Thiết kế bộ nguồn chiếu sáng led ứng dụng trong smart home

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------ĐOÀN VĂN DƢƠNG

THIẾT KẾ BỘ NGUỒN CHIẾU SÁNG LED
ỨNG DỤNG TRONG SMART HOME

Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. TẠ CAO MINH

HÀ NỘI - 2017


Lời cam đoan

LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan luận văn thạc sỹ: “Thiết kế bộ nguồn cho chiếu sáng LED
ứng dụng trong smart home” do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Tạ
Cao Minh. Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế.
Để hoàn thành luận văn này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh
mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát
hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Hà Nội, ngày

tháng

năm 2017

Học viên

Đoàn Văn Dương


Mục lục

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. i
MỤC LỤC ............................................................................................................................ i
DANH MỤC HÌNH VẼ ..................................................................................................... iii
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU ........................................................................................... v
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................................. vi
LỜI NÓI ĐẦU ..................................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CHIẾU SÁNG LED ỨNG DỤNG TRONG SMART
HOME ................................................................................................................................. 2
1.1. Giới thiệu về đèn LED.............................................................................................. 2
1.1.1. Lịch sử của đèn LED ......................................................................................... 2
1.1.2. Nguyên lý phát sáng của LED ........................................................................... 2
1.1.3. Tính năng ưu việt của bóng đèn LED ................................................................ 3
1.2. Sản phẩm LED chiếu sáng ....................................................................................... 3
1.3. Ứng dụng LED chiếu sáng trong smart home .......................................................... 4
1.4. Yêu cầu thiết bị nguồn chiếu sáng LED ................................................................... 6
Chương 2. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ MẠCH LỰC ..................................................... 7
2.1. Lựa chọn cấu hình bộ nguồn .................................................................................... 7
2.1.1. Các cấu hình biến đổi DC/DC .......................................................................... 7
2.1.2. Lựa chọn cấu hình bộ biến đổi DC/DC ........................................................... 10
2.1.3. Cấu hình Flyback ............................................................................................ 10

2.2. Tính tốn và thiết kế mạch lực ............................................................................... 14
2.2.1 Mơ hình trạng thái trung bình Flyback DCM .................................................. 14
2.2.2. Tính tốn và thiết kế các phần tử .................................................................... 15
Chương 3. MƠ HÌNH HĨA VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ...................................... 21
3.1. Mơ hình hóa dùng phương pháp tín hiệu nhỏ ........................................................ 22
3.2. Tổng hợp mạch điều khiển ..................................................................................... 24
3.2.1. Tính tốn thơng số bộ điều khiển .................................................................... 24
3.2.2. Xây dựng mạch điều khiển .............................................................................. 27
Chương 4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐÈN TỪ XA ................................... 29
4.1. Các phương thức điều khiển đèn từ xa ................................................................... 29
i


Mục lục

4.1.1. Điều khiển từ xa sử dụng cảm biến ................................................................. 29
4.1.2. Điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại (IR) ...................................................... 29
4.1.3. Điều khiển từ xa bằng sóng vơ tuyến (RF) ...................................................... 30
4.1.4. Điều khiển từ xa cao cấp ................................................................................. 30
4.2. Phương thức điều khiển đèn qua Bluetooth ........................................................... 31
4.3. Thiết kế hệ thống điều khiển đèn qua Bluetooth .................................................... 31
4.3.1. Thiết bị cần thiết .............................................................................................. 31
4.3.2.

đồ ết nối .................................................................................................... 35

4.3.3. Thiết ế phần mềm điện thoại .......................................................................... 36
4.3.4. L p tr nh rduino ............................................................................................ 36
Chương 5. KẾT QUẢ MƠ PHỎNG ................................................................................. 37
5.1. Mơ phỏng phần điều khiển từ xa bằng Proteus ...................................................... 37

5.2. Mô phỏng phần công suất bằng phần mềm PSIM.................................................. 38
5.1.1.
đồ mô phỏng ............................................................................................... 38
5.1.2. Bài tốn mơ phỏng........................................................................................... 41
Chương 6. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM........................................................................... 44
6.1. Thực nghiệm bộ nguồn ........................................................................................... 44
6.1.1.
đồ mạch thực nghiệm ................................................................................. 44
6.1.2. Kết quả thực nghiệm ........................................................................................ 44
6.2. Thực nghiệm kết hợp bộ điều khiển từ xa và bộ nguồn ......................................... 46
KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 49
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 50
PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 51
P.1. Code chương trình Matlab ..................................................................................... 51
P.2. Code chương trình Arduino ................................................................................... 51
P.3. Lập trình điện thoại android .apk ........................................................................... 52
P.4. Mạch in ................................................................................................................... 53

ii


Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Ngun lý phát sáng của LED ............................................................................. 2
Hình 1.2. Sản phẩm LED chiếu sáng .................................................................................. 4
Hình 1.3. Ứng dụng LED chiếu sáng trong smart home ..................................................... 5
Hình 2.1. Phân loại cấu hình bộ biến đổi DC-DC ............................................................... 7
Hình 2.2. Cấu hình các bộ DC-DC khơng cách ly .............................................................. 7
Hình 2.3. Cấu hình bộ biến đổi Forward & Push-Pull ........................................................ 8

Hình 2.4. Cấu hình bộ biến đổi Flyback .............................................................................. 9
Hình 2.5. Cấu hình Half-Bridge và Full-Bridge .................................................................. 9
Hình 2.6. Các trạng thái đóng cắt ...................................................................................... 12
Hình 2.7. Các phần tử chính mạch lực bộ nguồn LED ..................................................... 15
Hình 2.8. Lõi Ferrite EE .................................................................................................... 17
Hình 2.9. Mạch bảo vệ RCD ............................................................................................. 19
Hình 3.1. Cấu trúc các mạch vịng điều khiển................................................................... 21
Hình 3.2. Cấu trúc điều khiển peak current ....................................................................... 21
Hình 3.3. Mơ hình tải đầu ra dạng LED ............................................................................ 23
Hình 3.4. Cấu trúc điều khiển phản hồi dịng .................................................................... 24
Hình 3.5. Đồ thị Bode của hàm truyền đối tượng ............................................................. 25
Hình 3.6. Đồ thị Bode của đối tượng khi có bộ điều khiển ............................................... 27
Hình 3.7. Cấu trúc mạch bù loại 2 ..................................................................................... 27
Hình 3.8. Đồ thị Bode của hệ khi bộ điều khiển thực tế ................................................... 28
Hình 4.1. Chiếu sáng LED trong smart home ................................................................... 29
Hình 4.2. Ký hiệu Bluetooth.............................................................................................. 31
Hình 4.3. Mạch Arduino UNO .......................................................................................... 32
Hình 4.4. Cấu hình chân mạch Arduino UNO .................................................................. 32
Hình 4.5. Module Bluetooth HC05 ................................................................................... 33
Hình 4.6. Smart phone Android ........................................................................................ 35
Hình 4.7. Mạch Arduino UNO

