Phương npháp nghiên cứu tính toán và thiết kế bộ nguồn áp xung trong bộ điều khiển đo dãy tần cao áp p1 pdf

Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 1
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 đònh , ổn đònh và duy trì điện áp đó không 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 đònh 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 hoán 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
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
Phương pháp nghiên cứu tính tốn và thiết kế bộ
nguồn áp xung trong bộ điều khiển đo dãy
tần cao áp
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 2
qua khuếch đại sai biệt sẽ làm cho điện áp ra thay đổi theo. Để có được sự ổn
đònh như yêu cầu, phần tử chuẩn phải ổn đònh, 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 toán thiết kế dùng IC ổn áp.
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.
Rs
Vs
Vo
Rs
R
Is
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 3
-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 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:






Vref
R1
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 4
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.
*Ưu nhược điểm:
-Mặc dù ổn áp này thông 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 không 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 toàn bộ linh kiện trong một vỏ kích thước bé,
không cần sử dụng hoặc chỉ sử dụng thêm một vài linh kiện ngoài để tạo
mạch hoàn chỉnh, mạch bảo vệ quá dòng, quá nhiệt có sẳn bên trong vi mạch
… Một trong những lọai vi mạch ổn áp DC tuyến tính thông 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 đònh ở nhiều giá trò 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 đònh 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

78XX
(79XX)
VI
V
o
CoCi
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 5

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








-Khi công 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, công tắc đóng lại. Dòng điện từ nguồn vào Vs cung cấp năng lượng cho
tải và tích trữ trong mạch lọc. Do đó VL tăng, làm ngõ ra mạch so sánh đảo
trạng thái để mở công tắc. Tương tự khi dòng tải tăng, mạch so sánh sẽ điều
khiển công tắc trong thời gian lâu hơn so với thới gian mở công tắc để duy trì
điện áp ra ổn đònh; ngược lại, thời gian công 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 công suất tiêu tán rất bé so với
transistor lái dòng ở nguồn ổn áp tuyến tính phải dẫõn 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 công suất ra tải
-Trong thực tế, công tắc transistor được điều khiển bằng một nguồn dao
động tần số cố đònh, có chu kỳ nhiệm vụ D=
T
Ton
được điều biến bởi điện áp

ngõ ra mạch so sánh. Tần số đóng mở cố đònh của công 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 công suất lớn có đáp ứng cao
hơn 500Khz, nên có thể tăng tần số dao đông cao hơn để giảm được kích
thước mạch lọc ngõ ra.

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

-Sơ đồ khối minh họa của một nguồn ổn áp xung điều khiển bằng tần
số cố đònh.
-Khối so sánh va økhuếch 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.
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
-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 lơò 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 trò số dòng kích nhỏ nhất đủ để điều
khiển SCR dẫn và IG min có trò 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 trò 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 thò trường từ những BJT Ge,Si, đến BJT
darlington rất tốt, chúng thường làm một số công việc nhất đònh
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 9
-Khi chọn lựa chúng ta phải chú ý đến chế độ họat động của chúng như:
Đòên áp cao, tần số giao hoán cao, dòng điện cao. Ngoài ra còn phải chú ý về
giá thành của chúng.
-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 đònh.
-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<Vγ
-Vγ: điện áp mở








V
BE

I
B
0
V
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 10
-Ic=ICBO có giá trò 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 .
*Điều kiện để transistor tiến sâu vào trạng thái bão hòa
.IB > Ic
*Xung nhọn tức thời Ibtrong khoảng thời gian đóng ngắt cần kéo dài từ
2% đến 3% thời gian dẫn.










-Khi chọn transistor làm việc ở tầng công suất khóa đóng mở, ta chú ý
các đặc tính sau :Điện áp ngược 100 đến 1500V ,dòng điện thuận ,thời gian
chuyển mạch. (tần số chuyển mạch).

-Khóa đóng mở có thể dùng mạch ghép 2 transistor như mạch ghép
Dalington hay transistor MOS.
*Kết luận:
-Bộ nguồn switching dùng tansistor công suất tần số cao làm phần tử
đóng ngắt người ta hay dùng nhất.Bởi vì nó dễ tìm trên thò trường ,đáp ứng tần
số cao , giá thành không cao.Vậy trong phần thiết kế ta chọn linh kiện đóng
ngắt bằng transistor .

Transistor
Transistor
Xung nhọn I
I
Dòng đỉnh ngược I
Bmin
B
B
ngắt
dẫn