
L
biến thiên tuyến tính theo thời gian này lượng tích lũy vào R,C
cung cấp cho phụ tải.
i
L
=


t
L
VoV
S
.
I
Lmin

-I
L
tăng từ I
Lmin
đến I
Lmax
trong thời gian T
i
L
=
L
V
-
V
OS
t + I
Lmin
= i
DCX






L
Vo
C
R

Vs
i
+
+
-
-
.
.

L
DT T
0
t
V - V
D
i
i
t
t
T
DT
TDT
S
0
l
CX
Dsb
i = i
1 Dsb
i = i

Dsb
1
L
i
V
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 14





I
max
- I
Lmin
= -DT (2-1)
 Giai đoạn 2: DT < t < T





-DCX ngưng dẫn, nhờ có D
sb
nên i
L
vẫn liên tục vì D
sb
dẫn :

V
L
= -V
o
= L
-i
L
giảm từ I
Lmax
 I
Lmin
trong thời gian :
T - DT = ( 1 - D ) T theo hàm số
I
L
= -
L
Vo
( t - DT ) + I
Lmax
= i
DSb

I
Lmin
- I
Lmax
= I
L
= - ( 1 - D ) T ( 2 - 2 )

-Đại lượng tăng dòng bằng đại lượng giảm dòng :
Cộng (2-1) và (2-2) => V
0
= D.Vs với D =
T
Ton

T
T
on

Ta có : I
o
=
R
VII
LL 0minmax
2


( 2-3 )
Vậy : I
Lmax
= DV
s











Lf
D
R 2
)1(1
với f =
T
1

I
Lmin
= DV
s











Lf
D

R 2
)1(1

-Điều kiện để có dòng liên tục là I
Lmin
= 0
Dsb

.
.
-
-
+
+
Vs
R
C
Vo
L
Dsb
i
DCX
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 15
Vậy : L = (1-D )
f
R
2

-Điện áp gợn sóng V

r
được tính như sau :
-Trong nửa chu kỳ C được nạp thêm điện lượng :
Q =
222
1
minmax
T
x
II
LL







(2- 4 )








-Cũng trong nửa chu kỳ tụ điện C phóng ra cùng 1 điện lượng.
Vậy : V
o

= V
c
=









T
C
II
LL
.
8
minmax

-Thay T =
f
1
và ( I
Lmax
-I
Lmin
) = ( 1 - D ).T
V
o

=
 
2
0
2
0
.8
)1(
8
1
fLC
DV
C
TD
L
V




-Hoặc : V
0
=
2
.8
)1(.
fLC
DDV
v


( 2-5 )
-Dòng gợn sóng : i
L
=
f
L
V
0
( 1 - D ) (2-6)
* Chỉ tiêu các linh kiện :
- Transistor DCX :
-V
DCXmax
= V
s

-I
DCXmax
=
Lf
VDDI
s
2
)1(
0


- Diode D
sb
:

V
Dsbmax
= V
s


0
t
0
U
D T
D T /2
T
U
t
(I + I )/2
L m ax
L m i n
V
0

Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 16
I
Dsbmax
=
Lf
VDDI
s
2

)1(
0


I
Dbstrung bình
= (1-D).I
0
(2- 7)
II. SƠ ĐỒ BOOST
-Các chỉ tiêu linh kiện tích lũy điện năng là L và C, đóng ngắt điện là
transistor DCX, D không cho dòng từ C phóng về nguồn Vs

. Mỗi chu kỳ làm
việc gồm 2 giai đoạn :





Sơ đồ Boost
* Giai đoạn 1 : O < t < DT
- DCX dẫn, D phân cực nghịch nên không dẫn V
L
= V
v
= L
dt
d
iL

; điện năng
tích lũy vào L, C vẫn cấp điện cho tải.
-











*Giai đoạn 2.
-DCX ngưng dẫn, i
L
vẫn liên tục do D dẫn vào phụ tải, L phóng điện vào
tải.


.
L
.

