Luận văn Tốt nghiệp: Ổn áp DC

ra tín hiệu sai biệt. “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 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 VREF. Những biến đổi của điện áp chuẩn qua khuếch đại sai biệt sẽ làm cho điện áp ra thay đổi theo. Để có được sự ổn định như yêu cầu, phần tử chuẩn phải ổn định, 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. 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. 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. Phần tử điều khiển. Nối tiếp: Vo=Vs -IL.Rs Song song: Vo =VI-(IL+Is).Rs Xung: Vo =Vs 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. -Người ta dựa vào phần tử này để phân loại ổn áp nối tiếp, song song hay ổn áp xung(switching). PHÂN LOẠI ỔN ÁP. 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. 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: Với -Vref: điện áp chuẩn -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) 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 định ở nhiều giá trị 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 định 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 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 định; 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 định, có chu kỳ nhiệm vụ D= được điều biến bởi điện áp ngõ ra mạch so sánh. Tần số đóng mở cố định 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. Ve Ton T Vosc Vc -Sơ đồ khối minh họa của một nguồn ổn áp xung điều khiển bằng tần số cố định. -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. -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. 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. 1. 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 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 trị số dòng kích nhỏ nhất đủ để điều khiển SCR dẫn và IG min có trị số lớn hay nhỏ tùy thuộc công suất của SCR. Nếu SCR càng lớn thì IG min càng lớn. -Với: -toff =tIt = 0 +toff SCR -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: 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) Giảm dòng qua SCR xuống dưới giá trị dòng duy trì IH (phương pháp đảo lưu ép) Đảo cực tính điện áp cấp cho AK. 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 số công việc nhất định -Khi chọn lựa chúng ta phải chú ý đến chế độ họat động của chúng như: Địên 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 định. -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 -Ic=ICBO có giá trị 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 b.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 thị trường ,đáp ứng tần số cao , giá thành không cao.Vậy trong phần thiết kế ta chọn linh kiện đóng ngắt bằng transistor . II. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH -Như đã khảo sát ở trên ,ổn áp xung dùng phần tử điều chỉnh điện áp ra, nên trong lúc điều chỉnh linh kiện sẽ dẫn bão hòa hay tắt dòng và áp qua nó phụ thuộc tải . -Như vậy chúng ta chỉ có thể điều khiển 2 thông số đó là tần số và độ rộng xung . -Thay đổi độ rộng xung, tần số cố định. -Thay đổi tần số, độ rộng xung cố định. -Thay đổi cả tần số và độ rộng xung. 1.Bộ ổn áp switching thay đổi độ rộng xung, tần số cố 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 số