Luận văn Đề Tài:Tính toán và thiết kế
bộ nguồn ổn áp xung
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.
Điện áp vào
Điện áp ra ổn đònh
Phần tử
chuẩn
o
Phần tử
lấy mẩu
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
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
4.Nguồn ổn áp xung
78XX
(79XX)
VI
V
o
CoCi
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 5
-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
Mạch lọc
( LC )
Ve
V
I
Vc
V
L
Tải
KĐ
sai
lệch
So
sánh
Vref
Is
Io
Vo
Vs
Công tắc
(transistor)
Mạch lọc
( LC )
+
-
+
-
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 6
Ve
Ton
T
Vosc
Vc
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 7
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 thông
thường như: thyristor (SCR), transistro công suất hay transistor trường.
I. Đóng ngắt bằng SCR
-Sự bất lơò 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 I
G
=0
và điện thế V
AK
=0v. để SCR có thể tắt được thì thời gian V
AK
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 I
H
(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.
=0 tại điểm B
-Tại điểm B điện ápU
CE
=0 nên công suất tiêu hao P=Ic.U
CE
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
.I
B
> 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
(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 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.
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 13
I. 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
- 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.
DCX
Vs
Control
circuit
i
DCX
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 14
D : Hệ số chu kỳ hay tỉ số thời gian dẫn ( duty cycle) trên thời gian
làm việc T =
f
1
là chu kỳ đóng ngắt, f là tần số đóng ngắt thường vào khoảng
10KHz 100KHz. D
sb
phân cực nghòch, không dẫn.
-Điện áp ở L là : V
L
= V
s
- V
o
V
L
= V
s
- V
o
=
L
=
L
V-V
OS
t + I
Lmin
= i
DCX I
max
- I
Lmin
= -DT (2-1)
Giai đoạn 2: DT < t < T
TDT
S
0
l
CX
Dsb
i = i
1 Dsb
i = i
Dsb
1
L
i
V
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 15
-DCX ngưng dẫn, nhờ có D
sb
nên i
L
vẫn liên tục vì D
sb
dẫn :
V
L
= -V
o
T
Ton
T
T
on
Ta có : I
o
=
R
VII
LL 0minmax
2
( 2-3 )
Vậy : I
Lmax
= DV
s
Lmin
= 0
Vậy : L = (1-D )
f
R
2
-Điện áp gợn sóng
V
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 )
T
C
II
LL
.
8
minmax
-Thay T =
f
1
và ( I
Lmax
-I
Lmin
) = ( 1 - D ).T
V
o
=
2
=
f
L
V
0
( 1 - D ) (2-6)
* Chỉ tiêu các linh kiện :
- Transistor DCX :
-V
DCXmax
= V
s
-I
DCXmax
=
Lf
VDDI
s
2
)1(
0
- Diode D
sb
:
V
Dsbmax
= V
i
Vo
Control
circuit
i
DCX
-
+
R
C
Vo+
-
L
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 17
* Giai đoạn 1 : O < t < DT
- DCX dẫn, D phân cực nghòch nên không dẫn V
L
= V
v
= L
dt
d
iL
; điện năng
tích lũy vào L, C vẫn cấp điện cho tải.
-
L
=
I
D
=
L
VV
OS
(T - DT ) + I
Lmax
(2-8)
-i
L
giảm từ I
Lmax
I
Lmin
I
Lmin
- I
Lmax
= ( T - DT )
-Nên ta có : V
0
=
D
V
=
=
i
i
DCX
DCX
i
L
Lmax
2
S
T
T
T
T
t
t
Lmin
I
t
t
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 18
-Trong thực tế V
r
không lớn hơn 5V
v
-Công suất vào =
(2-10)
-Từ (2-9) và (2-10) :
Ta có : I
Lmmax
+ I
Lmin
=
22
)1(
2
DR
V
S
(2 - 11)
-Từ (2-8) và (2-11) ta có : I
Lmin
=
2
)1( DR
V
V
-
Lf
DV
S
2
.
