Luận văn tốt nghiệp thiết kế nguồn xung và tính chọn máy biến áp xung

Nguyễn Văn Đức

Vs

.R

/

Luận văn tốt nghiệp

Chương
qua khuếch đại sai
biệt sẽI: làm cho điện áp ra thay đổi theo. Để có được sự ổn
định như yêu cầu,
phần THIỆU
tử chuẩn CHUNG
phải ổn định,
GIỚI
VỀđôi
ỔNvới
ÁPmọi
DCbiến đổi của điện
áp nguồn và các nhiệt độ tiếp xúc có nhiều kỹ thuật phổ biến có thể dùng giải
Is
1. LÝ THUYẾT Cơ BẢN VE ỔN ÁP
quyết các bài toán thiết kế dùng IC ổn áp.
- 2.
Chức
năng
mọi ổn áp DC và biến đổi điện áp vào DC ( một chiều)
Phần

tử của
lấy mẫu.
thành điện áp ra DC xác định , ổn định và duy trì điện áp đó không đổi trên
một tầm
rộngtửcủa
vàovàvàđổidòng
tải. Để
-Phần
lấy các
mẫuđiều
giámkiện
sát điện áp ra
nó thành
mộtthực
mứchiện
điệnviệc
áp
này,
một
ổn
áp
thường
gồm
có.
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 sô" điện
1. “Phần
chuẩn”
cung
một mức

áp ra
ổn định
áp của
điện áptửchuẩn
và để
điện
áp cấp
lấy mẫu
dùng điện
để điều
khiển
ổn ápbiết
làmtrước
cho
(VREF
)- ứng thích hợp và đúng với yêu cầu.
nó
có đáp
2. “Phần
3. Khuếch
tử lấy mẫu”
đại saiđểbiệt.
lấy mẫu điện áp ra.
3. -Khuếch
“Phần tử đại
khuếch
đại sai
so sánh
mẫusánh
điệnđiện

áp chuẩn
tạovới
ra
sai biệt
của biệt”
ổn ápđể dùng
để so
áp hồivàtiếp
điện áptínchuẩn.
cũng khuếch đại mức sai biệt để lái mạch điều khiển để
hiệu saiNó
biệt.
đưa điện áp ra về mức đặt trước.
4. “Phần tử điều khiển” để biến đổi điện áp ra thành điện áp ra mong
4.
Phần
điềukiện
khiển.
muôn
khitửđiều
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: ôn
5. N
áp nối tiếp,
song song (shunt) và xung (còn gọi là giao hoán hay ngắn đoạn).
ô
Nhưng 4Tthành cơ bản ở điều có ở cả 3 kiểu ổn áp đó.
Vo=Vs -IL.Rs
i

ti
ế
p:

Vo =VI-(IL+Is).Rs

Vo =Vs

Ton

Ton + Toff
Hình 1.1 Sơ đồ khối của một nguồn Ổn áp cơ bản

II. CÁC THÀNH PHẦN CỦA ỔN ÁP
l.Phần tử chuẩn.
Câu hình của phần tử điều khiển
chuẩn
tấtởcảtrên
cáchầu
ổn áp
điện áp
được
•-Phần
Tất cảtửcác
phầnlàtửnền
đã tản
giớicủa
thiệu
nhưvàkhông
đổirađôi

vớiđiều
các
khiển
trực
tiếp
bằng
điện
áp
chuẩn
V
REF
Những
biến
đổi
của
điện
áp
chuẩn
mạch ổn áp. Trái lại thì phần tử điều khiển thay đổi theo ổn áp sẽ thiết kế.
Trang 21


Nguyễn Văn Đức

Luận văn tốt nghiệp

-Người ta dựa vào phần tử này để phân loại ổn áp nối tiếp, song song
hay ổn áp xung(switching).

H. PHÂN LOẠI ỔN ẮP.

I.

Ổn áp nốì tiếp

• Ổn áp nốì 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 sô"
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.
• On áp nối tiếp cơ bản được minh họa như hình vẽ sau:

Vo =Vref(l+Rl/R2)
Với :Vref là điện áp chuẩn

• Bất lợi cơ bản của ổn áp nốì 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 sô" điện áp vào ra tăng.
2. On 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:

