Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG……………
LUẬN VĂN

Tính toán và thiết kế
nguồn ổn áp xung

Hình 1.1 Sơ đồ khối của một nguồn ổn áp cơ bản
II.CÁC THÀNH PHẦN CỦA ỔN ÁP
1. Phần tử chuẩn.
-Phần tử chuẩn là nền tản của tất cả các ổn áp và điện áp ra được điều khiển
trực tiếp bằng điện áp chuẩn V
REF
. Những biến đổi của điện áp chuẩn qua
khuếch đại sai biệt sẽ làm cho điện áp ra thay đổi theo. Để có được sự ổn định
như u 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
tốn thiết kế dùng IC ổn áp.
Phần tử
điều khiển
Khuếch đại
sai biệt
REF
Điện áp vào
Điện áp ra ổn đònh
Phần tử
chuẩn
o
Phần tử
lấy mẩu
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 3
2. Phần tử lấy mẫu.

 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).
II. PHÂN LOẠI ỔN ÁP.
1. Ổn áp nối tiếp
 Ổn áp nối tiếp có tên là “nối tiếp” là dựa vào phần tử điều khiển, ở ổn áp
này phần tử điều khiển mắc nối tiếp với tải. Phần tử điều khiển thường là một
transistor và nó có chức năng như một điện trở thay đổi được(Rs). Tích số của Rs
Rs
Vs
Vo
Rs
R
Is
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 4
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

những biến đổi tức thời của điện áp vào, nó khơng 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 tồn bộ linh kiện trong một vỏ kích thước bé, khơng
cần sử dụng hoặc chỉ sử dụng thêm một vài linh kiện ngồi để tạo mạch hồn
chỉnh, mạch bảo vệ q dòng, q nhiệt có sẳn bên trong vi mạch … Một trong
những lọai vi mạch ổn áp DC tuyến tính thơng 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 ngun lý họat động của nguồn ổn áp xung.


Trang 6
tích trữ trong mạch lọc. Do đó VL tăng, làm ngõ ra mạch so sánh đảo trạng thái
để mở cơng tắc. Tương tự khi dòng tải tăng, mạch so sánh sẽ điều khiển cơng tắc
trong thời gian lâu hơn so với thới gian mở cơng tắc để duy trì điện áp ra ổn định;
ngược lại, thời gian cơng 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 cơng suất tiêu tán rất bé so với transistor lái
dòng ở nguồn ổn áp tuyến tính phải dẫn 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 cơng suất ra tải
-Trong thực tế, cơng tắc transistor được điều khiển bằng một nguồn dao
động tần số cố định, có chu kỳ nhiệm vụ D=
T
Ton
được điều biến bởi điện áp ngõ
ra mạch so sánh. Tần số đóng mở cố định của cơng 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 cơng suất lớn có đáp ứng cao
hơn 500Khz, nên có thể tăng tần số dao đơng cao hơn để giảm được kích thước
mạch lọc ngõ ra.


+
Ve
Ton

T
Vosc

Vc

Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 7
-Sơ đồ khối minh họa của một nguồn ổn áp xung điều khiển bằng tần số
cố định.
-Khối 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=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

It
=0: thời gian dòng giảm xuống 0
-t
off SCR
: thời gian tắt SCR.
-t
off
: thời gian từ lúc tác động đến SCR tắt
*Các phương pháp ngắt:
a. Ngắt nguồn điện áp VAK ra khỏi SCR (cách này thường không được sử
dụngvì phải tốn hao năng lượng ngắt, tốc độ làm việc chậm)
b. Giảm dòng qua SCR xuống dưới giá trị dòng duy trì IH (phương pháp đảo
lưu ép)
c. Đảo cực tính điện áp cấp cho AK.
II. ĐÓNG NGẮT BẰNG TRANSISTOR.
-Có nhiều lọai BJT trên 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.
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 9
-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.

I
B
0
V

Nguyn Vn c Lun vn tt nghip
Trang 10
*iu kin transistor tin sõu vo trng thỏi bóo hũa
.IB > Ic
*Xung nhn tc thi Ibtrong khong thi gian úng ngt cn kộo di t
2% n 3% thi gian dn.

