Đề tài: Tìm hiểu về bộ nguồn hiệu suất cao cho thiết bị chiếu sáng dùng LED

LỜI NÓI ĐẦU............................................................................................................... 2
Chương 1. Tìm hiểu về PFC – Power Factor Correction...............................................2
1.1. Thế nào là Power Factor:....................................................................................2
1.2. Tại sao cần phải điều chỉnh hệ số công suất:.......................................................3
1.2.1. Giảm giá thành năng lượng điện và phí truyền tải:......................................3
1.2.2. Tối ưu hóa kinh tế kỹ thuật:.........................................................................4
1.3. Nguyên tắc cơ bản để điều chỉnh hệ số công suất PFC:......................................4
1.3.1. Điều chỉnh hệ số công suất tuyến tính:.........................................................4
1.3.2. Điều chỉnh hệ số công suất phi tuyến tính:...................................................5
Chương 2. Tìm hiểu vi mạch PFC UC3854...................................................................9
2.1. Các đặc điểm kỹ thuật chính:..............................................................................9
2.2. Sơ đồ khối và sơ đồ nối chân:...........................................................................10
2.3. Sơ đồ điển hình sử dụng vi mạch UC3854:.......................................................11
Chương 3. Thử nghiệm, phân tích một bộ nguồn thực tế.............................................12
3.1. Nhiệm vụ:.........................................................................................................12
3.2. Mô tả cấu trúc:..................................................................................................12
3.3. Lắp ráp tải:........................................................................................................14
3.3. Thử nghiệm và đánh giá kết quả:..................................................................15
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................21

1


LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay, do nguồn tài nguyên thiên nhiên ngày càng cạn kiệt do sự khai thác và nhu cầu
của con người nên vấn đề tiết kiệm năng lượng đang được đặt nên hàng đầu đối với ngành
công nghiệp. Bộ nguồn hiệu suất cao cũng là một các để tiết kiệm năng lượng.
Trong dịp thực tập tốt nghiệp em đã được làm về đề tài “Tìm hiểu về bộnguồn hiệu suất
cao cho thiết bị chiếu sáng dùng LED”. Đề tài này đã giúp em hiểu rõ thêm ngành điện hơn
cũng như đã giúp em bù đắp thêm một số kiến thức thiếu hụt. Em xin chân thành cảm ơn thầy
Nguyễn Danh Huy và các thầy cô trong bộ môn đã giúp em hoàn thành báo cáo này !

Hà nội ngày 21, tháng 2, năm 2012.
Sinh viên: Nguyễn Thị Diệp.

Chương 1. Tìm hiểu về PFC – Power Factor Correction.
1.1. Thế nào là Power Factor:
-Power factor là chữ viết tắt của thuật ngữ “Hệ số công suất”, và được ký hiệu là
cosρ.
- Trong hệ thống điện xoay chiều AC có 3 loại công suất:
+ Công suất tiêu thụ thực P (W).
+ Công suất phản kháng Q (VAR).
+ Công suất biểu kiến S (VA).
2


Hình1.1. Tam giác công suất.
- Tỷ lệ giữa công suất tiêu thụ thật và công suất phản kháng được gọi là hệ số công
suất. Trong trường hợp dòng điện AC là dạng sóng sin thuần túy, hệ số công suất là
cosine của góc pha (ρ) giữa dòng điện và điện áp của dạng sóng sin, vì lý do này trong
các tài liệu kỹ thuật người ta thường viết tắt hệ số công suất là “cosρ”. Hệ số công suất
không có đơn vị riêng, giá trị của nó được thể hiện từ 0 đến 1. Được thể hiện bằng
công thức:
Cosρ = P/S
- Hệ số công suất bằng 1 khi dòng điện và điện áp cùng pha. Hệ số công suất bằng 0
khi điện áp và dòng điện lệch pha nhau 900, ở đây công suất phải được thể hiện dòng
điện nhanh hay chậm pha hơn so với điện áp.
- Muốn nâng cao công suất thật P thì cần nâng cao hệ số cosρ.

