BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC
KHOA

Luận văn

Phương pháp nghiên cứu tính toán và
thiết kế bộ nguồn áp xung trong bộ
điều khiển đo dãy cao áp
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 1
Chương I:
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ỔN ÁP DC
I. LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ỔN ÁP
- Chức năng của mọi ổn áp DC và biến đổi điện áp vào DC ( một chiều)
thành điện áp ra DC xác đònh , ổn đònh và duy trì điện áp đó không đổi trên
một tầm rộng của các điều kiện điện áp vào và dòng tải. Để thực hiện việc
này, một ổn áp thường gồm có.
1. “Phần tử chuẩn” để cung cấp một mức điện áp ra ổn đònh biết trước
(V
REF
).
2. “Phần tử lấy mẫu” để lấy mẫu điện áp ra.
3. “Phần tử khuếch đại sai biệt” để so sánh mẫu điện áp chuẩn và tạo ra
tín hiệu sai biệt.

chuẩn
o
Phần tử
lấy mẩu
Phương pháp nghiên cứu tính tốn và thiết kế bộ
nguồn áp xung trong bộ điều khiển đo dãy
tần cao áp
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 2
qua khuếch đại sai biệt sẽ làm cho điện áp ra thay đổi theo. Để có được sự ổn
đònh như yêu cầu, phần tử chuẩn phải ổn đònh, 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.
2. 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.
3. 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.
4. Phần tử điều khiển.
a. Nối tiếp:

Vo=Vs -IL.Rs

b. Song song:


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.
2. 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:
Vref
R1
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 4
-Trong đó Ci được thêm vào khi vi mạch đặt xa nguồn chỉnh lưu và lọc
để ổn đònh 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

78XX
(79XX)
VI
V
o
CoCi
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 5
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

Is
Io
Vo
Vs
Công tắc
(transistor)
Mạch lọc
( LC )
+
-
+
-
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 6


Ve
V
I
Vc
V
L
+
Ve

Ton

T

Vosc

Vc

Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 7
-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.
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 8
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

*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 trò 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 thò trường từ những BJT Ge,Si, đến BJT
darlington rất tốt, chúng thường làm một số công việc nhất đònh
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 9
-Khi chọn lựa chúng ta phải chú ý đến chế độ họat động của chúng như:
Đòên 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 đònh.
-Đặc tính làm việc của transistor ở chế độ đóng ngắt.
*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 thò trường ,đáp ứng tần
số cao , giá thành không cao.Vậy trong phần thiết kế ta chọn linh kiện đóng
ngắt bằng transistor .

Transistor
Transistor
Xung nhọn I
I
Dòng đỉnh ngược I
Bmin
B


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 đònh 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 đònh bằng thời hằng của mạch đơn ổn
và được giữ cố đònh.đây là loại mạch cho phép điều chỉnh độc lập tần số xung
đối với độ rộng xung.
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 12
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 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 đònh 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.

- 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.
- V
s
: 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

L
Vo
C
R
Vs
i
+
+

sb
phân cực nghòch, không dẫn.
-Điện áp ở L là : V
L
= V
s
- 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

I
max
- I
Lmin
= -DT (2-1)
 Giai đoạn 2: DT < t < T
Dsb

.
.
-
-
+
+
Vs
R
C
Vo
L
Dsb
i

Trang 15 -DCX ngưng dẫn, nhờ có D
sb
nên i
L
vẫn liên tục vì D
sb
dẫn :
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

( 2-3 )
Vậy : I
Lmax
= DV
s










Lf
D
R 2
)1(1
với f =
T
1

I
Lmin
= DV
s




x
II
LL







(2- 4 )

0
t
0
U
D T
D T /2
T
U
t
(I + I )/2
L m a x
L m in

-Thay T =
f
1
và ( I
Lmax
-I
Lmin
) = ( 1 - D ).T
V
o
=
 
2
0
2
0
.8
)1(
8
1
fLC
DV
C
TD
L
V





VDDI
s
2
)1(
0


- Diode D
sb
:
V
Dsbmax
= V
s

I
Dsbmax
=
Lf
VDDI
s
2
)1(
0


I
Dbstrung bình
= (1-D).I
0

L
= V
v
= L
dt
d
iL
; 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.


 I
Lmin

I
Lmin
- I
Lmax
= ( T - DT )
.
L
.

-
-
+
+
Vs
R
C
Vo
DCX
D

DT
DT
C
i
S
DT
DCX

=
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
o
2

-Cân bằng công suất vào với công suất ra :
Ta có :

=
2
)1( DR
V
V

-
Lf
DV
S
2
.
( f =
T
1
)
I
Lmax
=
2
)1( DR
V
V

+
Lf
DV
S
2
.

bằng điện lượng phóng ra
nuôi phụ tải, coi dòng gợn sóng tại phụ tải I
r
không đáng kể so với i
L

Vậy : V
0
= V
C
=
C
Q


Q = I
o
.DT
Q =
Rf
DV
DT
R
V
o
.
0
( 2-12 )
Với D : hệ số chu kỳ , D =
T

D
Io
S
21



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

I
Dmax
=
Lf
DV
D
Io
S
21


( 2 -13)
-I
D trung bình
= I
o


Vo = -L
2
t
I

=> t
2
=
Vo
LI.



I =
L
tVo
L
tV
S
2
1



Vo
C
R
+
-

= 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 )
-Dòng trung bình ngõ vào : I
S
quan hệ với dòng trung bình ngõ ra I
O

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
dtI
C
t
O

-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 đònh 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 đònh thứ hai mà phải được cách điện DC với điện áp ngõ ra ổn
đònh thứ nhất. Vì vậy khó có thể thiết kế được nhiều ngõ ra cho bộ nguồn.
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 21
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.


Vs2 =Vdc(Ns2/Np)2Ton/T
Vm=Vdc(Nm1/Np)2Ton/T
Vs1 =Vdc(Ns1/Np)2Ton/T
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 22
- Khi transitor dẫn thì điện áp dưới của mỗi nửa cuộn sơ cấp giảm
xuống V
ce(sat)
khoảng 1V. Vì thế khi cả hai transitor dẫn thì điện áp vuông có
giá trò V
dc
- 1
- Điện áp trung bình tại ngõ ra V
m

V
m
=
T
Ton
N
N
V
p
m
dc
2
5,0)1(


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











-
N
F
là điện áp trên vòng là tỉ lệ theo tần số sóng ngắt.
- Trong thực tế, giá trò 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
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 23
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
-Đònh 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)
-A
e
: Tiết diện lõi ( cm
2
)
-dB : ( Gauss )

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 )








p
m
N

= [(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
0
= 0,8P
in

-Hay P
in
= 1,25P

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 :
I
S(rms)
= I
dc
D = I
dc
4,0
= 0,632.I
d c


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
min
1
0
22
8,0
V

V1
Vo
Lo
Ns
Ns
D1
D2
Co