Bluetooth HC05 .......................................................... 35
iii


Danh mục hình vẽ

Hình 4.8. Thiết kế phần mềm trên điện thoại .................................................................... 36
Hình 4.9. Lập trình Arduino .............................................................................................. 36

Hình 5.1. Sơ đồ mơ phỏng Arduino trên Proteus .............................................................. 37
Hình 5.2. Giao diện và chương trình ứng dụng trên smart phone ..................................... 38
Hình 5.3. Sơ đồ mạch lực sử dụng UC3844 ...................................................................... 38
Hình 5.4. Sơ đồ cấu tạo UC3844 ....................................................................................... 39
Hình 5.5. Mạch đo dịng peak qua van .............................................................................. 39
Hình 5.6. Mạch tạo điện áp dòng đặt đầu ra ...................................................................... 40
Hình 5.7. Mạch điều khiển và cách ly ............................................................................... 40
Hình 5.8. Đáp ứng dòng điện và điện áp qua LED khi đầu vào 220VAC ........................ 41
Hình 5.9. Đáp ứng dịng điện qua LED khi đầu vào 85VAC............................................ 42
Hình 5.10. Đáp ứng dịng điện qua LED khi đầu vào 256VAC........................................ 42
Hình 6.1. Mạch thực nghiệm ............................................................................................. 44
Hình 6.2. Dạng dịng điện đầu ra ....................................................................................... 44
Hình 6.3. Điện áp đầu ra .................................................................................................... 45
Hình 6.4. Điện áp van trên cực GS .................................................................................... 45
Hình 6.5. Điện áp van trên cực DS .................................................................................... 46
Hình 6.6. Mạch nguồn 7805 cho Arduino ......................................................................... 46
Hình 6.7. Mạch tạo điện áp đặt cho BĐK ......................................................................... 46
Hình 6.8. Sơ đồ điều khiển ON/OFF LED ........................................................................ 47
Hình 6.9. Sơ đồ điều chỉnh độ sáng LED .......................................................................... 47
Hình 6.10. Thực nghiệm bộ điều khiển từ xa và bộ nguồn ............................................... 48

iv


Danh mục bảng số liệu

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 1.1. So sánh chi phí các loại bóng đèn với cùng thời gian sử dụng ........................... 3
Bảng 2.1. Bảng so sánh các cấu hình DC/DC ................................................................... 10
Bảng 2.2. Chú thích các ký hiệu phân tích mạch Flyback ................................................ 11

Bảng 2.3. So sánh giữa chế độ dòng liên tục (CCM) và dòng gián đoạn (DCM)............. 13
Bảng 2.4. Thơng số kỹ thuật chíp LED LUXEON-T-LXH8-FW50 ................................. 15
Bảng 2.5. Thông số đầu vào và lựa chọn tính tốn ........................................................... 15
Bảng 2.6. Thơng số lõi EE22............................................................................................. 17
Bảng 2.7. Thông số của MOSFET IRF 820 ...................................................................... 18
Bảng 2.8. Thông số Diode SF18 ....................................................................................... 19
Bảng 2.9. Thông số Diode SF58 ....................................................................................... 20
Bảng 3.1. Thông số giá trị linh kiện bộ điều khiển ........................................................... 28
Bảng 4.1. Thông số mạch Arduino UNO .......................................................................... 32
Bảng 4.2. Cấu hình chân kết nối Bluetooth ....................................................................... 35

v


Danh mục từ viết tắt

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
LED

Light Emitting Diode

Diode phát quang

CFLs

Compact Fluorescent Lights

Đèn huỳnh quang compact

CCM

Continue Current Mode

Dòng điện liên tục

DCM

Discontinue Current Mode

Dòng điện gián đoạn

CMC

Current Mode Control

Điều khiển dòng

EMI

ElectroMagnetic Interference

Nhiễu điện từ

DC

Direct Current

Điện một chiều

AC

Alternating Current

Điện xoay chiều

VAC

Voltage Alternating Current

Điện áp xoay chiều

VDC

Voltage Direct Current

Điện áp một chiều

IR

Ifrared Remote

Điều khiển hông ngoại

RF

Radio Frequency

Điều khiển tần số radio

IC

Intergrated Control

Chip điều khiển

BAX

-

Biến áp xung

MBA

-

Máy biến áp

BĐK

-

Bộ điều khiển

vi


Lời nói đầu

LỜI NĨI ĐẦU
Mục tiêu của luận văn là thiết kế bộ nguồn cho đèn LED Downlight ứng dụng

trong smart home, hướng tới làm chủ công nghệ thiết kế bộ nguồn cho các loại đèn LED
cũng như phương thức điều khiển ứng dụng smart home đang dần được phổ biến hiện
nay. Tiến tới thực hiện được một sản phẩm demo điều khiển LED thông qua smart phone.
Trong thời gian tiến hành làm luận văn, em đã thực hiện được các công việc với những
kết quả như sau:
-

Chương 1: Tổng quan về chiếu sáng LED ứng dụng trong smart home, đặt ra bài

-

toán và mục tiêu của luận văn này.
Chương 2: Tính tốn và thiết kế mạch lực hệ thống chiếu sáng: Lựa chọn cấu hình
bộ nguồn phù hợp, tính toán và thiết kế các linh kiện, phần tử quan trọng của bộ

-

biến đổi.
Chương 3: Mơ hình hóa và thiết kế bộ điều khiển cho bộ nguồn LED đảm bảo an
toàn cho người sử dụng.
Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển đèn từ xa: Lựa chọn phương thức điều
khiển phù hợp, xây dựng chương trình phần mềm ứng dụng trên smart phone

-

Chương 5: Kết quả mô phỏng : Kiểm tra tính đúng đắn thiết kế và hoạt động của
bộ nguồn và bộ điều khiển từ xa thông qua mô phỏng.

-

Chương 6: Kết quả thực nghiệm : Kiểm tra tính đúng đắn thiết kế và hoạt động
của bộ nguồn và bộ điều khiển từ xa thông qua thực nghiệm.