1.2. Tại sao cần phải điều chỉnh hệ số công suất:
1.2.1. Giảm giá thành năng lượng điện và phí truyền tải:
- Nâng cao hệ số công suất đem lại những ưu điểm về kỹ thuật và kinh tế, nhất là

giảm tiền điện. Thực tế cho thấy công ty cung cấp điện bán điện cho người dùng dưới
hai giá trị là điện áp và dòng điện (VA), nhưng hóa đơn lại được tính bằng Watt. Nếu
hệ số công suất của thiết bị có giá trị thấp hơn 1 thì cần phải có nhiều công suất VA
được truyền đi để có thể đáp ứng được công suất Watt thật, ngoài ra nó còn làm tăng
chi phí thực hiện việc truyền dẫn điện.
1.2.2. Tối ưu hóa kinh tế kỹ thuật:
- Cải thiện hệ số công suất cho phép người sử dụng máy biến áp, thiết bị đóng cắt và
cáp nhỏ hơn vv…đồng thời giảm tổn thất điện năng và sụt áp trong mạng điện.
- Hệ số công suất cho phép tối ưu hóa các phần tử cung cấp điện. Khi ấy các thiết bị
điện không cần định mức dư thừa. Về mặt kỹ thuật, hệ số công suất là tỷ số giữa công
3


suất tác dụng và công suất biểu kiến. Công suất tác dụng là công suất thực, còn công
suất biểu kiến thường lớn hơn công suất thực, là công suất truyền tải trên đường dây
điện đến thiết bị sử dụng.
- Hệ số công suất càng lớn thì công suất tác dụng càng gần bằng công suất biểu kiến,
hiệu quả sử dụng càng cao hơn.

1.3. Nguyên tắc cơ bản để điều chỉnh hệ số công suất PFC:
- Bộ PFC được lắp đặt tại vị trí giữa nguồn cấp ( sau chỉnh lưu) và tải một chiều, có tác dụng
theo dõi hệ số công suất của tải và tự động điều chỉnh để điện áp và dòng điện luôn đồng pha
(cosρ = 1). Đồng thời nó còn có tác dụng ổn định điện áp đầu ra, làm tăng tính ổn định của hệ
thống, xử lý các thay đổi diễn ra ở phía nguồn cấp và phía tải một chiều, thông báo và tác
động khi xảy ra sự cố.
- Trong mạch PFC, với điện áp đầu vào là một pha thì sau khâu chỉnh lưu ta dùng các mạch
băm áp để điều chỉnh điện áp đầu ra, hệ số công suất của mạch.

1.3.1. Điều chỉnh hệ số công suất tuyến tính:
- Điều chỉnh PFC truyến tính áp dụng cho các thiết bị tiêu thụ trực tiếp điện áp lưới.

Việc điều chỉnh có thể đạt được bằng việc thêm vào hay bớt ra các cuộn dây hay tụ
điện cho thiết bị. Như động cơ mang tính cảm kháng có thể điều chỉnh PFC bằng việc
đấu thêm một tụ song song cuộn dây vận hành nhằm giúp triệt tiêu công suất phản
kháng, làm giảm công suất biễu kiến và tăng hệ số PF.
- Thiết bị điều chỉnh hệ số công suất thực chất là một thiết bị cung cấp một công suất
phản kháng tương ứng và đối nghịch lại với công suất phản kháng được tạo ra của
thiết bị. Thêm tụ điện hay cuộn dây vào quá trình để huỷ bỏ đi hiệu ứng cảm ứng hay
điện dung tương ứng được tạo ra. Động cơ có tính cảm ứng có thể được bù bằng các tụ
lọc, lò hồ quang điện có tính điện dung có thể bù bằng các cuộn dây.
- Khi thêm vào hay lấy ra các thiết bị bù công suất phản kháng có thể tạo ra sự biến
động điện áp hay tạo ra các méo hài, trong trường hợp xấu nhất các thành phần bù
công suất phản kháng có thể tạo ra hiện tượng cộng hưởng với hệ thống được bù, làm
cho điện áp tăng cao và gây mất ổn định cho hệ thống. Do vậy việc điều chỉnh hệ số
PFC không thể đơn giản là việc thêm hay bớt các thành phần, mà nó cần được tính
toán kỹ phù hợp với từng mức công suất tải trên thiết bị.
1.3.2. Điều chỉnh hệ số công suất phi tuyến tính:
- Tải phi tuyến thường là dạng tải chỉnh lưu, không sử dụng trực tiếp từ điện xoay
chiều mà nắn lại thành dạng điện một chiều-chỉnh lưu như các bộ nguồn máy tính
(PSU), adaptor,…hay các thiết bị sử dụng năng lượng gián đoạn-liên tục như máy hàn,
bóng đèn huỳnh quanh,..,các thiết bị này trong quá trình tiêu thụ năng lượng còn tạo
ra các dạng sóng hài có tần số là bội số của tần số điện lưới, chèn vào tần số điện lưới.
4