-
-
+
+
Vs

R
C
Vo
DCX
D

DT
DT
C
i
S
DT
DCX
DCX
i
i
L
i
=
=
i
i
DCX
DCX
i
L
Lmax
2
S T
T

T
T
t
t
Lmin
I
t
t

i
Vo
Control
circuit
i
DCX
-
+
R
C
Vo+
-
L
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 17



V
L
= V

s
- V
o
; V
o
> V
s

i
L
=

I
D
=
L
VV
OS

(T - DT ) + I
Lmax
(2-8)
-i
L
giảm từ I
Lmax
 I
Lmin

I

Lmin
- I
Lmax
= ( T - DT )
-Nên ta có : V
0
=
D
V
s

1
với O<D<1 (2-9)
-Trong thực tế V
r
không lớn hơn 5V
v

-Công suất vào =
2
1
[ I
max
+ I
Lmin
] V
s

-Công suất ra :
R

V
o
2

-Cân bằng công suất vào với công suất ra :
Ta có :
2
1
[ I
Lmax
+ I
Lmin
] V
S
=
R
V
2
0
(2-10)
-Từ (2-9) và (2-10) :
Ta có : I
Lmmax
+ I
Lmin
=
22
)1(
2
DR

V
S

(2 - 11)
-Từ (2-8) và (2-11) ta có : I
Lmin
=
2
)1( DR
V
V

-
Lf
DV
S
2
.
( f =
T
1
)
I
Lmax
=
2
)1( DR
V
V


+
Lf
DV
S
2
.

-Điều kiện dòng liên tục :
I
Lmin
=
2
)1( DR
V
S

-
Lf
DV
S
2
.
= 0
L =
2
)1(.
2
DD
f
R


-Để tính được điện áp gợn sóng V
0
hay dòng điện tại tụ lọc C
-Điện lượng nạp thêm vào tụ điện C là I
r
bằng điện lượng phóng ra nuôi
phụ tải, coi dòng gợn sóng tại phụ tải I
r
không đáng kể so với i
L

Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 18
Vậy : V
0
= V
C
=
C
Q


Q = I
o
.DT
Q =
Rf
DV
DT

R
V
o
.
0
( 2-12 )
Với D : hệ số chu kỳ , D =
T
T
ON

f = 1/T : Tần số đóng ngắt
Vậy : V
0
= D
RfC
V
C
Rf
DV
o
o
.
* Chỉ tiêu các linh kiện :
- Transitor DCX : V
DCXmax
= V
S
+ V
o

I
DCXmax
=
Lf
DV
D
Io
S
21



- Diode D : V
Dmax
= V
S
+ V
o

I
Dmax
=
Lf
DV
D
Io
S
21



( 2 -13)
-I
D trung bình
= I
o
( 2 -14 )

III. ỔN ÁP BUCK - BOOST
-Ổn áp Buck - Boost cung cấp một điện áp ngõ ra mà có thể thấp hơn
hay lớn hơn điện áp ngõ vào. Cực tính điện áp ngõ ra ngược với điện áp ngõ vào.





Sơ đồ Buck Boost
*Mạch hoạt động được chia làm 2 giai đoạn.
- Giai đoạn 1 : Transistor Q
1
dẫn và diode D
m
bị phân cực ngược. Dòng
ngõ vào tăng và chảy vào cuộn cảm L, Q
1

- Giai đoạn 2 : Transistor Q
1
ngắt , năng lượng tích trữ trong L và dòng
cuộn cảm ứng tuyến tính từ I

2
đến I
1
, trong khoảng t
2

Vo
C
R
+
-
D
c
V
V
m
D
i
i
1
=
Vo
+
Vs
L
Q
s
I
i
1

Control
circuit
Vo
- -
L
,
L
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 19
Vo = -L
2
t
I

=> t
2
=
Vo
LI.