Do thời gian có hạn cũng như sự hạn chế về mặt kiến thức và thực nghiệm, luận
văn chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy, em kính mong nhận được những
lời nhận xét, đánh giá và góp ý của các thầy cơ để em khắc phục và hồn thiện các phần
cịn thiếu sót của bản luận văn, tạo tiền đề cho sự ra đời của một sản phẩm hoàn thiện
hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2017

Học viên

Đoàn Văn Dương

1


Chương 1. Tổng quan về chiếu sáng LED ứng dụng trong smart home

Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ CHIẾU SÁNG LED
ỨNG DỤNG TRONG SMART HOME
1.1. Giới thiệu về đèn LED
1.1.1. Lịch sử của đèn LED
LED (viết tắt của Light Emitting Diode, có nghĩa là điốt phát quang) là các điốt
có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại. Cũng giống như điốt, LED

được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫn loại n.
Xuất hiện như các thành phần điện tử thực tế vào năm 1962, đèn LED đầu tiên
phát ra ánh sáng hồng ngoại cường độ thấp, vẫn thường được sử dụng như các yếu tố
truyền trong các mạch điều khiển từ xa. Các đèn LED ánh sáng nhìn thấy đầu tiên cũng
có cường độ thấp và giới hạn màu đỏ. Đèn LED ban đầu thường được sử dụng làm đèn
báo các thiết bị điện tử, thay bóng đèn sợi đốt nhỏ. Chúng được đóng gói thành các đầu
đọc số dưới dạng màn hình bảy đoạn và thường thấy trong đồng hồ kỹ thuật số.
LED xanh da trời làm được phát minh đầu tiên do Shuji Nakamura của công ty
Nichia Corporation vào năm 1994. Sự ra đời của LED xanh da trời cộng với LED hiệu
suất cao nhanh chóng dẫn đến sự ra đời LED trắng đầu tiên. Năm 2006, Nakamura được
trao giải thưởng công nghệ thiên niên kỷ cho phát minh này[9].
Hiệu suất, công suất của LED ngày càng tăng đi cùng với giá thành hạ theo thời
gian. Sự phát triển LED nói chung đã đóng góp cho sự phát triển song song giữa các công
nghệ bán dẫn, khoa học vật liệu và quang học. Hiện nay tại Việt Nam cơng nghệ LED đã
có những bước nhảy vọt trong ứng dụng vào thị trường dân dụng & công nghiệp một
cách rộng rãi.
1.1.2. Nguyên lý phát sáng của LED
Ánh sáng

LED dựa trên công nghệ bán dẫn,
hoạt động của LED giống với nhiều loại
bán dẫn khác. Khối bán dẫn loại p chứa
nhiều loại lỗ trống tự do mang điện tích
dương nên khi ghép với khối bán dẫn n
(chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống
này có xu hướng chuyển động khuyếch
tán sang khối n. Cùng lúc khối p lại

p

Vùng hoạt động

n

Hình 1.1. Nguyên lý phát sáng của LED
nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ
khối n chuyển sang. Kết quả là khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử)
trong khi khối n tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống). Ở biên giới hai
2


Chương 1. Tổng quan về chiếu sáng LED ứng dụng trong smart home
bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng
có xu hường kết hợp với nhau tạo thành các ngun tử trung hịa. Q trình này có thể
giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó).
Tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát ra
khác nhau (tức màu sắc của LED sẽ khác nhau). Mức năng lượng (và màu sắc của LED)
hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên tử chất bán dẫn. LED
thường thì điện áp phân cực thuận khoảng 1,5V đến 2,5V; còn đối với LED siêu sáng
thì điện áp phân cực thuận có thể lên tới 5V.
Khi LED hoạt động bình thường thì cường độ dòng điện từ 10mA đến 50mA, còn
với LED siêu sáng thì cường độ dịng điện có thể lên tới hơn 1A tùy vào cấu tạo thiết kế.
1.1.3. Tính năng ưu việt của bóng đèn LED
Đèn LED có nhiều ưu điểm so với nguồn sáng sợi đốt và huỳnh quang , bao gồm
mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn, tuổi thọ dài hơn, kích thước nhỏ hơn và giá thành
ngày càng giảm. Tính đến năm 2017, đèn LED chiếu sáng trong nhà với giá bằng hoặc rẻ
hơn so với các nguồn đèn huỳnh quang cùng độ sáng. Chúng cũng hiệu quả hơn đáng kể
về năng lượng và có ít mối quan tâm về môi trường liên quan đến việc xử lý chúng.
Bảng 1.1. So
Sosánh

sánhchi
chiphíphí
loại
bóng
với cùng
thời sử
gian
sử dụng[9]
cáccác
loại
bóng
đènđèn
với cùng
thời gian
dụng
Hạng mục
Giá
Cơng suất
Quang thơng
lm / W
Nhiệt độ màu
Tuổi thọ
Chi phí 10 năm
(1.784VNĐ/kWh)

VNĐ
W
lm
K
h

Đèn sợi đốt
9.307
60
860
14,3
2.700
1000

Đèn halogen
26.559
43
750
17,4
2.920
1000

Đèn compact
22.473
14
775
55,4
2.700
10000

LED
113.273
9,5
815
85,8

2.700
25000

VNĐ

2.344.176

1.679.993

5469.74,4

371.161

203.823

581.642

49.215

99.227

2.547.999

2.261.634

596.190

470.388

2.547.999

2.593.341

661.579

496.360

Chi phí thay bóng VNĐ
Tổng chi trên
VNĐ
10 năm
Tổng chi cùng
VNĐ
quang thông
(860 lumens)

So sánh dựa trên 6 giờ sử dụng mỗi ngày (21.900 giờ trên 10 năm)

Nhận thấy rằng việc sử dụng LED với cường độ và thời gian sử dụng lớn thì sẽ
mang lại hiệu quả về kinh tế lớn hơn so với các loại bóng đèn thông thường.