xung thay đổi. -Thay đổi tần số này tùy theo điện áp nguồn và dòng điện qua tải, để giảm bớt những tổn thất qua transistor và trong biến áp thì tần số này không được dưới vài Khz.Mạch điện này đơn giản nhưng khó lọc dược các gợn sóng đầu ra. Vì vậy trong thực tế ít dùng. Trong đó : -VC0:dao động được điều khiển bằng điện áp -Đơn ổn:Khi có xung điều khiể mạch đơn ổn cho ra một xung có độ rộng xung cố định rồi trở về trạng thái ban đầu. -Tần số xung của mạch đơn ổn được thay đổi do xung kích từ VCO. Thời gian dẫn của transistor được xác định bằng thời hằng của mạch đơn ổn và được giữ cố định.đây là loại mạch cho phép điều chỉnh độc lập tần số xung đối với độ rộng xung. Bộ ổn áp switching thay đổi cả tần số và độ rộng xung. -Đây là bộ ổn áp tự kích ,trên nguyên tắc tự dao động các điều kiện tác động vào cả tần số và độ rộng xung của mạch. Giải thích :Bộ khuếch đại sai lệch chính là mạch so sánh điện áp ra (qua điện trở R3) với điện áp chuẩn . Khi điện áp ra của bộ ổn áp giảm, mạch so sánh sẽ mở transistor (transistor dẫn) và khi điện áp ra tăng bộ khuếch đại so sánh sẽ ngắt transistor giao hoán. Do tác động của vòng hồi tiếp sẽ điều chỉnh sự biến thiên hai thông số này để ổn 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 số ổn định tránh cho những linh kiện ở bộ lọc phải lớn (vì tần số danh định tắt mở phải lớn hơn nhiều lần tần số lưới mà ở đây là tần số biến thiên không biết trước được) *Kết luận: Qua việc khảo sát các phương pháp điều chỉnh trên và với các ưu khuyết điểm của nó. Ta chọn phương pháp điều rộng xung, giữ tần số cố định để dễ chọn linh kiện đáp ứng yêu cầu tần số. ĐỔI ĐIỆN MỘT CHIỀU RA ĐIỆN MỘT CHIỀU (Converters) -Trong nhiều trường hợp phụ tải cần điện một chiều từ nguồn điện một chiều, một điện áp hay dòng hiệu suất thiết 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 số 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) SƠ ĐỒ BUCK. * Sơ đồ Buck - DCK : Transistor ngắt dẫn làm việc điều chế độ rộng xung ( điều chế xung ) Control circuit : khối điều khiển transistor. - L : cuộn cảm kháng tích lũy điện năng. - C : Tụ điện tích lũy điện năng - 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. - Mỗi chu kỳ làm việc gồm 2 giai đoạn : * Giai đoạn 1: D < t < Dt D : Hệ số chu kỳ hay tỉ số thời gian dẫn ( duty cycle) trên thời gian làm việc T = là chu kỳ đóng ngắt, f là tần số đóng ngắt thường vào khoảng 10KHz ¸ 100KHz. Dsb phân cực nghịch, không dẫn. -Điện áp ở L là : VL = Vs - Vo VL = Vs - Vo = Vậy iL biến thiên tuyến tính theo thời gian này lượng tích lũy vào R,C cung cấp cho phụ tải. iL = ILmin -IL tăng từ ILmin đến ILmax trong thời gian aT iL = t + ILmin= iDCX Imax - ILmin = -DT (2-1) Giai đoạn 2: DT < t < T -DCX ngưng dẫn, nhờ có Dsb nên iL vẫn liên tục vì Dsb dẫn : VL = -Vo = L -iL giảm từ ILmax à ILmin trong thời gian : T - DT = ( 1 - D ) T theo hàm số IL = - ( t - DT ) + ILmax = iDSb ILmin - ILmax = DIL = - ( 1 - D ) T ( 2 - 2 ) -Đại lượng tăng dòng bằng đại lượng giảm dòng : Cộng (2-1) và (2-2) => V0 = D.Vs với D = Ta có : Io = ( 2-3 ) Vậy : ILmax = DVs với f = ILmin = DVs -Điều kiện để có dòng liên tục là ILmin = 0 Vậy : L = (1-D ) -Điện áp gợn sóng DVr được tính như sau : -Trong nửa chu kỳ C được nạp thêm điện lượng : DQ = (2- 4 ) -Cũng trong nửa chu kỳ tụ điện C phóng ra cùng 1 điện lượng. Vậy : DVo = DVc = -Thay T = và ( ILmax-ILmin) = ( 1 - D ).T DVo = -Hoặc : DV0 = ( 2-5 ) -Dòng gợn sóng : DiL= ( 1 - D ) (2-6) * Chỉ tiêu các linh kiện : - Transistor DCX : -VDCXmax = Vs -IDCXmax = - Diode Dsb : VDsbmax = Vs IDsbmax = IDbstrung bình = (1-D).I0 (2- 7) III. SƠ ĐỒ BOOST -Các chỉ tiêu linh kiện tích lũy điện năng là L và C, đóng ngắt điện là transistor DCX, D không cho dòng từ C phóng về nguồn Vs . Mỗi chu kỳ làm việc gồm 2 giai đoạn : Sơ đồ Boost * Giai đoạn 1 : O < t < DT DCX dẫn, D phân cực nghịch nên không dẫn VL = Vv = L; điện năng tích lũy vào L, C vẫn cấp điện cho tải. *Giai đoạn 2. -DCX ngưng dẫn, iL vẫn liên tục do D dẫn vào phụ tải, L phóng điện vào tải. VL = Vs- Vo; Vo> Vs iL = ID = (T - DT ) + ILmax (2-8) -iL giảm từ ILmax à ILmin ILmin- ILmax = ( T - DT ) -Nên ta có : V0 = với O<D<1 (2-9) -Trong thực tế Vr không lớn hơn 5Vv -Công suất vào = [ Imax + ILmin] Vs -Công suất ra : -Cân bằng công suất vào với công suất ra : Ta có : [ ILmax + ILmin] VS = (2-10) -Từ (2-9) và (2-10) : Ta có : ILmmax + ILmin = (2 - 11) -Từ (2-8) và (2-11) ta có : ILmin = - ( f = ) ILmax = + -Điều kiện dòng liên tục : ILmin = - = 0 L = -Để tính được điện áp gợn sóng DV0 hay dòng điện tại tụ lọc C -Điện lượng nạp thêm vào tụ điện C là DIr bằng điện lượng phóng ra nuôi phụ tải, coi dòng gợn sóng tại phụ tải DIr không đáng kể so với DiL Vậy : DV0 = DVC = DQ = Io.DT DQ = ( 2-12 ) Với D : hệ số chu kỳ , D = f = 1/T : Tần số đóng ngắt Vậy : DV0 = * Chỉ tiêu các linh kiện : - Transitor DCX : VDCXmax = VS + Vo IDCXmax = - Diode D : VDmax = VS + Vo IDmax = ( 2 -13) -ID trung bình = Io ( 2 -14 ) ỔN ÁP BUCK - BOOST -Ổn áp Buck - Boost cung cấp một điện áp ngõ ra mà có thể thấp hơn hay lớn hơn điện áp ngõ vào. Cực tính điện áp ngõ ra ngược với điện áp ngõ vào. Sơ đồ Buck Boost *Mạch hoạt động được chia làm 2 giai đoạn. - Giai đoạn 1 : Transistor Q1 dẫn và diode Dm bị phân cực ngược. Dòng ngõ vào tăng và chảy vào cuộn cảm L, Q1 - Giai đoạn 2 : Transistor Q1 ngắt , năng lượng tích trữ trong L và dòng cuộn cảm ứng tuyến tính từ I2 đến I1, trong khoảng t2 Vo = -L => t2= DI = -Thay t1= DTvà t2 = ( 1 - D) T -Điện áp trung bình ngõ ra : Vo = - ( 2-15 ) -Với D là hệ số chu kỳ -Giả sử mạch không tổn hao : VSIS = VO.IO = VS.Ia. D/ ( 1 - D ) -Dòng trung bình ngõ vào : IS quan hệ với dòng trung bình ngõ ra IO : IS= Io. D -T : Chu kỳ ngắt dẫn T = - Và dòng gợn sóng đỉnh đỉnh : DI = DI = - Dòng xả trung bình của tụ IC = Io -Và điện áp gợn sóng đỉnh- đỉnh của tụ là : DVC = (2-16 ) Hay : DVC = DVC = - 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 T1 với nhiều cuộn thứ cấp NS1, NS2, Nm và một mạch điều khiển độ rộng xung bằng điện áp DC. Các ngõ ra điện áp VS1 ,Vs2, Vs2 =Vdc(Ns2/Np)2Ton/T Vm=Vdc(Nm1/Np)2Ton/T Vs1 =Vdc(Ns1/Np)2Ton/T Vm và lấy tín hiệu phản hồi về từ Vm. Ton được điều chỉnh để ngăn chặn sự thay đổi tải hay nguồn cung cấp. - Khi transitor dẫn thì điện áp dưới của mỗi nửa cuộn sơ cấp giảm xuống Vce(sat) khoảng 1V. Vì thế khi cả hai transitor dẫn thì điện áp vuông có giá trị Vdc- 1 - Điện áp trung bình tại ngõ ra Vm Vm = (2-17) -Khi Vdc thay đổi thì vòng hồi tiếp âm sẽ điều chỉnh Ton để giữ Vm không