( f =
S
2
.
= 0
L =
2
)1(.
2
DD
f
R
-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
Vậy : V
0
= V
C
=
C
Rf
DV
o
o
.
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 19
* Chỉ tiêu các linh kiện :
- Transitor DCX : V
DCXmax
= V
S
+ V
o
I
DCXmax
=
Lf
DV
D
Io
S
21
- Diode D : V
Dmax
Sơ đồ Buck Boost
*Mạch hoạt động được chia làm 2 giai đoạn.
- Giai đoạn 1 : Transistor Q
1
dẫn và diode D
m
bò phân cực ngược.
Dòng ngõ vào tăng và chảy vào cuộn cảm L, Q
1
- Giai đoạn 2 : Transistor Q
1
ngắt , năng lượng tích trữ trong L và
dòng cuộn cảm ứng tuyến tính từ I
2
đến I
1
, trong khoảng t
2
Vo = -L
2
t
I
=> t
2
=
Vo
-
D
c
V
V
m
D
i
i
1
=
Vo
+
Vs
L
Q
s
I
i
1
Control
circuit
Vo
- -
L
,
L
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 20
-Với D là hệ số chu kỳ
I
V
I
tt
f .
)(.1
21
- Và dòng gợn sóng đỉnh đỉnh : I =
)(
.
0
SO
S
VVfL
VV
I =
Lf
DV
S
.
.
CfVV
VoIo
SO
.)(
.
V
C
=
Cf
DI
O
.
- 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 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.
IV. PUSH - PULL CONVERTER
Mạch Push - Pull như sơ đồ sau:
- Nó gồm 1 biến áp T
1
với nhiều cuộn thứ cấp N
- 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
V
s2
=Vdc(Ns2/N
p
)2Ton/T
V
m
=Vdc(Nm1/N
p
)2Ton/T
V
s1
=Vdc(Ns1/N
p
)2Ton/T
Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp
Trang 22
-Khi V
dc
thay đổi thì vòng hồi tiếp âm sẽ điều chỉnh Ton để giữ V
m
không đổi
- 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
Mức điện áp trên một vòng :
N
E
= Ae ( dB/dt) x 10
-8
-Ae : là tiết diện lõi sắt ( cm
2
)
-dB : là độ thay đổi từ cảm ( Gauss )
-dB/dt
s
Gauss
--> dB =
NAe
E
dt
8
10.
( Gauss )
- Số vòng dây sơ cấp được xác đònh như sau :
+N
p
: Được tính với điện áp đặt lên cuộn sơ cấp là nhỏ nhất (V
dc
-1)
và thời gian mở là cực đại.
N
p
=
dBAe
xTV
dl
.
10)2/8,0)(1(
8
min
(2-18)
Với dB =
xAcN
- 0,5]
T
Ton2
V
S1
= [(V
dc
- 1 )
1
2
p
S
N
N
T
Ton2
V
S2
= [(V
= V
dcmin
.0,8I
pft
-Vậy I
pft
= 1,56
min
0
dc
V
P
(2-20)
Tính toán dòng điện sơ cấp hiệu dụng và tiết diện dây dẫn :
I
rms =
I
pft
D
= I
pft
4,0
-Với D : hệ số chu kỳ : D = (0,8T/2)/2
-Hay : I
rms
= 0,632 I
pft
-Với I
dc
dòng điện ngõ ra.
Thiết kế bộ lọc ngõ ra.
1) Thiết kế cuộn cảm ngõ ra :
dI = 2I
dcmin
= V
L
.
0
L
Ton
= (V
1
- V
0
)
0
L
Ton
N
0
= V
1
(2Ton/T) thì Ton =
1
0
2V
TV
T
T
on
hay V
1min
= 1,25V
0
dI =
0
00
)2/8,0)(25,1(
L
TVV
= 2I
dcmin
Và L
0
=
min
0
.05,0
dc
I
TV
Nếu dòng I
Vo
Lo
Ns
Ns
D1
D2
Co
Copyright: Tài liệu đại học ©