Trang 3


Mạch chỉnh Khóa MachNguyễn
loc
Văn Đức

Luận văn tốt nghiệp

Ịvc VL

Trang 5

-Sơ đồ minh họa nguyên lý họat động của nguồn ổn áp xung.
Với -Vref: điện áp chuẩn
/1 KĐ
-IL: dòng tải
-Ishunt- 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)
-Khi công tắc hở, năng lượng tích trữ ban đầu trong mạch lọc được cấp
❖ Rshunt:
biểutrên
diễntải
điện
trở tương
đương
phần
điều so
khiển.
cho tải.Khi
điện áp
giảm
dần đến

lúccủa
ngõ
ra tử
mạch
sáng đổi trạng
thái, cổng tắc đóng lại. Dòng điện từ nguồn vào Vs cung cấp năng lượng cho
tải và tích
trongđiểm:
mạch lọc. Do đó VL tăng, làm ngõ ra mạch so sánh đảo
*ƯUtrữ
nhược
trạng thái để mở công tắc. Tương tự khi dòng tải tăng, mạch so sánh sẽ điều
áp này
nổi tiếp
hayduy
ổn áp
khiển-Mặc
côngdùtắcỔntrong
thờithông
gian thường
lâu hơn ítsohữu
vớihiệu
thơi hơn
gianổnmởápcông
tắc để
trì
xung,
nhưng
đôi
với

một
sô"
ứng
dụng
nó
lại
có
lợi.
Ôn
áp
song
song
ít
nhạy
với
điện áp ra ổn định; ngược lại, thời gian công tắc mở sẽ lâu hơn thời gian đóng
những
đổi tức thời của điện áp vào, nó không phản ánh những biến đổi
khi
dòngbiến
tải bé.
nhất thời của dòng tải trở về nguồn.
-Phần tử điều khiển (transistor) nối tiếp lái dòng trong nguồn ổn áp
3. độngCác
áp DC
xung hoạt
ở vi
chếmạch
độ ổn
đóng

ngắttuyến
nên tính.
công suất tiêu tán rất bé so với
transistor
lái
dòng
ở
nguồn
ổn
áp
tuyến
tính
dẫn rất
điệnrộng
liên rải
tục,donhất
là khi
-Các vi mạch ổn áp DC tuyến tính được phải
sử dụng
những
ưu
điện
áp
vào
lớn
hơn
điện
áp
ra.
Do

đó
hiệu
suất
của
nguồn
ổn
áp
xung
điểm của nó như :Tích hợp toàn bộ linh kiện ưong một vỏ kích thước bé, không
(khoảng
85%)hoặc
caochỉhơn
áp ngoài
tuyến đểtính.
Việc chon
cần sử dụng
sử hiệu
dụng suất
thêm của
một nguồn
vài linhổnkiện
tạo mạch
hoàn
transistor
lái
dòng
và
tỏa
nhiệt
cho

nó
đối
với
nguồn
ổn
áp
xung
sẽ
chỉnh, mạch bảo vệ quá dòng, quá nhiệt có sẳn bên trong vi mạchđơn
... giản
Một
hơn
so với
ổn ápổntuyến
tính,tuyến
với cùng
cổng
suất là
ra tải
trongnhiều
những
lọainguồn
vi mạch
áp DC
tínhmức
thông
dụng
họ vi mạch 78xx
( ổn áp dương) và ổn áp 79xx(ổn áp âm) có ba chân. Tùy theo hình dạng vỏ,
-Trongổnthực

tế,chân
côngcótắcthểtransistor
khiển bằng
mộtvànguồn
dao
các vi mạch
áp ba
cung cấpđược
dòngđiều
từ lOOmA
đến 1A
cho điện
áp ra cô"
địnhcốở định,
nhiềucó
giáchu
trị kỳ
khác
nhauvụ
tương
vớiđiều
mã số:
động
tần sô"
nhiệm
D=^^ứng
được
biến bởi điện áp
ngõ ra mạch so sánh. Tần sô" Vi
đóng mở 78XX

cô" định củaVocông tắc transistor cho phép
(79XX
tối ưu hóa các thành phần lọc, giảm
được độ gỢn sóng ngõ ra. Tần sô" dao động
1
có thể từ vài Khz đến vàicichục Khz,)tùy theo đáp ứng của transistor lái.
i
Z^Co
-Ngày nay, ta có những loại MOS và BJT công suất lớn có đáp ứng cao
hơn 500Khz, nên có thể tăng tần sô" dao đông cao hơn để giảm được kích thưđc
mạch lọc-Trong
ngõ ra.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 tôi 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
Trang 4


Nguyễn Văn Đức

Luận văn tốt nghiệp

-Sơ đồ khôi minh họa của một nguồn ổn áp xung điều khiển bằng tần sô"
cô" định.
-Khôi 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=l/T) được so sánh với nhau
trong khôi 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 VoscT=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.

