Nguồn DC
chưa ổn định
Phần tử
điều chỉnh
Lọc Tải
Lấy mẫu
So
sánh
Nguồn xung
Điều chế
Điều chỉnh
điện áp
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: [email protected] PHẦN A : PHẦN LÝ THUYẾT
1. Tổng quan về ổn áp xung:
1.1 Khái niệm:
Ổn áp xung còn gọi là ổn áp đóng ngắt, là ổn áp dựa trên nguyên lý hồi tiếp (nguyên
lý bù), trong đó phần tử điều chỉnh làm việc ở chế độ xung. Ổn áp xung có những ưu
điểm vượt trội so với ổn áp tuyến tính như sau:
Ưu điểm:
- Có tổn hao ít nên hiệu suất cao (thường trên 80%)
- Độ ổn định cao do phần tử điều khiển làm việc ở chế độ xung
- Thể tích và trọng lượng bộ nguồn nhỏ
Nhược điểm chính của ổn áp xung:
- Phân tích, thiết kế phức tạp
- Bức xạ sóng, can nhiễu trong dải tần số rộng do đó cần có bộ lọc xung ở ngõ vào
nguồn và bộ nguồn phải được bọc kim.
1.2 Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của ổn áp xung:
1.2.1. Sơ đồ khối:

rộng xung làm thay đổi điện áp ra.
- Điều chế tần số xung: giữ độ rộng xung không thay đổi nhưng thay đổi chu kỳ tín
hiệu xung làm thay đổi điện áp ra.
- Điều chế xung: vừa thay đổi độ rông xung, vừa thay đổi độ rộng xung.
1.3 Phân loại ổn áp xung: có 4 loại ổn áp xung
- Ổn áp Buck: là loại ổn áp có điện áp trung bình ngõ ra nhỏ hơn ngõ vào.
- Ổn áp Boost: là loại ổn áp có điện áp trung bình ngõ ra lớn hơn ngõ vào.
- Ổn áp Buck_Boost: là loại ổn áp có điện áp ngõ ra lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp
ngõ vào.
- Ổn áp Cuk: là ổn áp có điện áp ngõ ra có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp ngõ
vào nhưng cực tính ngược với điện áp ngõ vào.
1.4 Ổn áp xung kiểu Buck:
Ổn áp Buck là loại điện áp trung bình ngõ ra nhỏ hơn điện áp ngõ vào, hoạt động theo
phương pháp điều chế độ rộng xung.
1.4.1. Sơ đồ mạch:

1.4.2. Nguyên lý hoạt động:
Q làm việc như một khóa điện tử, đóng hoặc mở với tần số không đổi. Xung điều
khiển có tần số f do khối tạo xung nhịp tạo ra. Phần điều khiển thực hiện việc so sánh
2
2
Điều chế độ
rộng xung
K
Lấy mẫu
So sánh
Tạo điện áp
chuẩn
Nguồn xung
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: [email protected]

T
t
V
V
x
s
=
0
Vì:
sx
VVTt
≤≤⇒≤≤
0
00
Vậy điện áp ra luôn nhỏ hơn điện áp vào.
1.4.3. Phương pháp tính toán ổn áp Buck:
* Sơ đồ mạch:
Hoạt động của mạch chia làm 2 mode:
Mode 1: Ứng với thời gian BJT Q dẫn bão hòa (
0
≈
CEsat
V
)
Bắt đầu khi Q dẫn ở tại thời điểm bằng t = 0, nếu bỏ qua
CEsat
V
thì
⇒=
sD

L
I
C
C
Q
2
1
3
V
O
-
Taûi
i
C
i
O
V
S
C
I
C
+ L
i
S
= i
L
3
3
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: [email protected]


. Dòng qua L giảm đột ngột
→
xuất hiện suất điện động tự
cảm có chiều như hình vẽ để chống lại sự giảm. Lúc này, D dẫn và L đóng vai trò là
nguồn xả năng lượng từ trường qua L, C, D và tải. Dòng qua L giảm từ
21
II
→
cho đến
khi Q dẫn trở lại trong chu kì kế tiếp.
Điện áp ngang qua L:

0
2
22
12
0
V
I
Lt
t
I
L
t
II
LVV
L
∆
=⇒
∆

Mà:
k
V
V
kV
T
T
VV
s
sso
=⇒==
00

Từ (3) suy ra:
s
s
s
s
s
V
V
V
VV
fLV
VVV
L
T
I
)1(
1

+=

0
iii
CL
∆+∆=∆⇒
;
0
i
∆
: dòng gợn sóng trên tải, rất nhỏ.