1.2. Sản phẩm LED chiếu sáng
Bên cạnh LED có nhiều màu sắc phong phú như: đỏ, xanh lá, xanh da trời, màu hổ

3


Chương 1. Tổng quan về chiếu sáng LED ứng dụng trong smart home
phách... ứng dụng trong quảng cáo, trang trí, đèn giao thơng, tivi… thì đèn LED chiếu
sang được sử dụng trong các ứng dụng đa dạng như ánh sáng hàng không, đèn pha ô tô,

đèn nhà, đèn đường, đèn flash của camera... Tùy thuộc vào các nhu cầu ứng dụng chiếu
sáng cụ thể và đặc điểm của khu vực chiếu sáng, bao gồm cả mức tiêu thụ năng lượng,
mà đèn LED chiếu sang được chia ra nhiều loại.
 Đèn LED Downlight được ứng dụng trong chiếu sáng hành lang hay tủ trưng bày
sản phảm, các không gian nhỏ với mức cơng suất nhỏ trong khoảng 3 ÷ 15W.
 Đèn LED Tube ứng dụng cho chiếu sáng văn phòng, nhà ở với ánh sáng trắng tự
nhiên sẽ mang lại không khí thoải mái khi làm việc cũng như trong sinh hoạt. Bóng đèn
loại này có mức cơng suất trong khoảng 10÷30 W.
 Đèn LED Pannel ứng dụng trong chiếu sáng văn phòng, nhà hàng, khách sạn, các
trung tâm mua sắm, thương mại cũng như các trung tâm triển lãm….với mức cơng suất
trong khoảng 3÷ 25 W.
 Đèn LED Street ứng dụng cho chiếu sáng đường, khu trung cư đô thị, ký túc
xá…với mức cơng suất trong khoảng từ 100÷200W.
 Đèn LED High Bay cho chiếu sáng trong các xưởng sản xuất, khu thể thao trong nhà,
hội trường lớn…Có giải cơng suất từ 70 ÷ 200W (với bóng đèn LED 200W loại này có
cường độ sáng bằng loại bóng đèn cao áp 500W thơng thường). Ngồi ra bóng loại này
tạo ra ánh sáng khơng nóng, khơng thu hút cơng trùng, ngồi ra chúng khơng cần thời
gian khởi động như bóng đèn cao áp thơng thường.

Hình 1.2. Sản phẩm LED chiếu sáng
(Downlight – Tube – Pannel – Street – High bay)

1.3. Ứng dụng LED chiếu sáng trong smart home
Từ những ưu việt kể trên nên đèn LED được ứng dụng rất nhiều trong chiếu sáng
nói chung và trong smart home nói riêng, chúng được gọi là đèn LED thông minh. Đèn
LED thông minh ngày nay đã có mặt càng nhiều hơn trong các ngôi nhà thông minh.
Trong một ngôi nhà thông minh hệ thống đèn LED cảm ứng thông minh chiếm
một vị trí cực kỳ quan trọng. Hệ thống đèn LED cảm ứng thơng minh quyết định phần
ánh sáng cho tồ nhà và có liên quan tới gần như tất cả mọi khu vực trong một toà nhà.
4

Chương 1. Tổng quan về chiếu sáng LED ứng dụng trong smart home
Hệ thống đèn LED cảm ứng thông minh cấu tạo bởi hai phần, phần một là các đèn LED
thơng minh có nhiệm vụ phát sáng và các màu sắc khác nhau cho hệ thống. Phần thứ hai
là nhóm các cảm biến của hệ thống đèn LED cảm ứng thông minh. Các cảm biến này là
các cảm biến hồng ngoại, cảm biến tiệm cận, cảm biến chuyển động và cả cảm biến ánh
sáng... có nhiệm vụ tiếp nhận các thơng tin từ mơi trường bên ngồi rồi gửi về hệ thống
điều khiển trung tâm. Điều khiển hệ thống đèn LED cảm ứng thông minh là hệ thống
điều khiển trung tâm của cả toà nhà.

Tắt bật, điều chỉnh cường độ màu sắc
LED chiếu sáng thơng qua smart phone

Hình 1.3. Ứng dụng LED chiếu sáng trong smart home
Một trong những đột phá của hệ thống đèn LED cảm ứng thông minh đó là nay
chúng ta đã có thể quản lý cả hệ thống bằng ứng dụng ngay trên điện thoại di động, ta có
thể kiểm tra hệ thống đèn LED cảm ứng thơng minh của nhà mình bất kỳ lúc nào và bất
kể bạn ở đâu (tất nhiên là cần phải có kết nối internet). Ứng dụng điều khiển này giúp
thiết lập, điều chỉnh và chuyển đổi nhanh chóng giữa các kịch bản ánh sáng trong ngôi
nhà thông minh. Chúng ta có thể dễ dàng điều chỉnh cường độ ánh sáng, các chế độ bật
tắt thông minh, chuyển đổi màu sắc và quản lý hiệu năng của cả hệ thống, tự động tắt
điện với chế độ hẹn giờ khi đi ra ngồi mà qn khơng tắt điện.
Hiện nay tại các Viện nghiên cứu, trường học, cũng như các công ty sản xuất đèn
chiếu sáng đã có những nghiên cứu, phát minh, sản xuất ra các sản phẩm LED “Made in
Vietnam”, điển hình như các cơng ty Rạng Đơng, Philip,… Tại trường Đại học Bách
khoa Hà Nội dự án “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống chiếu sáng thông minh, tiết
kiệm năng lượng sử dụng điốt phát quang (LED) và nguồn cấp điện pin mặt trời” do các
nhà khoa học của trường thực hiện đã đã đem lại nhiều hy vọng cho các cơ sở sản xuất
5

Chương 1. Tổng quan về chiếu sáng LED ứng dụng trong smart home
panel pin mặt trời nhỏ trong việc tự chủ cơng nghệ, thay thế hàng nhập ngoại… Nhóm
nghiên cứu đã cho ra đời hệ cắt phiến pin mặt trời, chế tạo bộ Laminator (hệ ép chân
không gia nhiệt) để chế tạo panel pin mặt trời có cơng suất đến 150W, có khả năng ép
300kW panel pin mặt trời/năm; đèn LED có cơng suất chiếu sáng 5, 10 và 30W, hệ thống
điện mặt trời 10kW với đèn LED hoạt động độc lập chiếu sáng nội và ngoại thất… Hiện
nay, một phần hệ điện mặt trời và hệ chiếu sáng bằng modul LED được thực hiện tại
Trường ĐH Bách khoa Hà Nội và Bộ KH&CN.