Trang 6


Nguyễn Văn Đức

Luận văn tốt nghiệp

❖ 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.

Trang 7


Nguyễn Văn Đức

Luận văn tốt nghiệp

Chương II:

NGUỒN ỔN ÁP XUNG
A. LINH KIỆN ĐÓNG NGAT
-Ôn 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 sổ".
-Theo nguyên lý SCR sẽ tự duy trì trạng thái dẫn điện sau khi được kích.
Muôn 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 sô" dòng kích nhỏ nhất đủ để điều
khiển SCR dẫn và IG min có trị sô" lớn hay nhỏ tùy thuộc công suất của SCR.
Nếu SCR càng lớn thì IG min càng lớn.
-Với:

"W —tít = 0 +t0ffSCR
-tIt=0: thời gian dòng giảm xuống 0
-toff SCR: thời gian tắt SCR.
-toff: 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 tô"n 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.

n. 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 sô" công việc nhất định
Trang 8


Nguyễn Văn Đức

Luận văn tốt nghiệp

-Khi chọn lựa chúng ta phải chú ý đến chế độ họat động của chúng như:
Địên áp cao, tần sô" 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 sô" nhất định.
-Đặc tính làm việc của transistor ở chê" độ đóng ngắt.

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

-Ic=ICBO có giá trị rất bé

Trang 9


Nguyễn Văn Đức

Luận văn tốt nghiệp

-IE =0 tại điểm B

-Tại điểm B điện ápUCE=0 nên công suất tiêu hao P=Ic.UCE cũng rất
nhỏ.Tại A lc=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

Ị3.IB > Ic
*Xung nhọn tức thời Ibtrong khoảng thời gian đóng ngắt cần kéo dài từ
2% đến 3% thời gian dẫn.

Transistor Transistor
daã
ngaé

Xung nhon Ig
1
Bmin
Doog naeh ngõôc lg

-Khi chọn transistor làm việc ở tầng cổng 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.
*Kê"t luận:
-Bộ nguồn svvitching dùng tansistor công suất tần sô" cao làm phần tử
đóng ngắt người ta hay dùng nhất.Bởi vì nó dễ tìm trên thị trường ,đáp ứng tần
sô" cao , giá thành không cao.Vậy trong phần thiết kê" ta chọn linh kiện đóng
ngắt bằng transistor.

Trang 10


Nguyễn Văn Đức

Luận văn tốt nghiệp

m.CẨC 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 sô" đó là tần sô" và độ
rộng xung .
-Thay đổi độ rộng xung, tần sô" cô" định.
-Thay đổi tần sô", độ rộng xung cô" định.
-Thay đổi cả tần sô" và độ rộng xung.
1. BỘ ổn áp switching thay đổi độ rộng xung, tần sô" cô" định.
(Phần này đã được giới thiệu ở chương I ,mục III.4.)
2. BỘ ổn áp switching có độ rộng xung không đổi, tần sô" xung thay
đổi.
-Thay đổi tần sô" 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 sô" này không
được dưới vài Khz.Mạch điện này đơn giản nhưng khó lọc dược các gỢn sóng
đầu ra. Vì vậy trong thực tê" ít dùng.

-VCOidao 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 cô" định rồi trở về trạng thái ban đầu.
-Tần sô" 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 cô" định.đây là loại mạch cho phép điều chỉnh độc lập tần sô" xung đốì
với độ rộng xung.
Trang 11


V—.í í

1
-

Nguyễn Văn Đức

Luận văn tốt nghiệp

Ĩ;—

I. sơ Đồ BUCK.

3. Bộ ổn áp switching thay đổi cả tần sô" và độ rộng xung.
-Đây là bộ ổn áp tự kích T=Ton+Tof
,trên nguyên tắc tự dao động các điều kiện tác
f
động vào cả tần sô" và độ rộng xung của
mạch.
ỊỊ____

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 sô" 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 sô" ổn định tránh cho
những linh kiện ở bộ lọc phải lớn (vì tần sô" danh định tắt mở phải lớn hơn
nhiều lần tần sô" lưới mà ở đây là tần sô" 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 sô" cô" định
để dễ chọn linh kiện đáp ứng yểu cầu tần sô".
B. ĐỔI ĐIỆN MỘT CHIỀU RA ĐIỆN MỘT CHIÊU (Converters)
-Trong nhiều trường hợp phụ tải cần điện một chiều từ nguồn điện
một chiều, một điện áp hay dòng hiệu suâ"t 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 sô" 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)