đổi - 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 : VS1 = VS2 = Mức điện áp trên một vòng : = Ae ( dB/dt) x 10-8 -Ae : là tiết diện lõi sắt ( cm2) -dB : là độ thay đổi từ cảm ( Gauss ) -dB/dt - là điện áp trên vòng là tỉ lệ theo tần số sóng ngắt. - Trong thực tế, giá trị điện áp trên vòng trong phạm vi từ 2V tại tần số đóng ngắt 25KHZ đến 5 hay 6v ở 100KHz. BIẾN 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 số hoạt động, mật độ từ cảm ( B1 và B2 ), tiết diện lõi sắt, tiết diện khung quấn dây Ab,và mật độ dòng điện trong mỗi cuộn. Chọn số vòng dây sơ cấp -Định luật Faraday : E = NAe (dB/dt ) x 10+8 Với:- E: Điện áp rơi trên lõi cuộn dây( hay cuộn dây biến áp ) -N : Số vòng dây(vòng) -Ae : Tiết diện lõi ( cm2 ) -dB : ( Gauss ) --> dB = ( Gauss ) - Số vòng dây sơ cấp được xác định như sau : +Np : Được tính với điện áp đặt lên cuộn sơ cấp là nhỏ nhất (Vdc-1) và thời gian mở là cực đại. Np = (2-18) Với dB = (2-19) Chọn số vòng dây thứ cấp : -Số vòng dây thứ cấp được chọn từ : Vm = (Vdc - 1 ) - 0,5] VS1 = [(Vdc - 1 ) VS2 = [(Vdc - 1 ) Tính toán dòng san bằng đỉnh. -Giả sử hiệu suất 80% ( thường đạt được ở tần số trên 200KHz ) P0 = 0,8Pin -Hay Pin = 1,25P0 = Vdcmin.0,8Ipft -Vậy Ipft = 1,56 (2-20) Tính toán dòng điện sơ cấp hiệu dụng và tiết diện dây dẫn : Irms = Ipft = Ipft -Với D : hệ số chu kỳ : D = (0,8T/2)/2 -Hay : Irms = 0,632 Ipft Vậy ta có : Irms = 0,632 Tính toán dòng gợn sóng đỉnh thứ cấp và kích cỡ dây : IS(rms) = Idc = Idc = 0,632.Id c -Với Idc dòng điện ngõ ra. Thiết kế bộ lọc ngõ ra. 1) Thiết kế cuộn cảm ngõ ra : dI = 2Idcmin = VL.= (V1 - V0 ) N0= V1(2Ton/T) thì Ton = N0 = V1 (2Ton/T ) thì Ton = -NS sẽ được chọn 0,8172 khi Vdc , V1 là nhỏ nhất hay V1min = 1,25V0 dI = = 2Idcmin Và L0 = Nếu dòng Idcmin = Ion Vậy : L0 = -Trong đó , L0 (H) -V0 (V) -T(s) -Idcmin dòng ngõ ra cực tiểu (A) -Ion dòng ngõ ra danh định (A) 2. Thiết kế tụ ngõ ra. -Tụ ngõ ra được chọn để đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật điện áp gợn sóng ngõ ra. Vr = R0.dI Với -R0 : Điện trở trong của tụ C0 -dI : Dòng điện đỉnh đỉnh cuộn cảm. -Tích số R0.C0 thay đổi giữa 50 -80 x 10-6 C0 = C0 = * 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 thống phải tăng. Một cách đơn giản để làm điều này là sử dụng biến áp có đầu nối 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 vấn đề đối với push-pull converter, đó là từ thông trong hai phần của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp có đầu ra ở giữa có thể trở nên mất cân bằng và gây ra vấn đề về nhiệt độ. Vấn đề thứ hai là mỗi transitor phải khóa gấp đôi mức điện áp so với các converter khác. V.FORWARD CONVERTER 1. Lý thuyết cơ bản. -Bộ đổi điện này thường được sử dụng cho những nguồn có công suất ngõ ra từ 150-200w khi điện áp ngõ vào DC cực đại ở mức 60V đến 200V. -Trong mạch converter này chỉ có một transistor và một diode ở phía sơ cấp. Trong khi mạch push -pull cnverterlà hai transistor. - Khi Q1 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 Q1 dẫn - nên gọi là Forward converter. Ổn áp Push-Pull và Buck cũng phân phối 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 phối dòng đến tải khi transistor ngắt - Khi Q1 dẫn (Ton), thì điện áp ở tốt chỉnh lưu ở mức cao trong thời