1.4. Yêu cầu thiết bị nguồn chiếu sáng LED
Đèn LED sử dụng điện áp một chiều, chế độ hoạt động là ổn dịng (để có độ sáng
ln ổn định, khơng đổi), do đó khơng thể thiếu bộ nguồn (driver) để chuyển đổi nguồn
điện. Nếu bộ nguồn không ổn định, dịng qua LED khơng ổn định có thể làm LED hơi
nhấp nháy. Nếu bộ nguồn thiết kế không tốt, linh kiện sử dụng khơng tốt, có thể dễ gây
cháy, nổ, hỏng đèn LED.. Các bộ nguồn sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến sự vận hành, tuổi thọ
của đèn, cũng như tính tiết kiệm năng lượng mà nó mang lại, vì vậy chúng cần phải đảm
bảo được các yêu cầu sau:
-

Về mặt kích thước và trọng lượng: các bộ nguồn cần phải đảm bảo tính cơ

động cao nên kích thước cần phải nhỏ gọn và trọng lượng bé.
- Về mặt điều kiện làm việc: các bộ nguồn luôn phải được đóng kín nên u cầu
về độ tăng nhiệt của bộ nguồn cần phải đặc biệt quan tâm.
- Về các chế độ bảo vệ: các bộ nguồn cần phải đảm bảo các yêu cầu bảo vệ như
hở mạch, ngắn mạch, quá nhiệt, quá tải, ngược cực…
- Về chế độ làm việc: do mục đích cuối cùng ln là ánh sáng được ổn định mà
cường độ sáng của đèn luôn tỉ lệ với dịng điện qua nó (Luminous Flux- Forward

Current ). Vì vậy, ta cần bộ nguồn có dịng đầu ra ổn định và độ đập mạch thấp ánh sáng
phát ra ổn định và duy trì tuổi thọ của đèn LED.
Với ứng dụng trong smart home, phù hợp với loại đèn LED Downlight hay Tube.
Nên để đơn giản cũng như cụ thể hóa việc thiết kế bộ nguồn luận văn đề xuất thiết kế bộ
nguồn cho LED Downlight có thơng số yêu cầu như sau:
Điện áp đầu vào xoay chiều 85-265VAC, 50÷60 Hz, tương ứng điện áp sau
cầu chỉnh lưu 120-375VDC
Cơng suất 10W, ổn dòng đầu ra 1A, độ đập mạch dịng 5%
Cách ly hồn tồn, bảo vệ ngắn mạch và hở mạch
Có thể điều khiển từ xa bằng smart phone

6


Chương 2. Tính tốn và thiết kế mạch lực

Chƣơng 2. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ MẠCH LỰC
2.1. Lựa chọn cấu hình bộ nguồn
Cấu hình chung của bộ nguồn sử dụng một mạch chỉnh lưu cầu Diode (AC/DC) để
tạo ra một điện áp một chiều để từ đó ta sử dụng cấu hình DC/DC để tạo thành mạch
nguồn cho LED.

Hình 2.1. Phân loại cấu hình bộ biến đổi DC-DC
2.1.1. Các cấu hình biến đổi DC/DC
a. Bộ biến đổi hơng cách ly

Boost

Buck

Buck-Boost
Hình 2.2. Cấu hình các bộ DC-DC khơng cách ly[3]
7


Chương 2. Tính tốn và thiết kế mạch lực
Ưu điêm các bộ biến đổi Buck; Boost và Buck-Boost là cấu hình mạch đơn giản,
hiệu suất chuyển đổi cao. Nhược điểm là khơng có cách ly, tỉ số biến đổi điện áp hạn chế.
Xét về mặt an toàn: dựa vào sơ đồ mạch ta có thể thấy các thành phần như van bán
dẫn; cuộn cảm được nối trực tiếp vào nguồn, khi xảy ra sự cố ở phía nguồn (cầu diot bị
đánh thủng, cháy van …) thì tồn bộ năng lượng từ nguồn sẽ dội về tải gây cháy hỏng
LED, nguy hiểm cho người sử dụng. Ngồi ra về mặt cơng nghệ, bài tốn đặt ra trong
phần 1.4 có điện áp đầu vào và ra chênh lệch lớn. Do đó cấu hình khơng cách ly khơng
đáp ứng được u cầu.
b. Bộ biến đổi cách ly
Như đã nói ở phần trên, bộ biến đổi có cách ly bao giờ cũng an tồn hơn với người sử
dụng vì nguồn lưới đầu vào và nguồn đầu ra bộ biến đổi được cách ly về điện thông qua
máy biến áp xung (thường dùng lõi ferrit). Với bộ biến đổi có cách ly, lại chia làm hai
phương pháp điều khiển van: điều khiển khối xứng và điều khiển không đối xứng.
 Bộ biến đổi cách ly điều khiển đối xứng
+ Cấu hình Forward & Push-Pull

Forward

Push-Pull
Hình 2.3. Cấu hình bộ biến đổi Forward

Push-Pull[3]

Ưu điểm chung của bộ biến đổi Forward & Push-Pull có tỉ số biến đổi áp lớn do

sử dụng biến áp, phù hợp công suất < 1kW. Cấu hình Push-pull có hai van được nối với
nhau và nối đất nên việc thiết kế khối khuếch đại xung điều khiển van dễ dàng hơn.
Nhược điểm chung của hai bộ biến đổi này là sự mất cân bằng từ thơng do có
dịng một chiều chảy qua cuộn sơ cấp máy biến áp dẫn đến hiện tượng bão hòa mạch từ.
8


Chương 2. Tính tốn và thiết kế mạch lực
Mạch kích thước lớn do sử dụng cả biến áp và cuộn kháng, điện áp khi khóa trên van
bằng hai lần điện áp vào (2Vin) vì vậy van đóng cắt được lựa chọn phải chịu được điện áp
này dẫn đến giá cả tăng lên.
+ Cấu hình Flyback

Flyback
Hình 2.4. Cấu hình bộ biến đổi Flyback[3]
Ưu điểm: máy biến áp trong Fly-back dùng để loại bỏ dòng một chiều giữa đầu
vào và ra. Đầu ra của bộ Flyback có thể có nhiều cấp điện áp. Đặc biệt vì chứa ít thành
phần nên giá thành chế tạo một bộ Flyback là rẻ nhất so với những bộ biến đổi có cách ly.
Nhược điểm: Tuy có rất nhiều ưu điểm nổi trội nhưng Fly-back cũng có nhược
điểm cố hữu do cấu trúc của nó. Vì chỉ dùng một van đóng cắt nên đương nhiên dịng
chảy qua khi van dẫn và điện áp đặt lên van khi khóa cao hơn hẳn các cấu hình khác.
Muốn tăng cơng suất thì phải tăng kích thước lõi biến áp. Vì vậy Fly-back có dải cơng
xuất hạn chế chỉ < 200 W.
 Bộ biến đổi cách ly điều khiển đối xứng
+ Cấu hình Half-Bridge và Full-Bridge
Half-Bridge