Trang 12


Nguyễn Văn Đức

D

Luận văn tốt nghiệp

: Hệ sô" chu kỳ hay tỉ sô" thời gian dẫn ( du ty cycle) trên thời gian

làm việc T = — là chu kỳ đóng ngắt, f là tần sô" đóng ngắt thường vào khoảng
10KHz 4- 100KHz. Dsb phân cực nghịch, không dẫn.
-Điện áp ở L là : VL = vs - yo

VL = Vs-Vo

dt

Vo

- Vậy iL biến thiên tuyến tính theo thời gian này lượng tích lũy vào
cung câ"p cho phụ tải.
_
Vs-Vo
y
1L —
ư
+
iLmin* Sơ đồ Buck

R,c

- DCK : -ITransistor
ngắt đến
dẫnILmax
làm trong
việcthời
điều
gianchế
aT độ rộng xung

L tăng từ iLmin
( điều chế xung )
V -V
Control Circuit: khôi điều khiển transistor.
- L : cuộn cảm kháng tích lũy điện năng.
-

c : Tụ điện tích lũy điện năng

- Dsb : Diode san bằng dòng, giúp cho dòng điện qua L liên tục khi
dòng điện cung cấp qua transistor ĐCX không liên tục.
- vs : 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.
Imax - iLmin
(2-1)
- Mỗi chu kỳ làm việc gồm 2 giai đoạn :
—

❖ Giai đoạn 2: DT < t < T

i-L

Trang 14
13

Nguyễn Văn Đức

Luận văn tốt nghiệp

-DCX ngưng dẫn, nhờ có Dsb nên iL vẫn liên tục vì Dsb dẫn :

-ÌL giảm từ ILmax -ỳ ILmin trong thời gian :
T - DT = ( 1 - D ) T theo hàm số
Vo ,

,

II = " — ( t - DT ) + ỈLmax = ỈDSb
iLmin - ỈLmax = AIL = - ( l - D ) T

(2-2)

-Đại lượng tăng dòng bằng đại lượng giảm dòng :
- Cộng (2-1) và (2-2) => Vo = D.Vs với D = —
Ta có : I0 = /lmax - ỈLnún =

( 2-3 )
R

2

với f =

Vạy ’ ỈLrnax

-Điều

kiện

để

có

dòng

-Lmintục
liên

là

T

ILmin

=

0

/

Vậy : L = (1-D )2—
-Điện áp gỢn sóng AVr được tính như sau :
-Trong nửa chu kỳ c được nạp thêm điện lượng :

1
AQ = -

-/

^T
Im in

(I Lmax

X-

+

iLmin )/2

Trang 15


L

f

▲

Nguyễn
Nguyễn Văn
Văn Đức

Luận văn tốt nghiệp

-Cũng trong nửa *-Trong
chu
kỳ
tụcác
điện
phóng
điện lượng.lớn
Giai
đoạn
1 :linh
oc< kiện
t Chỉ
tiêu
thực
: ra cùng
Vr 1 không
Lmax

i

m _m (

▲

'

à (2-11) ta có : ILmin - Vy

1

ON
^Dmax — Vs + V0

•■■Dmax — J

5Vv

min)

- Transitor
DCX
Vocxmax = Vs + V
DCX
dẫn,
vào
= ịD[ phân
I:max
+cực
ILminnghịch
] vs nên8khổng
Vậy-Công
: AVo-suất
= AV
c dẫn VL = Vv = L— ; điện năng
C =
2
dt
y

_ lo DVS
^V
-Công suẩt ra : - 2 —
iDCXmaxd l_D+ 2Lf
va ( lLmax-lLmin) — R
- Diode D
-Cân bằng công suất vào với công suất ra :
K
2
1 „]
1 )Vs =
Ta có :
\ íILmax (+2I-Lmi
(2-10)
VọQ-D)
AV
=
0 i
2 2
R(\-D )
2
R
8c

-Hoặc : AV() =
R(\Ildu,x_

hơn

0

-Từ (2-9) và (2-10):
V S .D
K.DỢ-D)