gian Ton. Giả sử 1V cho Q1 và D2 phân cực thuận VD2 thì điện áp ở mức cao đó là : V0mr = - VD2 -Khi Q1 tắt , dòng lưu trữ trong dây dẫn của T1 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 Q1 sẽ bị đánh thủng nếu không có diode D1 dẫn trả năng lượng . - Điện áp ngõ ra DC : Vom = (2-21 ) 2.Các mối quan hệ thiết kế của điện áp vào , ra , thời gian mở và tỉ số vòng. - Điện áp Vom được phản hồi về và được so sánh với điện áp chuẩn Vref, và thay đổi Ton để giữ Vom = const đối với bất cứ sự thay đổi ở Vdc hay dòng tải. - Thời gian Ton cực đại ( Tonmax) sẽ xay ra ở Vdcmin Vom = VS1 = VS2 = 3. Quan hệ giữa dòng điện sơ cấp, công suất ngõ ra, và điện áp ngõ vào : - Giả sử hiệu suất của nguồn 80% P0 = 0,8Pin Hay Pin = 1,25P0 = Vdcmin ( 0,4 Ipft) (2.22 ) Hay Ipft = 4. Thiết kế biến áp công suất : a) Lõi biến áp :Việc chọn lõi cho biến áp Forward converter giống với biến áp Push - Pull vì có cùng thông số. Mật độ từ trường, lõi sắt, tiết diện điện cảm, tần số, và mật độ dòng của cuộn. b) Tính toán vòng dây sơ cấp. Np = (2-23) -Với dB = 1.600 Gauss. -Vdmin : điện áp DC ngõ vào nhỏ nhất (V) -T : Khoảng thời gian ngắt dẫn (S) c) Tính toán vòng dây thứ cấp : Vom = VS2 = VS1 = d) Tính toán dòng điện gợn sóng sơ cấp : Irms(p) = Irms(p) = (2-24) e) Tính toán kích cỡ dây : Irms(sec) = Idc . = 0,632.Idc. f) Bộ lọc ngõ ra : * Cuộn cảm : dI = 2Idcmin = Hay L1 = ( 2-25 ) Nhưng V0 = Vdkmin Tonmax/T Với Tonmax = 0,8T/2 Nên L1 = (2-26) *Tụ điện ngõ ra : Như ở phần ( 4 - 2) Ta có : C0 = 65 x 10-6/R0 C0 = 65 x 10-6. (2-27) 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 số đóng ngắt có thể từ 10kHz đến 100KHz -Chu kỳ làm việc gồm hai giai đoạn : *Giai đoạn 1: O<T<DT -DCX dẫn VL1 = VS . Do chiều dây quấn n1,n2 không dẫn L1 tích lũy năng lượng vào mạch từ ferrit, từ thông trong mạch từ tăng. i1 = .t + I1min -i1 tăng từ I1min đến I1max dòng gia tăng bằng : I1max - I1min = .DT (2-28 ) -Điện áp ngược tại D là :VDngược = - Vậy ta có : I1min = Vậy điều kiện để có dòng liên tục là : L1 = Điện áp dợn sóng: Dòng tại tụ điện lọc ic được biểu diễn bởi hình trên . Điện lượng nạp thêm vào tụ điện lọc ở giai đoạn 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 = Io .DT = = * Chỉ tiêu các linh kiện - Transistor DCX: IDCX max = - Diode D ID trung bình (av)=Io VD max= *Giai đoạn 2: DT<t<T -DCX ngưng dẫn từ thông mạch từ giảm , điện áp tại cuộn n2 đảo cực tính khiến D dẫn dòng iL giúp cho số ampe vòng liên tục, tức thời điểm DT số ampe vòng n2I2max = n1I1min. L2 đặt vào điện áp Vo , do đó : i2 = - -Mạch từ phóng thích năng lượng vào phụ tải , i2 giảm từ I2max đến I2min, lượng dòng giảm bằng. I2max-I2min = (2-29) Điện áp tại cuộn n1 = Do đó điện áp tại transistor DCX = Điện áp ra Vo : I2 (2-30) - Điều kiện để có dòng liên tục. -Công suất vào: Ps =Vs.I1av= -Công suất ra : Po = -Nếu hiệu suất bằng 1 ta có : I1max + I1min = (2-31) *Ưu nhược điểm: - Cách ly sơ cấp và thứ cấp - Giảm được dòng qua transistor công suất. - Tạo được nhiều cấp điện áp ở đầu ra bằng cách quấn nhiều cuộn thứ cấp . - Dòng san bằng đỉnh tương đương của transistor khá cao . Ipft = Với Pot : tổng công suất ngõ ra Vì vậy giá thành cho transistor cao VII - HALF - BRIDGE CONVERTER Sơ đồ Half-Bridge - Khi chuyển mạch S, ở