Full-Bridge
Hình 2.5. Cấu hình Half-Bridge và Full-Bridge[3]
9

Chương 2. Tính tốn và thiết kế mạch lực
Ưu điểm: Half-Bridge & Full-Bridge khắc phục triệt để những nhược điểm của
các cấu hình điều khiển khơng đối xứng. Điện áp đặt trên van chỉ bằng điện áp vào (Vin).
Vấn đề bão hòa mạch từ do dòng một chiều cũng được giải quyết khi mắc nối tiếp hai tụ
với cuộn sơ cấp biến áp.
Nhược điểm: Cả hai cấu hình có cấu trúc cồng kềnh do sử dụng cả biến áp và cn
kháng. Hai tụ trong cấu hình Half-bridge được thay thế bằng hai van bán dẫn trong cấu
hình Full-Bridge, vì vậy tổn thất công suất của Full-bridge lớn hơn Half-bridge, luật điều
khiển van cũng phức tạp hơn để tránh hiện tượng trùng dẫn.
2.1.2. Lựa chọn cấu hình bộ biến đổi DC/DC
Qua các phân tích dựa trên ta rút ra bảng so sánh sau:
Bảng 2.1. Bảng so sánh các cấu hình DC/DC
Phân loại
Khơng cách ly

Cách ly

Điều khiển
khơng đối xứng
Điều khiển
đối xứng

Cấu hình

Dải công suất ra (W)

Hiệu suất (%)

Buck

Không giới hạn

75

Boost

Không giới hạn

80

Buck-boost

Không giới hạn

80

Fly-back

20÷200

80

Push-pull

150÷500

75

Forward

30÷500

75

Half-bridge

150÷1000

80

Full-bridge

>1000

75

Khi lựa chọn cấu hình chúng ta cần xem xét đến các yếu tố về mặt công nghệ
(công suất, hiệu suất, kích thước, trọng lượng) cũng như mặt kinh tế và đặc biệt là mức
độ an toàn với người sử dụng.
Về mặt cơng nghệ, như phân tích ở trên với u cầu bài tốn đặt ra trong mục 1.4
có điện áp đầu vào và đầu ra chênh lệch lớn thì việc sử dụng các cấu hình buck, boost,
buck-boost cơ bản là khơng phù hợp. Thêm vào đó, các cấu hình này khơng cách ly gây
mất an tồn, vì vậy cần sử dụng cấu hình có cách ly.
Trong các cấu hình có cách ly, để phù hợp với u cầu kích thước nhỏ gọn, đồng
thời cơng suất của mạch cần thiết kế khơng cao nên cấu hình Half-Bride và Full-Brigde là
khơng phù hợp. Cấu hình Forward, Push-Pull ngồi một biến áp thì cần có thêm một
cuộn cảm đầu ra nên cấu trúc phức tạp và giá thành cao hơn so với Flyback. Do đó, tổng
kết lại ta sẽ lựa chọn cấu hình Flyback.

2.1.3. Cấu hình Flyback
a. Nguyên lý làm việc
10


Chương 2. Tính tốn và thiết kế mạch lực
Bộ biến đổi Flyback là một bộ biển đổi cách ly trên cơ sở của cấu hình bộ biến đổi BuckBoost trong đó máy biến áp vừa có chức năng như cuộn cảm trong mạch Buck-Boost vừa

có chức năng máy biến áp. Do đó để phân tích mạch ta tách biến áp thực thành 2 thành
phần chứa cuộn cảm Lm và một biến áp xung lý tưởng. Đặc điểm quan trọng của bộ biến
đổi Flyback là pha (cực tính) của biến áp xung được biểu diễn bởi các dấu chấm trên các
cuộn sơ cấp và thứ cấp ngược nhau như hình 2.6.
Bảng 2.2. Chú thích các ký hiệu phân tích mạch Flyback
vi

Điện áp vào DC

io,vo Dòng, áp ra DC

D

Duty, hệ số đặc trưng cho khoảng thời
gian van dẫn trong một chu kỳ

D1

Duty, hệ số đặc trưng cho khoảng thời
gian diode dẫn trong một chu kỳ

NP

Số vòng dây cuộn sơ cấp MBA

is

Dòng qua van S

NS

Số vòng dây cuộn thứ cấp MBA

iD

Dòng qua diode D

i1,v1 Dịng, áp trên cuộn sơ cấp

f

Tần số đóng cắt

i2,v2 Dịng, áp trên cuộn thứ cấp

T

Chu kỳ đóng cắt

Trong bộ biến đổi Flyback, van S mắc nối tiếp với cuộn sơ cấp máy biến áp. Máy
biến áp được sử dụng để dự trữ năng lượng trong suốt chu kỳ van dẫn, đồng thời cách ly
giữa nguồn và tải. Khi S dẫn, phía cuộn sơ cấp đánh dấu chấm có điện thế dương hơn so

với phía khơng đánh dấu chấm, Diode D bị phân cực ngược, máy biến áp trở thành cuộn
dây. Cuộn dây này có điện cảm của máy biến áp Lm và dự trữ năng lượng từ hóa từ
nguồn Vi. Vì vậy, dịng từ hóa Im trong cuộn sơ cấp máy biến áp tăng tuyến tính từ giá trị
ban đầu I1 tới Ipeak. Khi D khóa, tải được cung cấp năng lượng từ tụ C như mạch boost.
Khi S bắt đầu khóa, Im tiếp tục chảy theo chiều cũ. Im gây ra điện thế âm tại điểm có dấu
chấm của cuộn sơ cấp máy biến áp so với điểm khơng có chấm. Điều này làm Diode D
dẫn và giữ điện áp trên cuộn thứ cấp máy biến áp bằng với điện áp ra. Năng lượng dự trữ
trong cuộn sơ cấp chuyển qua cuộn thứ cấp, cung cấp ra tải và nạp cho tụ C.
Quan hệ điện áp vào ra:

N  D 
Vo   S  . 
Vi
 NP   1  D 

(2.1)

Việc điều khiển mạch thông qua đóng cắt khóa chủ động khóa S và bị động khóa
D. Xét trong một chu kỳ làm việc mạch trải qua 3 trạng thái như sau.