(/= -)
D Ý

III. ỔN ẢP BUCK - BOOST

*-Dòng
Chỉ tiêu
linh: Ai
kiện
: (1-D)
gỢncác
sóng
(2-6)
L=—
/> „ ,
- Transistor DCX :
-On áp Buck - Boost cung câp một điện áp ngõ ra mà có thê thâp hơn
2Lý

hay lớn hơn điện áp ngõ vào. Cực tính điện áp ngõ ra ngược với điện áp ngõ
( 2-Điều
-14)

kiện dòng liên tục :
■VDCXmax - Vs

TLm in

.... 2

R(\ - D )
■lũCXmax

+D(Ỉ-D)V S

=

2L f

ỵ*

V

s-D

=

n

L =J -.D(1 -D) 2 2Lf

*Giai đoạn 2.
-Để tính được điện
áp
=gỢnv sóng ÀV() hay dòng điện tại tụ lọc c

Dsbmax
-DCX ngưng Vdẫn,
ĨL vẫn s liên tục do D dẫn vào phụ tải, L phóng điện
Sơ đồ Buck Boost
vào tải. -Điện lượng nạp thêm
vào tụ điện c là
Vo AIr bằng điện lượng phóng ra
+VsỈDsbmax
nÃn ,D.
+
Ỉ 0 +D(Ì-D)V
S
nuôi phụ tải, coi dòng gỢn sóng= tại phụ
tải ÀIr không
đáng kể so với ÀiL
*Mạch hoạt động được chia làm 2 giai đoạn.
2
Lf
lobstrung bình (l“D).Io
: AVo
= AVc
^
- Vậy
Giai
đoạn
1 : =Transistor
QỊ dẫn và diode Dm bị phân cực ngược.
II.
Sơngõ
ĐỒ

Dòng
vàoBOOST
tăng và chảy vào cuộn cảm L, Q]
—

- Giai đoạn 2 : Transistor QỊ ngắt , năng lượng tích trữ trong L và
-Các chỉ tiêu linh kiện tích lũy điện năng là L và c, đóng ngắt điện là
dòng cuộn cảm ứng tuyến tính từ I2 đến li, trong khoảng t2
transistor DCX, D không cho dòng từ c phóng về nguồn Vs . Mỗi chu kỳ làm
Io.DT
AQ
=> t2= —-------V=LVo
=: =V-L—
việc gồm 2 giai đoạn
S- v0; v0> vs
t2
Vo
= —.DT
R :h
Vo+
ÍL = ID_ =
(T - DT ) + ILma„
(2-8)
AI
= - Vo-ti
th ỈLmax ”^ iLmin
Vocontrol
L chu
L kỳ , D =
Với D

: hệ sô"
Circuit

ILIĨIÌIT ỈLmax =
( T - DT )
-Thay ti= DTvà t2 =L ( 1 - D) T
sô"—đóngvới
ngắt
-Nên taf=
có 1/T
: Vo: Tần
= —^
0-Điện áp trung bình ngõ ra :
Ì-D
KĐ
D
Z^ SơVđồ
BoostD
c RfC

(2-9)

16
Trang 17
19
18

+

21/


Nguyễn Văn Đức

Luận văn tốt nghiệp

-Với D là hệ sô" chu kỳ
-Giả sử mạch không tổn hao : VsIs = Vo.Io = Vs-Ia- D/ ( 1 - D )
-Dòng trung bình ngõ vào : I s quan hệ với dòng trung bình ngõ ra I 0 :
Is= lo. D
-T : Chu kỳ ngắt dẫn
T = - = t +t -AIL AIL _AỈ.L(VO-K)
/ 1 2 vs v0 vsy0
-Và dòng gỢn sóng đỉnh đỉnh : AI =

Vs-Vo
MVo-v s )

Vs-Đ
Aĩ = f.L
- Dòng xả trung bình của tụ Ic = I0
-Và điện áp gỢn sóng đỉnh- đỉnh của tụ là :
AVc

=
Io.Vo
AVc = (V ơ -V s )f.c
IọD
f.c

- 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 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] với nhiều cuộn thứ cấp Nsi, N S2 , Nm và một mạch
điều khiển độ rộng xung bằng điện áp DC. Các ngõ ra điện áp Vsi ,Vs2,

Trang 20


Luận văn tốt nghiệp

Nguyễn Văn Đức

Vm và lấy tín hiệu phản hồi về từ vm. Ton được điều chỉnh để ngăn chặn sự
thay đổi tái hay nguồn cung cấp.__________________
Vs2 ểVdc(Ns2/Np)2Ton/T