2
I
ii
CL
∆
=∆≈∆⇒
(1.5)
V
O
-
Taûi
i
C
i
O
C
I
C

1
)( tvdtti
C
tv
CCC
Điện áp gợn sóng đỉnh-đỉnh của tụ:

fC
I
dt
I
C
dtti
C
vtvVV
TT
CCCC
84
1
)(
1
)0()(
2
0
2
0
0
∆
=
∆

(1.9)

0
2
8
)1(
VLf
kVk
C
s
∆
−
=
(1.10)
5
5
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: [email protected]

* Dạng sóng:
V
o
s
V
t

L
i

1
t

−

t

01
II
−0
vv
C
=

0
v
t
6
6
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: [email protected] 0
i

0
I t

Chân 3: chân ngõ ra.
Chân 4: chân Reset: “0” cấm, “1” cho phép mạch làm việc.
Chân 5: chân điều khiển bằng điện thế. Nếu không dùng thì nối qua tụ 0.01μF tới
mass.
Chân 6: chân ngưỡng (chân thềm).
Chân 7: chân ngõ ra phụ.
7
7
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: [email protected]

Chân 8: nguồn Vcc, bộ Opamp SS2 có mức ngưỡng điện thế là 2/3Vcc, bộ SS1 có
điện thế ngưỡng là 1/3Vcc.
Bảng trạng thái:

S R Q
0 0 Q
o
0 1 0
1 0 1
1 1 x
2.2 Mạch dao động đa hài không trạng thái bền dùng IC555:
a. Sơ đồ mạch và dạng sóng:C
v

CC
V
3

tạo độ dài xung ra.
* 0 ≤ t < t
1
: giả sử mạch ở trạng thái không bền ban đầu. Ngõ ra
0
V
= 1
0
=⇒
RSFF
Q
,
BJT Q
1
tắt: không có dòng đổ qua BJT Q
1
⇒
tụ C được nạp điện từ nguồn Vcc qua điện
8
8
IC 555R2
C
Vout
U3
2
5
3
7
6
4

. Lúc đó:
01
1:
0:
0
2
1
=⇒=⇒
=→>
=→>
−+
+−
vQ
SvvSS
RvvSS

Mạch chấm dứt thời gian tồn tại trạng thái không bền ban đầu và chuyển sang trạng
thái không bền thứ 2.
*
1
t
≤ t <
2
t
:
Tại thời điểm t = t
1
: mạch tồn tại ở trạng thái không bền thứ 2. Q =1,
0
v

RvvSS

⇒
Q vẫn giữ nguyên trạng thái cũ trước đó (Q = 1)
⇒
do đó tụ C tiếp tục xả cho đến
khi
CCC
Vv
3
1
≤

(điện thế ngưỡng của bộ SS1), mà
)2()6(
== vvv
C
nên suy ra:

0:
1:
2
1
=⇒>
=⇒<
+−
+−
SvvSS
RvvSS


là thời gian ứng với ngõ ra
o
v
= 0
T là chu kì dao động của mạch : T =
1
T
+
2
T
* Tính
1
T
:
Phương trình nạp của tụ C:
[ ]
)0(1)0()()(
1
C
t
CCC
vevvtv
+








1
+








−=⇒
τ
−
Khi t =
1
T
:
CCC
VTv
3
2
=)(
1

CC
T
CCCC
VeVV
3
1

1
CRTee
TT
=τ=⇒=⇒=−⇒
τ
−
τ
−
Vậy thời gian nạp của tụ là
11
7,0 CRT
=
(2.1)
* Tính
2
T
:
Phương trình xả của tụ C:

[ ]
)()()0()(
2
∞+∞−=
τ
−
C
t
CCC
vevvtv


2
=

22
7,0
3
2
3
1
2
2
CRTeVV
T
CCCC
=⇒=⇒
τ
−
Vậy thời gian xả của tụ C là
22
7,0 CRT
=
(2.2)
T =
1
T
+
2
T
= 0,7C (
21