Trạng thái 1: 0< t ≤ DT (S ON – D OFF). Trong khoảng thời gian này khóa S
ON, cuộn dây Lm được nối với điện áp nguồn

khi đó cuộn dây sẽ được nạp năng

lượng, dòng điện i(t) tăng lên i(t)= Lm (dVi / dt ) . Do kết cấu biến áp xung, cuộn sơ cấp và
thứ cấp được đấu nối ngược cực tính nhau nên trong khoảng thời gian D thì điện áp bên
11

Chương 2. Tính tốn và thiết kế mạch lực
sơ cấp dương thì điện áp bên thứ cấp sẽ mang tính âm, do đó diode D khóa khơng dẫn. Vì
vậy trong khoảng thời gian này thì dịng tải đầu ra sẽ được duy trì thơng qua năng lượng
được tích trữ trên tụ điện đầu ra C.






Hình 2.6. Các trạng thái đóng cắt[3]

Van S dẫn D không dẫn, Van S không dẫn D dẫn, Van S, D không dẫn
Trạng thái 2: DT < t ≤ (D+D1)T (S OFF – D ON). Trong khoảng thời gian này
thì khóa S OFF ngắt cuộn dây L ra khỏi lưới, do tính chất dịng điện trong cuộn cảm
khơng thể biến đổi đột ngột đo đó dịng điện i(t) được khép vòng qua cuộn sơ cấp của
biến áp lý tưởng. Vì vậy đã làm đảo dấu điện áp bên sơ cấp. Điện áp bên thứ cấp dương
do đó Diode D thơng nên năng lượng tích trữ trên cuộn cảm ở khoảng thời gian trước
được phòng ra nạp tụ và dòng tải.
12


Chương 2. Tính tốn và thiết kế mạch lực

Trạng thái 3: (D+D1)T

T (S OFF – D OFF). Nếu sau trạng thái 2 mà vẫn

cịn năng lượng tích trữ trên biến áp thì sẽ có trạng thái thứ 3 này. Trong khoảng thời gian
này khi năng lượng trên cuộn cảm đã được phóng hết thì khóa D được khóa lại. Khi đó

dịng tải lại được duy trì trong thơng qua năng lượng được tích trữ trên tụ điện đầu ra C.
b. Các chế độ làm việc
Như nguyên lý làm việc của mạch ở trên thì ta thấy, dựa vào dạng dịng điện từ
hóa trong biến áp mà đưa ra cấu hình, chế độ làm việc gồm có 2 loại gồm có:
- Chế độ dòng điện liên tục (CCM) tức là trong q trình làm việc dịng điện từ
hóa của biến áp ln ln khác 0. Vì thế, trong chế độ này chỉ có 2 trạng thái làm việc 1
và 2 như đã phân tích ở trên.
- Chế độ dịng gián đoạn (DCM) tức là quá trình làm việc trong một chu kỳ đóng
cắt thì dịng điện từ hóa ln về 0. Vì thế, trong chế độ này mạch hoạt động với cả 3 trạng
thái như đã phân tích ở trên.
Bảng 2.3. So sánh giữa chế độ dòng liên tục (CCM) và dòng gián đoạn (DCM)
Chế độ

Chế độ dòng liên tục ( CCM)

Chế độ dòng gián đoạn (DCM)

Ưu
điểm

Độ đập mạch và dòng hiệu dụng Điều khiển theo Peak CMC đơn
nhỏ
giản
Tổn hao trên van khóa, cuộn sơ cấp, Giá trị điện cảm và biến áp xung
lõi từ MBA thấp……………………
nhỏ, tần số chuyển mạch cố định.
Chênh lệch điện áp đầu vào và đầu Chênh lệch giữa điện áp đầu vào và
ra không quá lớn
đầu ra lớn

Nhược
điểm

Điều khiển theo Peak CMC khi duty Độ đập mạch và giá trị dòng điện
lớn phức tạp………………………...
peak lớn……………………………
Điện áp ngược đặt lên Diode bên Tổn hao trên van khóa, cuộn thứ
thứ cấp lớn………………………….
cấp, lõi từ MBA lớn………………..
Hiệu suất thấp khi hoạt động non Điện áp trên van khóa MOSFET
tải
lớn

Để chọn được cấu hình cũng như chế độ phù hợp với u cầu bài tốn đặt ra ta sẽ
đi tìm hiểu các ưu, nhược điểm của các chế độ như đã được tổng hợp trên bảng 2.3. Trên
thực tế còn có chế độ ở giữa CCM và DCM được gọi là chế độ dòng biên giới. Chế độ
này hoạt động tương đương với chế độ DCM nhưng đối với bài tốn có đầu vào là dải
rộng thì để đảm bảo hoạt động ở chế độ này thì tần số chuyển mạch của ta sẽ bị thay đổi
lớn sẽ làm khó khăn trong quá trình điều khiển chuyển mạch và đơn giản hóa cấu trúc
mạch. Vì vậy, trong luận văn này ta tạm thời khơng xét đến chế độ dịng ở biên giới này.
Với yêu cầu bài toán đặt ra như mục 1.4 thì ta sẽ đi lựa chọn cấu hình Flyback
theo chế độ DCM do:

13


Chương 2. Tính tốn và thiết kế mạch lực
+ Với cơng suất nhỏ 9W, thiết kế nhỏ gọn thì DCM có tổn hao khơng q lớn, giá
trị điển cảm và biến áp xung nhỏ so với CCM
+ Điện áp chênh lệch đầu vào (120~375VDC) và ra (9V) thì DCM đáp ứng tốt

hơn so với CCM

2.2. Tính tốn và thiết kế mạch lực
2.2.1 Mơ hình trạng thái trung bình Flyback DCM

Xét trong khoảng thời gian 0  t  DT .
Trong khoảng thời gian van dẫn DT, dòng điện qua cuộn sơ cấp của máy biến áp tăng
dần bắt đầu từ 0 với sườn tang (vi(t)/Lm) cho đến cuối của quá trình này thì dịng điện qua
cuộn cảm (hay chính là dòng điện sơ cấp) đạt được giá trị lớn nhất i1pk:

i pk  i1pk 

vi .T.D
Lm

(2.2)

Cũng trong khoảng thời gian này năng lượng cũng được tích trữ trên biến áp:
t T

q1  t i1  t  dt 

DTi
1
 DT  i1pk   1pk
2
2

(2.3)

Với giá trị năng lượng này thì ta có thể xác định được giá trị dịng điện sơ cấp trung bình
theo cơng thức:

i1 (t) T 

1 t T
q
i1 (t).dt  1

T t
T

(2.4)