Vsl ::Vdc(Nsl/Np)2Ton/T

Vm =Vdc(Nm l/Np)2Ton/T

Ịj*- — 2Vdc
-Vce(Q,)

lc(Qp
I

lừ

'l
I_

2Vdc

Vce(cy
lc( cy

- Khi transitor dẫn thì điện áp dưới của mỗi nửa cuộn sơ cấp giảm
xuống Vce(sat) khoảng IV. Vì thế khi cả hai transitor dẫn thì điện áp vuông có
- Điện áp trung bình tại ngõ ra vm

vm
=

2
Ton
T
Trang 21

Nguyễn Văn Đức

-Khi
không đổi

Vdc

Luận văn tốt nghiệp

thay đổi thì vòng hồi tiếp âm sẽ điều chỉnh Ton để giữ

vm

- Ton, vm 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 Ton sẽ được thay đổi theo sự thay đổi của vm
> Điện áp tại ngõ ra của 2 cuộn thứ cấp :
Vsi =

VS2

(Vdc-\)

Nc

> Mức điện áp trên một vòng :
— = Ae ( dB/dt) X 10'8
N

-Ae : là tiết diện lõi sắt ( cm2)
-dB : là độ thay đổi từ cảm ( Gauss )

^ Gauss ^
-dB/dt V
— là điên áp trên vòng là tỉ lê theo tần số sóng ngắt.
N
- Trong thực tế, giá trị điện áp trên vòng trong phạm vi từ 2V tại tần sô"
đóng ngắt 25KHZ đến 5 hay 6v ở 100KHz.
a.BlẾN 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 sô" hoạt
động, mật độ từ cảm ( BỊ và B2 ), tiết diện lõi sắt, tiết diện khung quân dây
Ab,và mật độ dòng điện trong mỗi cuộn.
>

Chọn sô" vòng dây sơ câ"p

-Định luật Faraday : E = NAc (dB/dt) X 10+8
Với:- E: Điện áp rơi trên lõi cuộn dây( hay cuộn dây biến áp )

Trang 22


Luận văn tốt nghiệp

Nguyễn Văn Đức

-Ae : Tiết diện lõi ( cm2)
-dB : ( Gauss )

E 10+8
—> dB = ——— ( Gauss )
NAe
- Sô" vòng dây sơ câ"p được xác định như sau :
+Np : Được tính với điện áp đặt lên cuộn sơ cấp là nhỏ nhất
và thời gian mở là cực đại.

=

VỊ

(Kin*.

(Vdc-1)

-I)(0,8772)si(r

p

Ae.dB
Với dB = 0WXftm)slO<
N p xAc
> Chọn sô" vòng dây thứ câ"p :
-Sô" vòng dây thứ câ"p được chọn từ

vm= [(Vdc-l) -0,5](Vdc- 1
)
Vsi = [(Vdc - 1 )

VS2=[(Vdc-l)

K

n

^1_1

,J

> Tính toán dòng san bằng đỉnh.
-Giả sử hiệu suất 80% (thường đạt được ở tần sô" trên 200KHz )
P() = 0,8Pin
Pn

-Vậy Ipft= 1,56

(2-20)

> Tính toán dòng điện sơ câ"p hiệu dụng và tiết diện dây dẫn :
Irms -W5 — Ipft

-Với D : hệ sô" chu kỳ : D = (0,8T/2)/2
-Hay : Irms = 0,632 Ipft
Vây ta có : Irms = 0,632^^ = Q,986P°

Trang 23


—

—

■^'^dcmin

Nguyễn Văn Đức

Luận văn tốt nghiệp

> Tính toán dòng gỢn sóng đỉnh thứ câp và kích cỡ dây :
Is(rms)

=

Idc V-ơ = Idc yl0,4 =

0,632.1(5

c

-Với Idc dòng điện ngõ ra.
> Thiết kế bộ lọc ngõ ra.
1) Thiết kế cuộn cảm ngõ ra :
di = 2Idcmin = VL. = (V, - v„ )
‘-‘ữ

A)

-Ns sẽ được chọn 0,8172 khi vdc, V] là nhỏ nhất
- = 0|T= hay Vimin = 1,25V0
ĂT _ (1,25F0-F0)(0,8772) _OT

VàL„=M^
Nếu dòng IdCmin = ^jlc
Vậy :

T _ 0,5V ữ .T
Lo = ’ _ 0
•‘o n

-Trong đó , L0(H)
"Vo (V)

-T(s)
-Idcmin

dòng ngõ ra cực tiểu (A)

-Ion dòng

ngõ ra danh định (A)
Trang 24


Nguyễn Văn Đức

Luận văn tốt nghiệp

2. Thiết kế" tụ ngố ra.
-Tụ ngõ ra được chọn để đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật điện áp
gỢn sóng ngõ ra.

vr = Ro.dl
Với -R(): Điện trở trong của tụ C()
-di : Dòng điện đỉnh đỉnh cuộn cảm.
-Tích sô" RQ.CO thay đổi giữa 50 -80 X 10'6
„ _ 80*10“6 80*10“*