phía trên ứng với ngõ vào 220VAC, mạch cỉnh lưu toàn sóng với 2 tụ lọc C1 nối tiếp C2 + Điện áp đỉnh DC chỉnh lưu khoảng : (1,41x220)-2 308V - Khi S1 đóng ứng với ngõ vào 110V mạch hoạt động như mạch nhân đôi điện áp. - Nửa chu kỳ đầu tiên A dương so với B, C1 nạp qua D1 + Điện áp đỉnh khoảng (1,41x110)-1154V - Nửa chu kỳ sau C2 nạp qua D2 + Điện áp đỉnh khoảng (1,41x110)-1154V + Điện áp tổng trên tụ C1, C2 khoảng 308V * Giả sử điện áp chỉnh lưu 308V, bỏ qua tụ Cb. Một đầu của cuộn sơ cấp được nối với 2 đầu tụ C1,C2 và Q1,Q2 dẫn ở mỗi nữa chu kỳ. 1/ Quan hệ giữa dòng sơ cấp, công suất ra, điện áp vào -Giả sử hiệu suất 80%. Pin = 1,25P0. -Xung dòng đỉnh sơ cấp san bằng tương đương ứng với Vdcmin Ipft (half bridge) = (2-32) 2/ Chọn cở dây sơ cấp: -Dòng điện gờn sóng sơ cấp Irms = Ipft Irms = (2-33) 3/ Chọn cở dây dẫn và số vòng dây thứ cấp: -Số vòng dây thứ cấp được chọn ở (4.1.) đến (4.3) cho thời gian mở cực đại Tonmax = 0,8T/2 và Vdcmin - 1 được thay bằng Vậy : V1 (2-34) V2 (2-35) - Dòng hiệu dụng sơ cấp : Irms = Idc=Idc ở 500 circularmils trên dòng hiệu dụng là = 500(0,632)Idc I = 316.Idc -Thiết kế tụ cb ta có : Cb = (2-36) -Với dv : Độ thay đổi áp từ lúc dẫn đến lúc tắt của mỗi transistor. VII. SƠ ĐỒ CẦU (FULL - BRIDGE) Sơ đồ Full-Bridge -Các transistor T1 và T'2 cùng dẫn luân phiên với T2 và T'1. Mỗi đôi dẫn trong thời gian DT trong mỗi chu kỳ làm việc, ta có: 0<D<0,5 Vo = 2 (2-37) -Chỉ tiêu các linh kiện . -Transistor : TTr max (2-38) m = VTr max = Vs -Diode D1,D2,D'1,D'2 : ID trung bình = (2-39) VDmax = Vs (8.4) -Diode D5 và D6 : ID5b = DIo VD5 max = VD6max = 2nVD (2mVD) * Kết luận: Trong các loại converter trong đó có Half - Bridge converter có nhiều ưu điểm như. - Hiệu suất cao khoảng 90% - Biến áp không sử dụng đầu ra ở giữa vì vậy loại trừ được sự mất cân bằng từ thông. Kết quả là loại converter này được dùng để thiết kế các bộ nguồn với công suất có thể lên đến 1000W - Điện áp cực đại đặt lên transistor giảm đi một nữa so với trường hợp của Push - Pull converter. Điều này dẫn đến giá thành transistor va các thành phần linh kiện liên quan cũng giảm . Từ những ưu điểm đã nêu ở trên, nên ta chọn thiết kế nguồn ổn áp xung theo kiểu Half - Bridge converter Chương III : BIẾN ÁP XUNG I.TỔN HAO LÕI VỚI TẦN SỐ VÀ MẬT ĐỘ TỪ CẢM. -Hầu hết các biến áp xung sử dụng lõi ferrite.Ferrites là vật liệu gốm sắt từ .Cấu trúc của nó gồm hổn hợp oxit sắt với Mn, kẽm oxit.Tổn hao dòng điện xoáy của nó bỏ qua khi điện trở suất rất cao.Tổn hao lõi chủ yếu do tổn hao từ trể nhưng cũng khá thấp. -Một số chất liệu được đo đạt sau cho tổn hao lõi là nhỏ ở tần số cao và nhiệt độ cao. -Yếu tố chính ảnh hưởng việc chọn lựa chất liệu là đặc tính tổn hao lõi (thường mW/cm3) đối với tần số và mật độ từ cảm. a-Đường đặc tính từ trể. b-Tổn hao lõi đối với mật độ từ cảm. c-Tổn hao lõi đối với nhiệt độ II.HÌNH DẠNG LÕI FERRITE -Lõi ferrite được sản suất với kích cở tương đối nhỏ. -Hình dạng lõi khác nhau như: Loiõ hình chén, lõi RM, EE, PQ, UU, UI,EI. -Lõi hình chén (hình hộp) được sử dụng ở mức công suất thấp hơn 125W -Các dạng lõi khác nhau của biến áp công suất . Table :Core Losses for Various Core Materials at Various Frequencies and peak Flux Densities at 100oC Fre- Quency Material._.