Các thành phần linh kiện tuyến tính như cuộn dây và tụ điện không thể loại bỏ được
các dải tần số mới được tạo ra này, vì vậy nó phải dùng các bộ lọc hay bộ điều chỉnh
hệ số công suất có thể làm phẳng dòng điện ra trên mỗi chu kỳ nhằm giảm dòng hài.
- Trong các loại tải phi tuyến tính đó thì PSU được sử dụng nhiều nhất, với thiết kế
chuyển đổi năng lượng theo kiểu đóng/cắt (switching). Trước đây các bộ nguồn này
chỉ đơn giản được thiết kế với một cầu nắn điện chỉnh lưu toàn sóng nạp một mức điện

áp dưới mức chịu đựng được của tụ điện. Điều này sẽ tạo ra một dòng điện nạp ban
đầu rất cao, hệ số công suất rất thấp, đồng thời tạo ra các sóng hài không có lợi.
1.3.2.1. Điều chỉnh hệ số công suất thụ động – Passive PFC:
-Phương pháp Passive PFC đơn giản chỉ là sử dụng một bộ lọc, bộ lọc này chỉ cho qua
dòng điện có tần số bằng với tần số điện lưới (50Hz hoặc 60Hz) và chặn không cho
các tần số sóng hài đi qua. Lúc này tải phi tuyến tính có thể xem như một tải tuyến
tính, hệ số công suất đã được nâng cao hơn.
-Tuy nhiên yêu cầu cần phải có cuộn cảm có giá trị cảm kháng lớn đã làm cho bộ lọc
cồng kềnh và có giá thành cao, nhưng thực tế với mạch Passive PFC có cuộn dây tuy
lớn hơn cuộn dây của mạch điều chỉnh hệ số công suất tích cực Active PFC nhưng giá
thành chung lại rẻ hơn. Đây là một phương pháp đơn giản và rẻ tiền để điều chỉnh hệ
số công suất và làm giảm sóng hài tuy nhiên nó lại không hiệu quả bằng phương pháp
điều chỉnh hệ số công suất tích cực Active PFC vì cuộn dây có kích thước cố định nên
giải điện áp hoạt động không cao.
1.3.2.2. Điều chỉnh hệ số công suất tích cực – Active PFC:
-Là một hệ thống điện tử công suất có chức năng kiểm soát năng lượng cung cấp cho
tải, điều chỉnh hệ số công suất ở mức tốt nhất trên mọi mức tải. Trong thiết kế thực tế,
mạch Active PFC điều khiển dòng nạp cho tải sao cho dạng sóng của dòng vào cùng
pha với dạng sóng ở đầu vào (ở đây là sóng sin). Thực chất nó chính là mạch băm áp
có thể dùng trong bộ PFC. Về cơ bản có 3 dạng mạch Active PFC được sử dụng, là;
Boost, Buck và Buck-Boost.
- Mạch Boost ( Boost PFC):

Hình1.2. Sơ đồ mạch Boost.
5


Khi van đóng : Diode D khóa do bị phân cực ngược bởi tụ C 0. Năng lượng trong tụ C0 xả qua
tải, dòng điện từ dương nguồn qua cuộn L qua van rồi trở về âm nguồn.
Khi van cắt: Diode D phân cực thuận dẫn dòng từ nguồn qua cuộn L nạp cho tụ C 0 với cực

tính như hình vẽ. Cuộn L đổi cực tính, điện áp nạp cho tụ C 0 là VC0 = Vs + VL. Do vậy điện áp
ra của mạch Boost cao hơn điện áp đầu vào.

Hình1.3. Dạng sóng điện áp và dòng điện vào bộ Boost PFC.

- Mạch Buck (Buck PFC):

Hình 1.4. Sơ đồ mạch Buck.
Khi van đóng: Diode khóa do bị phân cực ngược, dòng điện từ dương nguồn qua L
nạp cho tụ . C0
Khi van cắt: Cuộn L đảo cực tính, diode D dẫn, dòng điện qua tải bằng tổng dòng
điện qua L và dòng điện qua tụ C0: Itải = IL + IC0
Điện áp trên tụ C: Uc = Vs - VL = Utải.
Điện áp ra của bộ Buck luôn nhỏ hơn điện áp nguồn cấp.

6


Hình 1.5. Dạng sóng điện áp và dòng điện vào bộ Buck PFC.
- Mạch Buck/Boost (Buck/Boost PFC):

Hình 1.6. Sơ đồ mạch Buck/Boost.
Khi van đóng: điện áp trên cuộn L bằng điện áp nguồn. Diode D khóa do bị phân cực
ngược. Dòng điện qua tải được cung cấp bởi tụ C0.
Khi van cắt: điện áp trên L đảo cực tính, diode D dẫn dòng khép mạch L – C 0 – D –
L. Tụ C0 được nạp chuẩn bị cho chu kì phóng khi van đóng.
Điện áp ra trong trường hợp này có thể lớn hoặc nhỏ hơn điện áp nguồn cấp.
-Trong PSU, dạng mạch được sử dụng thông dụng nhất là Boost. Một mạch chuyển
đổi được chèn vào giữa cầu nắn điện và tụ lọc chính. Nó tạo một điện áp DC ổn định ở
đầu ra và duy trì dòng điện vào luôn đồng pha với tần số của điện áp vào. Phương

pháp này đòi hỏi phải thêm một số linh kiện chuyển mạch bán dẫn công suất và mạch
điều khiển nhưng bù lại nó có kích thước nhỏ hơn mạch Passive PFC.
-Dạng mạch điều chỉnh hệ số công suất Active PFC có thể hoạt động trên một dải điện
áp vào rất rộng, từ 90VAC đến 264VAC, nên được sử dụng rộng rãi, người dùng không
cần quan tâm tới mức điện áp phù hợp với PSU tại khu vực mình đang ở, ngoài ra nó
còn giúp PSU hoạt động được ở những khu vực có điện áp AC không ổn định.

7


Hình 1.7. Mạch Passive PFC thực tế trong PSU.

Hình 1.8. Mạch Active PFC thực tế trong PSU.

8


Chương 2. Tìm hiểu vi mạch PFC UC3854.
2.1. Các đặc điểm kỹ thuật chính:
a. Đặc điểm:
- Sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM tăng hệ số công suất lên tới 0,99.
- Giảm thiểu độ méo dòng xuống còn nhỏ hơn 5%.
- Điều khiển toàn mạch mà không cần đến bộ ngắt mạch.
- Điều chỉnh sự cấp dòng.
- Kiểm soát chế độ dòng điện ở mức trung bình.
- Nhạy cảm với tiếng ồn nhỏ.
- Cấp dòng khởi động thấp.
- Phương pháp PWM giữ tần số ổn định.
- Bộ chia/bộ nhân bù tín hiệu tương tự ở mức thấp.
- Chuẩn điện áp chính xác.

b. Mô tả chung về UC3854:
- UC3854 cho phép điều chỉnh hệ số công suất của nguồn cấp mà nếu không thì dòng
nhận được sẽ không sin từ nguồn dòng sin. Thiết bị này thực hiện tất cả các chức năng
điều khiển cần thiết để tạo nên nguồn cấp có công suất tối đa từ nguồn cấp sẵn có,
đồng thời giảm thiểu tới mức thấp nhất có thể sự méo dòng. Để làm được điều này,
UC3854 phải có một bộ khuyếch đại điện áp, một khối bộ chia/bộ nhân tín hiệu tương
tự, một bộ khuyếch đại dòng điện, một bộ giữ tần số ổn định sử dụng phương pháp
PWM. Ngoài ra, UC1854 còn phải có một bộ điều khiển cổng tương thích nguồn cho
MOSFET với điện áp chuẩn là 7,5V, bộ đoán trước dòng, bộ so sánh tải cho phép, bộ
dò nguồn cấp thấp, bộ so sánh quá dòng.
-UC3854 sử dụng phương pháp điều khiển dòng trung bình để đạt được sự điều khiển
dòng điện và tần số ổn định với độ ổn định cao và độ méo thấp. Không giống với chế
độ dòng điện cực đại, phương pháp điều khiển dòng trung bình duy trì chính xác dòng
điện hình sin mà không cần bù hệ số góc phản hồi nhỏ để giảm quá trình quá độ.
-UC3854 có chuẩn điện áp cao và biên độ dao động cao làm giảm thiểu tới mức thấp
nhất độ nhạy của tiếng ồn, trong khi đó, bộ phận điều biến độ rộng xung PWM cho
phép băm tần số trên 200kHz. UC3854 có thể sử dụng nguồn 1 pha hoặc 3 pha với
điện áp khoảng từ 75 ÷ 275V và dải tần số làm việc là 50÷400Hz. Để giảm thiểu tải
trọng trong mạch mà nguồn cấp phải cấp, thì đặc điểm của UC1854 là dòng khởi động
thấp.
- Những chi tiết tạo nên UC3854 được tích hợp sẵn trong một khối nối tiếp nhau gồm
16 chân nhựa và sứ.
9


2.2. Sơ đồ khối và sơ đồ nối chân:

Hình 2.1 - Sơ đồ khối.