I =
L
tVo
L
tV
S
2
1



-Thay t
1
= DTvà t
2
= ( 1 - D) T
-Điện áp trung bình ngõ ra :
Vo = -
D
DV
S

1
.
( 2-15 )
-Với D là hệ số chu kỳ
-Giả sử mạch không tổn hao : V
S
I
S
= V
O
.I
O
= V
S
.I
a
. D/ ( 1 - D )

-Dòng trung bình ngõ vào : I
S
quan hệ với dòng trung bình ngõ ra I
O
:
I
S
= Io. D
-T : Chu kỳ ngắt dẫn
T =
OSO
L
S
L
VV
VsVoLI
V
I
V
I
tt
f .
)(.1
21







- Và dòng gợn sóng đỉnh đỉnh : I =
)(
.
0
SO
S
VVfL
VV


I =
Lf
DV
S
.
.

- Dòng xả trung bình của tụ I
C
= I
o

-Và điện áp gợn sóng đỉnh- đỉnh của tụ là :
V
C
=
C
Iot
dtI
C

dtI
C
t
O
t
C
1
00
11
11


(2-16 )
Hay : V
C
=
CfVV
VoIo
SO
.)(
.


V
C
=
Cf
DI
O
.

- Ưu, nhược điểm chung của 3 loại : Buck, Boost, Buck - Boost convertes.
* Ưu điểm :
-Cả ba converter đều không sử dụng biến áp nên diện tích chiếm chỗ của
bộ nguồn nhỏ.
*Nhược điểm :
-Sự phản hồi của điện áp ổn định ngõ ra chung DC với sự phản hồi của
ngõ vào DC chưa lọc. Nhưng vì người sử dụng thường cần có điện áp DC ngõ
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 20
ra ổn định thứ hai mà phải được cách điện DC với điện áp ngõ ra ổn định thứ
nhất. Vì vậy khó có thể thiết kế được nhiều ngõ ra cho bộ nguồn.
IV. PUSH - PULL CONVERTER
Mạch Push - Pull như sơ đồ sau:
- Nó gồm 1 biến áp T
1
với nhiều cuộn thứ cấp N
S1
, N
S2
, N
m
và một mạch
điều khiển độ rộng xung bằng điện áp DC. Các ngõ ra điện áp V
S1
,Vs2,
Vm và lấy tín hiệu phản hồi về từ V
m
. Ton được điều chỉnh để ngăn chặn sự thay
đổi tải hay nguồn cung cấp.

- Khi transitor dẫn thì điện áp dưới của mỗi nửa cuộn sơ cấp giảm xuống
V
ce(sat)
khoảng 1V. Vì thế khi cả hai transitor dẫn thì điện áp vuông có giá trị V
dc
-
1

Vce(Q )
Ic(Q )
2Vdc
Ic( Q )
Vce(Q )
1
1
2
2

V
s2 =Vdc(Ns2/Np)2Ton/T
V
m=Vdc(Nm1/Np)2Ton/T
V
s1 =Vdc(Ns1/Np)2Ton/T
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 21
- Điện áp trung bình tại ngõ ra V
m

V
m
=
T
Ton
N
N
V

p
m
dc
2
5,0)1(


















(2-17)
-Khi V
dc
thay đổi thì vòng hồi tiếp âm sẽ điều chỉnh Ton để giữ V
m
không
đổi

- Ton, V
m
sẽ được điều chỉnh để ngăn chặn điện áp DC ngõ vào và dòng
tải ngõ ra thay đổi.
- Khi Vm thay đổi thì sẽ xuất hiện tín hiệu ngõ ra ở bộ khuếch đại sai lệch
và T
on
sẽ được thay đổi theo sự thay đổi của V
m

 Điện áp tại ngõ ra của 2 cuộn thứ cấp :
V
S1
=
V
S2
=
T
Ton
N
N
V
p
S
dc
2
5,0)1(
2




















 Mức điện áp trên một vòng :
N
E
= Ae ( dB/dt) x 10
-8

-Ae : là tiết diện lõi sắt ( cm
2
)
-dB : là độ thay đổi từ cảm ( Gauss )
-dB/dt







s
Gauss

-
N
F
là điện áp trên vòng là tỉ lệ theo tần số sóng ngắt.
- Trong thực tế, giá trị điện áp trên vòng trong phạm vi từ 2V tại tần số
đóng ngắt 25KHZ đến 5 hay 6v ở 100KHz.
a. BIẾN ÁP CÔNG SUẤT
 Chọn lõi : Thiết kế biến áp ta phải chọn lõi phù hợp với công suất
ra. Chọn lõi cho công suất ngõ ra của biến áp phụ thuộc vào tần số hoạt động,
mật độ từ cảm ( B
1
và B
2
), tiết diện lõi sắt, tiết diện khung quấn dây Ab,và mật
độ dòng điện trong mỗi cuộn.
 Chọn số vòng dây sơ cấp
-Định luật Faraday : E = NAe (dB/dt ) x 10
+8