Thay các công thức (2.2), (2.3) vào (2.4) ta được phương trình mơ tả mơ hình trung trung
bình dịng điện sơ cấp của mạch:

i1  t 

T



D2  t  .T
vi  t 
2L m

(2.5)

T

Xét trong khoảng thời gian DT  t  (D  D1 )T .
Dựa vào quan hệ dòng điện giữa các cuộn của biến áp xung ta có giá trị đỉnh của dòng
điện bên cuộn thứ cấp i2pk:

i 2pk  ni1pk 

nVDT
i
Lm

(2.6)

Tương tự như trên ta cũng xác định được giá trị trung bình i2 có giá trị sau:

i2  t 

i2  t 

T

T



D Ti
1
i 2pk   D1T   1 2pk

2

2



nTD  t  D1  t 
vi  t 
2Lm
14

(2.7)

(2.8)
T


Chương 2. Tính tốn và thiết kế mạch lực

Mặt khác, đối với mạch hoạt động trong chế độ gián đoạn nên điện áp trung
bình trên cuộn cảm trong mỗi chu kỳ là bằng 0 do đó ta có:

vL m

T

 D  t . vi  t 

T

 n.D1 (t). vo  t 

 D1  t  

T

 (1  (D  D1 ))  t .0  0

D  t  vi  t 
n vo  t 

T

2.9)

T

Thay (2.9) vào (2.8) ta được và phương trình mơ tả mơ hình trung trung bình dịng
điện thứ cấp của mạch:
i2  t 

T



TD2  t  vi  t 
2Lm vo  t 

2
T

(2.10)

T

2.2.2. Tính tốn và thiết kế các phần tử

Hình 2.7. Các phần tử chính mạch lực bộ nguồn LED
Bài toán đặt ra cần thiết kế bộ nguồn cho tối đa 3 LED LUXEON-T-LXH8-FW50
mắc nối tiếp, công suất tiêu thụ mỗi LED là 3,2W.
Bảng 2.4. Thông số kỹ thuật chíp LED LUXEON-T-LXH8-FW50
Điện áp phân cực thuận

Vf = 3 V

Điện áp mở 3 LED

VF = 9 V

Dòng điện định mức

Io = 1,000 mA

Điện áp khi dòng định mức

Vđm = 3,2 V

Dòng điện cực đại cho phép

Imax =2,700 mA

Điện trở LED khi ON

RLED = 0,9 Ω (+ Rshunt 0,1 Ω)

Bảng 2.5. Thơng số đầu vào và lựa chọn tính tốn
Điện áp đầu vào DC Max (ứng 265VAC)

Vi,max = 265√ =375 V

Điện áp đầu vào DC Min (ứng 85VAC)

Vi,min = 85√

Điện áp đầu ra

Vo = VF + IoRLED = 9 + 1.0,9 = 9,9 V

Công suất đầu ra

Po = 10 W
15

= 120 V


Chương 2. Tính tốn và thiết kế mạch lực
Hiệu suất

η = 0,8

Tần số PWM

f = 70 kHz

Chu kì PWM

T = 1/f = 1,43.10-5 s

Chọn hệ số duty (Trạng thái )

D = 0,2

Chọn hệ số duty(Trạng thái )

D1 = 0,5

Từ thông MBA

Bm = 180 mT

Độ đập mạch dòng điện ra

ΔIo = 5%Io =0,05 A

Độ đập mạch điện áp ra

ΔVo = ΔIoRLED = 0,05.1.0,9 = 0,045 V

Tính tốn và thiết kế biến áp xung.
 Tính giá trị điện cảm sơ cấp.
Xét trong điều kiện trạng thái làm việc ổn định thì giá trị trung bình trong một chu

kỳ sẽ tương đương với giá trị trung bình làm việc của mạch.

 v o  t   Vo
T

 vi  t   Vi
Ts

D
d  t 

 i 2  t  T  I 2

(2.11)

Hơn nữa, khi đầu ra ổn định ta giả thiết điện áp đầu ra Vo=const, dòng điện qua tụ
bằng khơng, ta có thể coi dịng điện trung bình qua Diode bằng với dịng điện trung bình
ra tải, khi đó ta sẽ có: I2 = Io
Kết hợp với các kết quả (2.10), (2.11) ta được:

D 2 Vi 2T D 2 Vi 2T
Lm 

2Vo Io
2Po

(2.12)

Khi xét đến hiệu suất và điều kiện làm việc cực đoan nhất 85VAC (tương ứng Vi,min =
120VDC), ta tính được giá trị điện cảm:

Lm 

2
D2 Vi,min
T

2Po



0, 22.1202.1, 43.105.0,8
 330 H
2.10

 Thiết kế biến áp xung theo phương pháp hệ số hình dáng Kg[5]
- Dịng điện peak qua cuộn sơ cấp theo công thức 2.2 ta có:

Vi,min .T.D 120.1, 43.105.0, 2
I pk 

 1,04A
Lm
330.106
-

Năng lượng tích lũy:
16


Chương 2. Tính tốn và thiết kế mạch lực

Energy 

-

Lm I2pk



2

330.106.1,042
 0,18.103
2

W

Hệ số điện:

K e  0,145Po B2m104  0,145.10.0,182.104  4,7.106
-

Hệ số hình dáng:

Energy 2
0,18.103
Kg 

 0,003085
K e
4,7.106.2, 2

 Cần chọn lõi có hệ số hình dáng Kg > 0.003085 là có thể đạt yêu cầu của mạch.
Chọn lõi EI22 có Kg=0,00317 ( tra theo datasheet của lõi với hệ số Ku = 0,4).
Bảng 2.6. Thông số lõi EE22[6]
Kg=0,00317
MLT=4,34 cm
G=0,835 cm
Ac= 0.331 cm2
Wa= 0.315 cm2

Hệ số Kg của lõi
Chiều dài trung bình 1 vịng dây
Chiều cao cửa sổ
Diện tích mặt cắt
Diện tích cửa sổ lõi

Hình 2.8. Lõi Ferrite EE
-

Tính tốn số vịng cuộn sơ cấp:
1,04.330.106
N1 

 58 (vịng)
A c Bm
0,331.0,17
I pk L m

-

Độ rộng khe hở:

lg  4.107

-

N12 A c
77 2.0,331
 4.107
 0, 42 (mm)
Lm
925.106

Do ảnh hưởng của khe hở gây ra từ tản do đó ta có hệ số tản từ:
F  1

 2G 
 2.0,835.102 
0, 42.103
ln 

1

ln


  1, 27
3
4
0,
42.10
Ac  lg 

0,331.10



lg

17