V
3
2

10
10
Vcc
R
Vi
U3
2
5
3
7
6
4
81
TR
CV
Q
DIS
THR
R
VCCGND
Vout
C
0.01uF
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: [email protected]
0
0

1
==⇒
RS
. Transistor dẫn bão hoà.
Vì tụ C mắc song song với transistor nên
→≈===
VVvvv
CEC
02,0
S)7(
tụ C không
được nạp điện. Mạch luôn tồn tại trạng thái bền.
*
1
t
≤ t <
01
Tt
+
: Mạch ở trạng thái không bền.
t =
1
t
: Mạch được kích khởi bằng tín hiệu kích khởi
CCi
Vv
3

, lúc này R
= 0 vì thời gian tồn tại xung kích khá nhỏ
01
0
=⇒=⇒
vQ
. Mạch chấm dứt thời gian
tồn tại trạng thái không bền và bắt đầu chuyển sang trạng thái phục hồi.
* t
01
Tt
+≥
: giai đoạn phục hồi
Do Q = 1,
0
v
= 0
⇒
T dẫn
⇒
tụ xả qua T cho đến khi
0
≈
C
v
. Sau khi kết thúc giai đoạn
phục hồi mạch trở về trạng thái bền ban đầu.
c.Tính độ dài xung ra:

0

C
Vv
v
=∞
=
)(
0)0(







−=⇒
τ
−
1
1)(
t
CCC
eVtv

11
11
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: [email protected]


* Tính thời gian phục hồi:
Phương trình xả của tụ:

[ ]
)()()0()(
2
∞+∞−=
τ
−
C
t
CCC
vevvtv

với
0)(,
3
2
)0(
=∞=
CCCC
vVv
khi t =
ph
T
0)(
0log
≈=⇒
icphC
VTv

3
2
ln
ic
CC
ph
V
V
RCT
=⇒
2.4 Mạch so sánh và khuếch đại:F
R1
R
N

1
v

0
v

2
v


U
0
1
1
1
11
+=








+

1
1
1
0
11
R
v
RR
U
R
v
F
N

R
R
R
R
Uv
FF
N
−








+=⇒
Mà
F
F
P
P
PN
R
RR
v
R
RR
v
UU


CC
V
t

0
v

1
t

2
t

3
tCC
V

i
v

0
v
t
Mạch xén dung để tạo điện áp kích cho IC555 Monostable.
*
CCi

:
32
, tụ C xả điện qua D và R cho đến khi
Vv
C
0
=
và điện áp ra
CCi
Vvv
≈≈
0
2.6 Mạch bảo vệ:
a.Bảo vệ ngắn mạch:
Khi bị ngắn mạch ở tải dòng qua
g
R
tăng
⇒>⇒
gSCRR
VV
g
SCR dẫn có dòng qua Relay làm
Cho Relay ngắn mạch phía sau
Khóa K làm tiếp điểm thường đóng. Khi SCR
dẫn, Relay làm hở mạch, muốn mạch làm
việc trở lại thì phải ấn nút K để SCR mất nguồn
cung cấp suy ra SCR tắt suy ra Relay mất tác động.
Do khóa K thường đóng nên khi vừa nhả khóa K thì mạch tiếp tục làm việc.
RC : chống lại sự tăng

đến ngưỡng dẫn
a
Q
→
dẫn
1
Q
→
dẫn
→
Relay tác động ngắt
mạch. Nếu áp vào giảm xuống,
làm cho
Zb
D
xuống mức ngưỡng
dẫn
b
Q
→
tắt
Zb
D

b
Q

2
Q
→

D
2.8 Tính công suất tiêu tán của Transistor chuyển mạch:

max
C
ICes
V
t

R
T

sat
T

F
T

0
T

14
14
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: [email protected]

Trong quá trình chuyển mạch, do có tính trễ nên BJT không dẫn ngay mà phải trải qua 1
thời gian tạo sườn lên và khi tắt phải trải qua thời gian tao sườn xuống.