Hình 2.2 - Sơ đồ chân.

10


2.3. Sơ đồ điển hình sử dụng vi mạch UC3854:

Hình 2.3 – Sơ đồ điển hình sử dụng vi mạch UC3854.

11


Chương 3. Thử nghiệm, phân tích một bộ nguồn thực tế.
3.1. Nhiệm vụ:
Nghiên cứu, phân tích một bộ nguồn thực tế “ Tìm hiểu về bộ nguồn hiệu suất cao cho
thiết bị chiếu sáng LED” đã được sản xuất hàng loạt trên thực tế.

3.2. Mô tả cấu trúc:

12


3.2. Lắp ráp tải
Từ mạch nguyên lý ta thiết kế được mạch như sau

Hình 3.1. Sơ đồ mạch cấu trúc.
Cấu trúc mạch gồm hai tầng:
- Mạch Boost với khâu AC – DC:
 Nguồn được cấp từ điện lưới xoay chiều, qua cầu chỉnh lưu thành nguồn
một chiều, điện áp một chiều được san phẳng nhờ tụ C 1. Sau đó được
đưa qua cuộn dây thứ nhất (1 – 3), qua diode D3 nạp cho tụ C5.

 Khâu tạo nguồn cấp nguồn cho vi xử lý qua chân 8.
 Khối (C2 // R5) phản hồi điện áp về chân số 3 của vi xử lý.
 Khối điện trở shunt ( R7 // R8) đo dòng phản hồi về chân số 4 của vi xử
lý.
 Khối [ ( R11 nối tiếp R12) nối tiếp ( R9 // R10)] là mạch phản hồi điện áp
đầu ra về chân số 1.
 Khối ( C3 // ( R4 nối tiếp C4 ) là cụm mạch lọc.
-

Mạch Buck với khâu DC – DC:
13


 Khối ( R13 // R14 // R15) là khối điện trở shunt để đo giá trị dòng điện rồi
phản hồi về chân số 4 để bảo vệ quá điện áp cho Mosfet Q2.
 Mosfet Q2 điều khiển chân số 7 của vi xử lý.
 Khối (C7 // C8) để lọc nguồn đầu vào chân 8 của vi xử lý.
 Khối [ (C6 // R18 ) nối tiếp(C7 // R17) ] là mạch tạo tần số băm xung
PWM.

3.3. Lắp ráp tải:
Từ mạch nguyên lý ta thiết kế được mạch như sau

Hình 3.2 – Mạch thực tế.

Hình 3.3 – Tải.
Điện áp ra tải là 350V, dòng điện qua tải trong khoảng 0,2÷0,3A nên giá trị điện
trở được tính theo công thức:
R1 

350
 1750 ()
0.2

R2 

350
 1167 ()
0.3

Giá trị điện trở trong khoảng 1167÷1750 Ω.
14


Ta chọn 17 điện trở 10W, 100Ω nên tổng trở tải là 1700 Ω
Khi đó dòng điện thực tế trên tải đo được là 0,234A.

3.3. Thử nghiệm và đánh giá kết quả:
3.3.1. Điện áp đầu vào và đầu ra của cuộn dây

Hình 3.4 . Cuộn dây tầng boost và dạng điện áp vào cuộn dây (sau chỉnh lưu).

15


16


Hình 3.5. Cuộn dây tầng buck.

17


Điện áp ra cuộn dây.
3.3.3. Điện áp điều khiển của Mostfet:

Hình 3.6. Xung điều khiển của Mostfet.

18


3.3.4. Điện áp trên tải:

Hình3.7. Tải và dạng điện áp ra trên tải.
Điện áp ra trên tải là dòng một chiều, nhưng khi đo ở chu kì T = 2ms (tần số
cao) nên dạng điện áp không là đường thẳng mà hơi lượn sóng.
3.3.5. Điện áp của tụ:

Hình 3.8. Tụ.
Điện áp của tụ là điện áp một chiều có giá trị 403÷404 V
3.3.5. Điện áp và dòng điện đầu vào nguồn
19


Điện áp và dòng điện đầu vào nguồn cùng chân nối đất nên có điểm chung như
hình dưới đây:

Hình 3.9. Dạng điện áp và đầu vào nguồn.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. />20


2. Datasheet về UC3854 của hãng Texas Instrument Incorporeted.

21