M) — -----------------------=-----------------------

n

R0 vr Ị dĩ
_ (80cl0 )dl

M) — -----------------------------------

K
* Ưu điểm và nhược điểm :
1) Ưu điểm
- Converter này phân phối năng lượng ra tải qua biến áp. Vì vậy sự
phản hồi điện áp ngõ ra được cấp điện DC với ngõ vào và có nhiều cuộn thứ
cấp biến áp nên có thể có nhiều điện áp đầu ra.
- Khi bộ nguồn cung cấp đã được cải tiến, điều chỉnh các converter ban
đầu để mang lại công suất lớn hơn từ những linh kiện nhỏ hơn. Vì vậy hiệu
suất cho hệ thông phải tăng. Một cách đơn giản để làm điều này là sử dụng
biến áp có đầu nôi giữa cuộn dây sơ cấp để lợi dụng cho mỗi nửa chu kỳ trên
và nửa chu kỳ dưới của cuộn sơ cấp.
- Hiệu suất cao ( gần 90%).
2) Nhược điểm.
- Một trong những vân đề đôi với push-pull converter, đó là từ thông
trong hai phần của cuộn dây sơ câ"p và thứ cấp có đầu ra ở giữa có thể trở nên

mất cân bằng và gây ra vấn đề về nhiệt độ.
V.

FORWARD CONVERTER

1. Lý thuyết cơ bán.
-Bộ đổi điện này thường được sử dụng cho những nguồn có công

Trang 25


cấp. Trong khi mạch push -pull cnverterlà hai transistor.
- Khi Q] 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 Qi dẫn - nên gọi là Forward
converter. Ôn áp Push-Pull và Buck cũng phân phôi 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 phôi dòng đến tải khi transistor
ngắt
Ton. Giả

- Khi Q] dẫn (Ton), thì điện áp ở tốt chỉnh lưu ở mức cao trong thời gian
sử IV cho Q] và D2 phân cực thuận V thì điện áp ở mức cao đó là :
D2

V()mr -

-VD2

-Khi Qi tắt , dòng lưu trữ trong dây dẫn của Ti 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] sẽ bị đánh thủng nếu không có diode Dj dẫn trả năng lượng .
- Điện áp ngõ ra DC :
om

2.

(2-21 )

Các mối quan hê thiết kế của điên áp vào . ra . thời gian mcT và

tỉ
Trang 26


p

Ae.dB
Nguyễn Văn Đức

Luận văn tốt nghiệp

- Điện áp Vom được phản hồi về và được so sánh với điện áp chuẩn

vref,

và thay đổi Ton để giữ Vom = const đôi vđi bất cứ sự thay đổi ở Vdc hay
dòng tải.
- Thời gian Ton cực đại ( Tonmax) sẽ xay ra ở Vdcmin

3. Quan hệ giữa dòng điện sơ cấp, công suất ngõ ra, và điện áp ngõ
vào :
- Giả sử hiệu suất của nguồn 80%
P()

=

0,8Pin

Hay
Pin =

1,25P0 = Vdcmin ( 0,4 Ipft)

(2.22 )

3,13.p0

V

4. Thiết kế biến áp công suất:
a) Lõi biến áp /Việc chọn lõi cho biến áp Forward converter giông
với biến áp Push - Pull vì có cùng thông sô". Mật độ từ trường, lõi sắt, tiết diện
điện cảm, tần sô", và mật độ dòng của cuộn.
b) Tính toán vòng dây sơ cấp.
fcm,„-l)(0,8r/22)ri0rt

-Với dB = 1.600 Gauss.
-Vdmin

■ điện áp DC ngõ vào nhỏ nhất

(V)

-T : Khoảng thời gian ngắt dẫn (S)
Trang 27


Nguyễn Văn Đức

Luận văn tốt nghiệp

c) Tính toán vòng dây thứ cấp :

T

d) Tính toán dòng điện gỢn sóng sơ
cấp :
3,1 2P
.=
° /7 H

Irms(p) —
^dc min

e) Tính toán kích cỡ
dây :
Irms(sec) = Idc • V0,4

f)

—

Bộ lọc ngõ
ra :

*n -Vọ)T a

dkmin

u

-V0)Tm
21 dc min

Trang 28


0

DT T
Nguyễn Văn Đức

Luận văn tốt nghiệp

Nhưng Vo — V JỊ. rmn dkmin Tonmax/T
Với Tonmax = 0,8T/2

wT

Nên u =

(2-26)
lon

*Tụ điện ngõ ra :
Như ở phần ( 4 - 2 )
Ta có : Co = 65 X 10‘6/Ro
Co = 65 X 10'6.—