V
T
tT
Vt
T
VV
tV
−
≈+
−
=
)(

*Trong giai đoạn bão hoà:

bsesccessat
IVIVP
+=
max

*Trong giai đoạn
f
T
:

max
)(
c
f
f

( )
∫∫
+++
f
r
T
cecbsbescces
sat
T
cec
dttVtI
T
IVIV
T
T
dttVtI
T
0
0
max
0
0
0
)()(
1
)()(
1
Ta có : *
( )
∫ ∫





−=
r
T
r
r
sc
dt
T
t
T
t
T
VI
0
2
2
0
max

r
T
r
r
sc
T
t

max
rr
sc
TT
T
VI

0
max
6T
TVI
rsc
=
(*)
15
15
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: [email protected]

*
( )
∫ ∫
−
=
f f
T T
f
f
sccec
dt
T

IVIV
T
T
TVI
T
TVI
bsbescces
sat
fsc
rsc
+
++

( )
( )
bsbescces
sat
fr
sc
IVIV
T
T
TT
T
VI
+++=
max
00
max
6


PHẦN B : PHẦN TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
Yêu cầu :
17
17
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: [email protected]

* Điện áp vào:
DC
V
= 25v
±
30%
* Điện áp ra:
0
V
= 12v
* Độ gợn dòng đỉnh_đỉnh: ΔI = 0,01A
* Độ gợn áp đỉnh_đỉnh: ΔV = 0,01v
* Dòng trung bình:
0
I
= 10A
* Tần số làm việc: f = 12 kHz
* Dùng IC555 để điều chế độ rộng xung
TÁC DỤNG CỦA CÁC LINH KIỆN
*
asa
VRR ,
: phân áp, chọn điện áp ngưỡng.

: điện trở hạn dòng cho SCR.
*
g
R
: lấy áp kích cho SCR khi ngắn mạch.
*
15
,CR
: mạch có tác dụng hạn chế kích dẫn cho SCR.
*
3126
,,, QDDR
z
: cấp nguồn cho các mạch hoạt động.
*
2
D
: bù nhiệt cho
1
z
D
.
*
6
R
: định thiên dòng cho diode
1
z
D
.

*
1211
, RR
: điện trở phân cực cho
4
Q
.
*
4
Q
: transistor chuyển mạch , đóng hoặc mở sẻ làm cho
5
Q
,
6
Q
dẫn hay tắt.
*
7
C
: làm cho
4
Q
chuyển đổi trạng thái nhanh hơn.
*
13
R
: điện trở tải của
4
Q

: mạch lọc, tích luỹ năng lượng trong thời gian
5
Q
,
6
Q
dẫn để cung cấp năng
lưọng cho mạch khi
5
Q
,
6
Q
tắt.
*
2616
,,
z
DDR
: tạo điện áp chuẩn để đưa đến mạch so sánh.
*
22321
,, RVRR
: lấy mẫu tín hiệu ra để đưa đến mạch so sánh.
*
3
VR
: thay đổi điện áp chuẩn.
*
)1(741,,,,

Chọn
1
T
= T/2
f
RVRC
2
1
)(7.0
712
=+⇒

=+⇒
71
RVR
2
4,1
1
fC
Chọn C2 = 22nF
Suy ra
==+
−
93
71
10.22.10.12.4,1
1
RVR
2,7kΩ
Chọn

7,0
1
fC
VRRR
=++⇒
93
10.22.10.12.7,0
1
−
=
=5,411kΩ

8
R
⇒
= 5,411- 2,7 = 2,711kΩ
Chọn
8
R
là điện trở 2kΩ và 0,8kΩ
Dòng nạp tối đa cho tụ C2 là:

7,3
7,2
10
3
2
17
R
7

1
2
71
VRIP
RVR
10,952 mW
Dòng tối đa qua
8
R
là:

711,2
10
3
2
8
R
8
==
R
V
I
CC
= 3,689 mA
Công suất tiêu tán trên
8
R
là:

===

kVR
W
Chọn D
3
là loại 1N4001 với
D
V
= 0,6V ,
=
D
I
10mA
Chọn tụ
=
3
C
0,01μF để chống nhiễu.
2. Tính mạch xén:
Khi điện áp ngõ ra của mạch Astable ở mức logic 0.
Tụ C
4
được nạp từ Vcc qua R
9
đến ngõ ra của mạch
Astable.
Để mạch Monotable hoạt động tốt thì độ dài xung
kích đưa vào chân số (2) của mạch Monotable phải
nhỏ hơn thời gian tồn tại xung của mạch Monotable.
Phương trình nạp của tụ C
4