-Khi chn transistor lm vic tng cụng sut khúa úng m, ta chỳ ý cỏc
c tớnh sau :in ỏp ngc 100 n 1500V ,dũng in thun ,thi gian chuyn
mch. (tn s chuyn mch).
-Khúa úng m cú th dựng mch ghộp 2 transistor nh mch ghộp
Dalington hay transistor MOS.
*Kt lun:
-B ngun switching dựng tansistor cụng sut tn s cao lm phn t úng
ngt ngi ta hay dựng nht.Bi vỡ nú d tỡm trờn th trng ,ỏp ng tn s cao ,
giỏ thnh khụng cao.Vy trong phn thit k ta chn linh kin úng ngt bng

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.
3. 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


* 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
- D
sb
: Diode san bằng dòng, giúp cho dòng điện qua L liên tục khi
dòng điện cung cấp qua transistor ĐCX không liên tục.
Vo
Cv
C
R
i
Dsb
Vo
L
1
T=Ton+Toff
DCX
Vs
Control
circuit
i
DCX
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 13
- V

o

V
L
= V
s
- V
o
=
dt
di
L
L

- Vậy i
L
biến thiên tuyến tính theo thời gian này lượng tích lũy vào R,C
cung cấp cho phụ tải.
i
L
=


t
L
VoV
S
.
I
Lmin

Vs
i
+
+
-
-
.
.

L
DT T
0
t
V - V
D
i
i
t
t
T
DT
TDT
S
0
l
CX
Dsb
i = i
1 Dsb
i = i

V
L
= -V
o
= L
-i
L
giảm từ I
Lmax
 I
Lmin
trong thời gian :
T - DT = ( 1 - D ) T theo hàm số
I
L
= -
L
Vo
( t - DT ) + I
Lmax
= i
DSb

I
Lmin
- I
Lmax
= I
L
= - ( 1 - D ) T ( 2 - 2 )






Lf
D
R 2
)1(1
với f =
T
1

I
Lmin
= DV
s











Lf
D

r
được tính như sau :
-Trong nửa chu kỳ C được nạp thêm điện lượng :
Q =
222
1
minmax
T
x
II
LL







(2- 4 ) -Cũng trong nửa chu kỳ tụ điện C phóng ra cùng 1 điện lượng.
Vậy : V
o

=
 
2
0
2
0
.8
)1(
8
1
fLC
DV
C
TD
L
V




-Hoặc : V
0
=
2
.8
)1(.
fLC
DDV
v


V
Dsbmax
= V
s0
t
0
U
D T
D T /2
T
U
t
(I + I )/2
L m ax
L m i n
V
0

Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 16
I
Dsbmax
=
Lf
VDDI
s
2

; điện năng
tích lũy vào L, C vẫn cấp điện cho tải.
- *Giai đoạn 2.
-DCX ngưng dẫn, i
L
vẫn liên tục do D dẫn vào phụ tải, L phóng điện vào
tải. .
L
.

-
-
+
+
Vs

T
T
t
t
Lmin
I
t
t

i
Vo
Control
circuit
i
DCX
-
+
R
C
Vo+
-
L
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 17
V
L
= V

Lmin
- I
Lmax
= ( T - DT )
-Nên ta có : V
0
=
D
V
s

1
với O<D<1 (2-9)
-Trong thực tế V
r
không lớn hơn 5V
v

-Công suất vào =
2
1
[ I
max
+ I
Lmin
] V
s

-Công suất ra :
R

V
S

(2 - 11)
-Từ (2-8) và (2-11) ta có : I
Lmin
=
2
)1( DR
V
V

-
Lf
DV
S
2
.
( f =
T
1
)
I
Lmax
=
2
)1( DR
V
V



-Để tính được điện áp gợn sóng V
0
hay dòng điện tại tụ lọc C
-Điện lượng nạp thêm vào tụ điện C là I
r
bằng điện lượng phóng ra nuôi
phụ tải, coi dòng gợn sóng tại phụ tải I
r
không đáng kể so với i
L

Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 18
Vậy : V
0
= V
C
=
C
Q


Q = I
o
.DT
Q =
Rf
DV
DT


I
DCXmax
=
Lf
DV
D
Io
S
21



- Diode D : V
Dmax
= V
S
+ V
o

I
Dmax
=
Lf
DV
D
Io
S
21


2
đến I
1
, trong khoảng t
2

Vo
C
R
+
-
D
c
V
V
m
D
i
i
1
=
Vo
+
Vs
L
Q
s
I
i
1



-Thay t
1
= DTvà t
2
= ( 1 - D) T
-Điện áp trung bình ngõ ra :
Vo = -
D
DV
S

1
.
( 2-15 )
-Với D là hệ số chu kỳ
-Giả sử mạch không tổn hao : V
S
I
S
= V
O
.I
O
= V
S
.I
a
. D/ ( 1 - D )

- Và dòng gợn sóng đỉnh đỉnh : I =
)(
.
0
SO
S
VVfL
VV


I =
Lf
DV
S
.
.