(2-27)

Kr

VI. Sơ Đồ FLYBACK
-Sơ đồ dùng linh kiện ngắt dẫn dòng vào cuộn sơ cấp máy biến áp lõi
ferrite, điện thế tại cuộn thứ cấp được đổi ra điện một chiều bằng diode chỉnh
lưu.
-Tần sô" đóng ngắt có thể từ 10kHz đến 100KHz

ĐCX

rvi
0

DT T
ax

Hỉ bm

in

Trang 29


lo ..
i
Vs

c

ĐCX

ic

R

Luận
Luận văn
văn tốt
tốt nghiệp
nghiệp

Nguyễn Văn
Văn Đức
Đức
Nguyễn

1

-Chu kỳ làm việc gồm hai giai hđoạn :n. ĩ/
(1-1) X—
+
*Giai đoạn 1: 0Vs
-DCX dẫn VLI = Vs. Do chiều dây quấn ni,n2 không dẫn Li tích lũy
ID trung
bình (âv)—lo
năng lượng vào mạch từ ferrit,
từ thông
trong mạch từ tăng.
: = Ỵs_
ll —

v_D-tTm
^.y0 + v,—
+ limin
«1

-ii tăng từ Iimin đến Iimax dòng gia tăng bằng :
*Giai đoạn 2: DTIlraax - Ilmin

_j

(2-28 )

DT
-Điện áp ngược tại D là :V ngược = - \ — y s + V 0
D

\ ni

)

Ilmin —

( D ) Vs
Vậy điều kiện để có dòng liên tục là :
- Điện áp dỢn sóng: AV o
- Dòng tại tụ điện lọc i c được biểu diễn bởi hình trên . Điện lượng nạp
thêm vào tụ điện lọc AQ ở giai đoạn a được phóng vào tải trong giai đoạn 1.
-Chu kỳ sau diện tích s ở phần dưới đường biểu diễn thiên dòng qua tụ ic
V (
1
A Ổ = I 0 . D T = — .D\ f = £Rf V
T
AV=A V = ^- = ^D
°
c Rfc
* Chỉ tiêu các linh kiện
- Transistor DCX:

Trang 30


V

'(1- D)2
pft=

vZT
Nguyễn Văn Đức

Luận văn tốt nghiệp

I\av 2 [^1 min ^lmax
-Công suất vào: ps =Vs.Iiav=

-Côngsuítra:P 0=M^]^
-Nếu hiệu suất bằng 1 ta có :
l \ 2 ___________________________
*ưu nhươc điếm: dc min
Với P o t : tổng công suất ngõ ra
- Cách ly sơ cấp và thứ cấp
Vì vậy giá thành cho transistor cao
- Giảm được dòng qua transistor công suất.
vn - ngưng
HALFdẫn- BRBDGE
CONVERTER
-DCX
từ thông mạch
từ giảm , điện áp tại cuộn n 2 đảo cực
- Tạo
được
nhiều
ở đầu
ra bằng
nhiều
cuộn

thứDT sô"
tính khiến
D dẫn
dòng
i L cấp
giúpđiện
choápsô'
ampe
vòng cách
liên quấn
tục, tức
thời
điểm
ampe vòng
n2l2 max
nilimin.
điệncủa
áp V
: cao .
2đặt vào
0, do đó khá
- Dòng
san =bằng
đỉnh Ltương
đương
transistor
3,13Rot + I 2m
i2 = -^Ợ-DT)
-Mạch từ phóng thích năng lượng vào phụ t ả i , i2 giảm từ I2max đến I2min,
lượng dòng giảm bằng.

I2max"l2min r2- (1 - Đ)T
Jì]
Điện áp tại cuộn nj = —V„
Do đó điện áp tại transistor DCX =
Điện áp ra V0 :
I2^IX,L2=L\^

n2
\n 2 J
V
V
— DT— Half-Bridge
Sơ đồ
L
4 V"2 (1 -D)T = 0
- Khi chuyển mạch s, ở phía trên ứng với ngõ vào 220VAC, mạch cỉnh
lưu toàn sóng với 2 tụ lọc C] nối tiếp c2
(2-30)
+ Điện áp đỉnh DC chỉnh lưu khoảng : (l,41x220)-2 *308V
- Điều kiện để có dòng liên tục.
Trang 32
31