Phương pháp nghiên cứu tính toán và thiết kế bộ nguồn áp xung p2 ppsx

Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 11
III. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH
-Như đã khảo sát ở trên ,ổn áp xung dùng phần tử điều chỉnh điện áp
ra, nên trong lúc điều chỉnh linh kiện sẽ dẫn bão hòa hay tắt dòng và áp qua
nó phụ thuộc tải .
-Như vậy chúng ta chỉ có thể điều khiển 2 thông số đó là tần số và độ
rộng xung .
-Thay đổi độ rộng xung, tần số cố đònh.
-Thay đổi tần số, độ rộng xung cố đònh.
-Thay đổi cả tần số và độ rộng xung.
1.Bộ ổn áp switching thay đổi độ rộng xung, tần số cố đònh.
(Phần này đã được giới thiệu ở chương I ,mục III.4.)
2.Bộ ổn áp switching có độ rộng xung không đổi, tần số xung thay
đổi.
-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 đònh 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 đònh bằng thời hằng của mạch đơn ổn
và được giữ cố đònh.đây là loại mạch cho phép điều chỉnh độc lập tần số xung
đối với độ rộng xung.
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 12
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 ngắt transistor giao hoán. Do tác động của vòng hồi tiếp sẽ điều
chỉnh sự biến thiên hai thông số này để ổn đònh 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 đònh tránh cho
những linh kiện ở bộ lọc phải lớn (vì tần số danh đònh 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 đònh
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 bò là một điều phải quan
tâm.
-Thiết bò 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.
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 13
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.
- 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




L
Vo
C
R
Vs
i
+
+
-
-
.
.
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 14


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 nghòch, 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

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



Dsb

.
.
-
-
+
+
Vs
R
C
Vo
L
Dsb
i
DCX

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 15


-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
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 )







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

Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 16

-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

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 :




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

Sơ đồ Boost
* Giai đoạn 1 : O < t < DT
- DCX dẫn, D phân cực nghòch 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.





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 )
.
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

Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 18
-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

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
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp

Trang 19
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
bò 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 = -L
2
t
I


=> t
2
=
Vo
LI.



I =
L
tVo
L
tV
S
2
1



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 20
-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 đònh 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 ra ổn đònh thứ hai mà phải được cách điện DC với điện áp ngõ ra ổn
đònh thứ nhất. Vì vậy khó có thể thiết kế được nhiều ngõ ra cho bộ nguồn.