CCC
VV
=∞
)(
4





−=⇒
τ
−
t
CCC
eVtV 1)(
4
Gọi t1 là thời gian tụ C4 nạp được 1/3Vcc

CC
t
CCC
VeVtV
3
1
1)(
1

x
==
∫
0
0
1

fV
V
T
V
V
t
ss
x
.
00
==⇒

*Áp vào: V
s
= 25V
*Độ biến thiên áp vào: 17,5 → 32,5V
*Điện áp ra: V
o
= 12V
*Độ gợn điện áp ngõ ra: ∆V
o
= 0,01V
Khi V

t
30μs
Để đảm bảo độ rộng xung kích nhỏ hơn t
x
chọn:

==≤
30
5
1
5
1
min1
x
tt
6 μs

6
49
10.15
5,1ln
6
−
==⇒
CR

Chọn C4 = 22nF

==⇒
−

Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: [email protected] 





−=
τ
−
t
CCC
eVtV 1)(
19

τ
−
=⇒
t
CCR
eVtv )(
9

dt
R
eV
T
dt




−
−
4.9
2
4
2
1
1
2
CR
t
CC
e
T
CV
Mà
====
−
93
2821
10.22.10.711,2.7,07,0 CRTt
41,7μs

=




3. Tính mạch Monotable:
Chọn IC555 là loại HA17555
Tính mạch hoạt động bình thường với áp vào Vs= 25V
Thời gian tồn tại xung tx chính là thời gian tụ C5 nạp
điện từ 0 đến 2/3Vcc.
Theo (2.4) thời gian nạp của tụ C5 là:

01025
3ln)(
x
tRVRCT
=+=

4,36
3ln
10.40
)(
6
1025
==+⇒
−
RVRC
μs
Chọn
5
C
= 2,2 nF

=+⇒
210

mA
Công suất tiêu tán trên
10
R
là:
76,510.16.10.)6,0(.
362
10
2
1010
===
−
RIP
RR
mW
Công suất tiêu tán trên
2
VR
là:
36,010.10.)6,0(
362
2
==
−
VR
P
mW
Vậy chọn
10
R







−=
τ
−
5
1)(
5
t
CCC
eVtv
Khi
min
SS
VV
=
= 17,5V
==⇔
max
xx
tt
57 μs

=−=⇒
−
)1(15

=
= 32,5V
min
xx
tt
=⇔
= 30 μs

=−=⇒
−
)1(15
41,36
30
5
eV
C
8,42 V
4. Tính mạch lọc:
Theo đề: ∆V = 0,01 V
∆I = 0,01 A
Theo (1.9) ta có:
( )
If
Vkk
L
S
∆
−
=
.

∆
−
=
01,0.10.12.8
01,0
8
8
)1(
32
6
Vf
I
VLf
kVk
C
S
10,4µF
Chọn
=
6
C
11µF
* Tính toán cuộn cảm:
Dòng ngõ ra trung bình là 10A
Chọn dây đồng có đường kính: d=0,65
I
= 0,65
10
= 2,06 mm
Chọn lõi từ thanh ferit dài 4cm, ø = 1cm

.
7
S
Ll
N
Với µ = 1000
1000.
4
)01,0(
.10.4
10.52.04,0
2
7
3
ππ
=⇒
−
−
N
= 144 vòng
Với µ = 6000
6000.
4
)01,0(
.10.4
10.52.04,0
2
7
3
ππ

thời gian có xung ra ở đầu ra của mạchmonotable.
Khi
65
,QQ
dẫn thì nguồn DC được đưa đến đầu ra,
khi
65
,QQ
tắt thì cắt nguồn DC ra khỏi mạch.
Dòng trung bình ngõ vào:
0S
.IkI
=
= 0,48.10 = 4,8A
Mà :
R14CSQ5SQ6S
IIII
C
++=
Dòng chảy qua
6
Q
lớn nhất , Chọn
SQ6
I
= 4,6A
a. Tính chọn Q
6
:
Để dễ tính toán,chọn thời gian tắt mở của các BJT là

*Chọn BJT có
min
β
= 30
25
25