Với:- E: Điện áp rơi trên lõi cuộn dây( hay cuộn dây biến áp )
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 22
-N : Số vòng dây(vòng)

-A
e
: Tiết diện lõi ( cm
2
)
-dB : ( Gauss )
> dB =
NAe
E
dt
8
10.

( Gauss )
- Số vòng dây sơ cấp được xác định như sau :
+N
p
: Được tính với điện áp đặt lên cuộn sơ cấp là nhỏ nhất (V
dc
-1) và
thời gian mở là cực đại.
N
p
=
dB
Ae
xTV
dl
.
10)2/8,0)(1(

8
min


(2-18)
Với dB =
xAcN
xTonV
p
dc
8
10))(1(


(2-19)
 Chọn số vòng dây thứ cấp :
-Số vòng dây thứ cấp được chọn từ :
V
m
=


0,5 - ) 1 - (Vdc
(V
dc
- 1 )









p
m
N
N
- 0,5]
T
Ton2

V
S1
= [(V
dc
- 1 )








1
2
p
S
N

N

T
Ton2

V
S2
= [(V
dc
- 1 )








1
2
p
S
N
N
T
Ton2

 Tính toán dòng san bằng đỉnh.
-Giả sử hiệu suất 80% ( thường đạt được ở tần số trên 200KHz )
P

0
= 0,8P
in

-Hay P
in
= 1,25P
0
= V
dcmin
.0,8I
pft

-Vậy I
pft
= 1,56
min
0
dc
V
P
(2-20)
 Tính toán dòng điện sơ cấp hiệu dụng và tiết diện dây dẫn :
I
rms =
I
pft
D
= I
pft

4,0

-Với D : hệ số chu kỳ : D = (0,8T/2)/2
-Hay : I
rms
= 0,632 I
pft

Vậy ta có : I
rms
= 0,632
min
0
min
0
986,056,1
dcdc
V
P
V
P

 Tính toán dòng gợn sóng đỉnh thứ cấp và kích cỡ dây :
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 23
I
S(rms)
= I
dc D

= I
dc
4,0
= 0,632.I
d c

-Với I
dc
dòng điện ngõ ra.
 Thiết kế bộ lọc ngõ ra.
1) Thiết kế cuộn cảm ngõ ra :
dI = 2I
dcmin
= V
L
.
0
L
Ton
= (V
1
- V
0
)
0
L
Ton

N
0

= V
1
(2Ton/T) thì Ton =
1
0
2V
TV

N
0
= V
1
(2Ton/T ) thì Ton =
1
0
2V
TV






-N
S
sẽ được chọn 0,8172 khi V
dc
, V
1
là nhỏ nhất

min
1
0
22
8,0
V
TV
T
T
on

hay V
1min
= 1,25V
0

dI =
0
00
)2/8,0)(25,1(
L
TVV

= 2I
dcmin

Và L
0
=
min

0
.05,0
dc
I
TV

Nếu dòng I
dcmin
=
10
1
I
on
Vậy : L
0
=
n
I
TV
0
0
5,0

-Trong đó , L
0
(H)
-V
0
(V)
-T(s)

-I
dcmin
dòng ngõ ra cực tiểu (A)
-I
on
dòng ngõ ra danh định (A)
2. Thiết kế tụ ngõ ra.
-Tụ ngõ ra được chọn để đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật điện áp gợn
sóng ngõ ra.
Nguyn Vn c Lun vn tt nghip
Trang 24
V
r
= R
0
.dI
Vi -R
0
: in tr trong ca t C
0