- Dòng xả trung bình của tụ I
C
= I
o

-Và điện áp gợn sóng đỉnh- đỉnh của tụ là :
V
C
=
C
Iot
dtI
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
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 20
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
1
với nhiều cuộn thứ cấp N
S1
, N
S2
, N
m
và một mạch
điều khiển độ rộng xung bằng điện áp DC. Các ngõ ra điện áp V
S1
,Vs2,
Vm và lấy tín hiệu phản hồi về từ V
m
. Ton được điều chỉnh để ngăn chặn sự thay
đổi tải hay nguồn cung cấp.


Vce(Q )
Ic(Q )
2Vdc
Ic( Q )
Vce(Q )
1
1
2
2

V
s2 =Vdc(Ns2/Np)2Ton/T
V
m=Vdc(Nm1/Np)2Ton/T
V
s1 =Vdc(Ns1/Np)2Ton/T
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 21
- Điện áp trung bình tại ngõ ra V
m

V
m
=
T
Ton
N
N
V

- Ton, V
m
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 T
on
sẽ được thay đổi theo sự thay đổi của V
m

 Điện áp tại ngõ ra của 2 cuộn thứ cấp :
V
S1
=
V
S2
=
T
Ton
N
N
V
p
S
dc
2
5,0)1(
2







s
Gauss

-
N
F
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.
a. 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 ( B
1
và B
2
), 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 )
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 22
-N : Số vòng dây(vòng)

8
min


(2-18)
Với dB =
xAcN
xTonV
p
dc
8
10))(1(


(2-19)
 Chọn số vòng dây thứ cấp :
-Số vòng dây thứ cấp được chọn từ :
V
m
=


0,5 - ) 1 - (Vdc
(V
dc
- 1 )





N

T
Ton2

V
S2
= [(V
dc
- 1 )








1
2
p
S
N
N
T
Ton2

 Tính toán dòng san bằng đỉnh.
-Giả sử hiệu suất 80% ( thường đạt được ở tần số trên 200KHz )
P


4,0

-Với D : hệ số chu kỳ : D = (0,8T/2)/2
-Hay : I
rms
= 0,632 I
pft

Vậy ta có : I
rms
= 0,632
min
0
min
0
986,056,1
dcdc
V
P
V
P

 Tính toán dòng gợn sóng đỉnh thứ cấp và kích cỡ dây :
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 23
I
S(rms)
= I
dc D

= V
1
(2Ton/T) thì Ton =
1
0
2V
TV

N
0
= V
1
(2Ton/T ) thì Ton =
1
0
2V
TV
-N
S
sẽ được chọn 0,8172 khi V
dc
, V
1
là nhỏ nhất

0
.05,0
dc
I
TV

Nếu dòng I
dcmin
=
10
1
I
on
Vậy : L
0
=
n
I
TV
0
0
5,0

-Trong đó , L
0
(H)
-V
0
(V)
-T(s)

0
=
dIV
x
R
x
r
/
10801080
6
0
6


C
0
=
r
V
dIc )1080(


* u im v nhc im :
1) u im
- Converter ny phõn phi nng lng ra ti qua bin ỏp. Vỡ vy s phn
hi in ỏp ngừ ra c cp in DC vi ngừ vo v cú nhiu cun th cp bin
ỏp nờn cú th cú nhiu in ỏp u ra.
- Khi b ngun cung cp ó c ci tin, iu chnh cỏc converter ban
u mang li cụng sut ln hn t nhng linh kin nh hn. Vỡ vy hiu sut
cho h thng phi tng. Mt cỏch n gin lm iu ny l s dng bin ỏp cú

D3
D4
D5
D6
D7
Vref
Vom
Vs1
Vs2
Q1
Vea
Vdc
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 25

-Trong mạch converter này chỉ có một transistor và một diode ở phía sơ
cấp. Trong khi mạch push -pull cnverterlà hai transistor.
- Khi Q
1
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 Q
1
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

dc
1
- V
D2

-Khi Q
1
tắt , dòng lưu trữ trong dây dẫn của T
1
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
1

sẽ bị đánh thủng nếu không có diode D
1
dẫn trả năng lượng .
- Điện áp ngõ ra DC :
V
om
=
 
T
Ton
V
Np
Nm
V
ddc 



T
T
V
Np
Nm
V
on
ddc
max
min
1

















V
S1




V
S2
=
 
T
T
V
Np
N
V
on
d
S
dc
max
2
min
1