-dI : Dũng in nh nh cun cm.
-Tớch s R
0
.C
0
thay i gia 50 -80 x 10
-6

C

0
=
dIV
x
R
x
r
/
10801080
6
0
6


C
0
=
r
V
dIc )1080(


* u im v nhc im :
1) u im
- Converter ny phõn phi nng lng ra ti qua bin ỏp. Vỡ vy s phn
hi in ỏp ngừ ra c cp in DC vi ngừ vo v cú nhiu cun th cp bin
ỏp nờn cú th cú nhiu in ỏp u ra.
- Khi b ngun cung cp ó c ci tin, iu chnh cỏc converter ban
u mang li cụng sut ln hn t nhng linh kin nh hn. Vỡ vy hiu sut
cho h thng phi tng. Mt cỏch n gin lm iu ny l s dng bin ỏp cú

u ni gia cun dõy s cp li dng cho mi na chu k trờn v na chu k
di ca cun s cp.
- Hiu sut cao ( gn 90%).
2) Nhc im.

- Mt trong nhng vn i vi push-pull converter, ú l t thụng
trong hai phn ca cun dõy s cp v th cp cú u ra gia cú th tr nờn
mt cõn bng v gõy ra vn v nhit .
- Vn th hai l mi transitor phi khúa gp ụi mc in ỏp so vi cỏc
converter khỏc.

V.FORWARD CONVERTER
1. Lý thuyt c bn.
-B i in ny thng c s dng cho nhng ngun cú cụng sut
ngừ ra t 150-200w khi in ỏp ngừ vo DC cc i mc 60V n 200V.






Maùch ủieu khieồn
ủoọ roọng xung
Maùch so
saựnh
L1
L2
L3
D1
D2

D3
D4
D5
D6
D7
Vref
Vom
Vs1
Vs2
Q1
Vea
Vdc
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 25




-Trong mạch converter này chỉ có một transistor và một diode ở phía sơ
cấp. Trong khi mạch push -pull cnverterlà hai transistor.
- Khi Q
1
dẫn, đầu có chấm của cuộn sơ cấp và tất cả các cuộn thứ cấp trở
thành dương so với các đầu dây còn lại không dấu.
- Dòng chảy đến tải khi transistor công suất Q
1
dẫn - nên gọi là Forward
converter. Ổn áp Push-Pull và Buck cũng phân phối dòng đến tải khi transitor
công suất dẫn.
-Trái lại, Boost converter và Flyback lưu trữ năng lượng ở cuộn cảm hay

cuộn sơ của biến áp khi transistor dẫn và phân phối dòng đến tải khi transistor
ngắt
- Khi Q
1
dẫn (T
on
), thì điện áp ở tốt chỉnh lưu ở mức cao trong thời gian
T
on
. Giả sử 1V cho Q
1
và D
2
phân cực thuận V
D2
thì điện áp ở mức cao đó là :
V
0mr
=
 







Np
Nm
V

dc
1
- V
D2

-Khi Q
1
tắt , dòng lưu trữ trong dây dẫn của T
1
ngược cực với điện áp trên
Np. Tất cả các đầu đầu của sơ và thứ âm so với các đầu còn lại. Thì Transistor Q
1

sẽ bị đánh thủng nếu không có diode D
1
dẫn trả năng lượng .
- Điện áp ngõ ra DC :
V
om
=
 
T
Ton
V
Np
Nm
V
ddc 















1
(2-21 )

2.Các mối quan hệ thiết kế của điện áp vào , ra , thời gian mở và tỉ số
vòng.
- Điện áp Vom được phản hồi về và được so sánh với điện áp chuẩn V
ref
,
và thay đổi Ton để giữ V
om
= const đối với bất cứ sự thay đổi ở Vdc hay dòng tải.
- Thời gian Ton cực đại ( Tonmax) sẽ xay ra ở V
dcmin

V
om
=
 

T
T
V
Np
Nm
V
on
ddc
max
min
1

















V
S1

=
 
T
T
V
Np
N
V
on
d
S
dc
max
1
min
1


















V
S2
=
 
T
T
V
Np
N
V
on
d
S
dc
max
2
min
1
















