Tính toán và thiết kế nguồn ổn áp xung

  • Số trang: 62 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 38 |
  • Lượt tải: 0
nganguyen

Đã đăng 34173 tài liệu

Mô tả:

Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Văn Đức BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG…………….. LUẬN VĂN Tính toán và thiết kế nguồn ổn áp xung Trang 1 Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Văn Đức 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 định , ổn định 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 định biết trước (VREF). 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. 4. “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. Ñieän aùp vaøo Phaàn töû ñieàu khieån Ñieän aùp ra oån ñònh Phaàn töû chuaån REF Khueách ñaïi o sai bieät Phaàn töû laáy maåu 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 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. Trang 2 Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Văn Đức 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: Rs Vo=Vs -IL.Rs b. Song song: Vs R Vo Vo =VI-(IL+Is).Rs Is Rs c. Xung: Vo =Vs Ton Ton + Toff 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). 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 Trang 3 Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Văn Đức 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: 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. Trang 4 Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Văn Đức *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. VI 78XX (79XX) Ci Vo Co -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. Coâng taéc (transistor) + Is Vs - Io + Maïch loïc ( LC ) So saùnh KÑ sai Vref leäch Vo Taûi - -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 Trang 5 Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Văn Đức 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 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 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= Ton được điều biến bởi điện áp ngõ T 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. VI Khoùa BJT Maïch chænh löu vaø loïc Maïch loïc ( LC ) VL Vc Ve + Taïo soùng raêng cöa Vosc Taûi KÑ sai leäch Ñieän aùp chuaån Vc Ve Ton T Trang 6 Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp -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 Ic *Xung nhọn tức thời Ibtrong khoảng thời gian đóng ngắt cần kéo dài từ 2% đến 3% thời gian dẫn. Tr ansi st or Tr ansist or daã n ngaé t Xung nhoïn I B I Bmin Doø n g ñæ nh ngöôïc I B -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 . III. 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. Trang 10 Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp -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. 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 Trang 11 Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Văn Đức 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. B. 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) HalfBridge (nửa cầu), Cầu (Full - Bridge) I. SƠ ĐỒ BUCK. Vs Cv DCX T=Ton+Toff L1 iDCX Control iDsb circuit Vo Vo C R * 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. Trang 12 Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Văn Đức - 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 iL Vo+ + Vs . . R C - - D : Hệ số chu kỳ hay tỉ số thời gian dẫn ( duty cycle) trên thời gian làm việc T = 1 là chu kỳ đóng ngắt, f là tần số đóng ngắt thường vào khoảng f 10KHz  100KHz. Dsb phân cực nghịch, không dẫn. -Điện áp ở L là : VL = Vs - Vo VL = Vs - Vo = L di L dt - Vậy iL biến thiên tuyến tính theo thời gian này lượng tích lũy vào R,C cung cấp cho phụ tải. V S  Vo .t  ILmin L iL = -IL tăng từ ILmin đến ILmax trong thời gian T iL = VS - VO t + ILmin= iDCX L L DT il DCX i Dsb i 1 = i Dsb DT t T T V V - V0 S 0 iL t Trang 13 DT T i 1= i Dsb t Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Văn Đức Imax - ILmin = -DT (2-1)  Giai đoạn 2: DT < t < T L + Vs .. Vo+ DCX . . Dsb iDsb C R - - -DCX ngưng dẫn, nhờ có Dsb nên iL vẫn liên tục vì Dsb dẫn : VL = -Vo = L -iL giảm từ ILmax  ILmin trong thời gian : T - DT = ( 1 - D ) T theo hàm số IL = - Vo ( t - DT ) + ILmax = iDSb L ILmin - ILmax = IL = - ( 1 - D ) T (2-2) -Đại lượng tăng dòng bằng đại lượng giảm dòng : Cộng (2-1) và (2-2) => V0 = D.Vs Ta có : Io = Vậy : I L max  I L min V0  2 R  1 (1  D )    2 Lf  R ILmax = DVs  với D = Ton T Ton T ( 2-3 ) với f = 1 T  1 (1  D )    2 Lf  R ILmin = DVs  -Điều kiện để có dòng liên tục là ILmin = 0 Trang 14 Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Văn Đức Vậy : L = (1-D ) R 2f -Điện áp gợn sóng Vr được tính như sau : -Trong nửa chu kỳ C được nạp thêm điện lượng : 1  I L max  I L min  T  x 2 2  2 Q = (2- 4 ) 0 (I L m a x + I L m i n )/2 T t DT D T /2 U0 V U0 t -Cũng trong nửa chu kỳ tụ điện C phóng ra cùng 1 điện lượng.  I L max  I L min   .T  8C   Vậy : Vo = Vc =  -Thay T = 1 và ( ILmax-ILmin) = f ( 1 - D ).T V0 1  D T 2 V (1  D ) L Vo =  0 8C 8 LC. f 2 -Hoặc : V0 = Vv .D(1  D ) 8 LC . f 2 -Dòng gợn sóng : iL= ( 2-5 ) V0 (1-D) Lf (2-6) * Chỉ tiêu các linh kiện : - Transistor DCX : -VDCXmax = Vs -IDCXmax = - Diode I 0  D(1  D )Vs 2 Lf Dsb : VDsbmax = Vs Trang 15 Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Văn Đức IDsbmax = I 0  D(1  D )Vs 2 Lf IDbstrung bình = (1-D).I0 (2- 7) II. 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 : iL + Vo+ Vo Control circuit - C iDCX R - Sơ đồ Boost * Giai đoạn 1 : O < t < DT - DCX dẫn, D phân cực nghịch nên không dẫn VL = Vv = L d iL ; điện năng dt tích lũy vào L, C vẫn cấp điện cho tải. Lmax i = iL I Lmin DCX iDCX DT T i =i iDCX DT T DT T iC t L DCX t T S2 t t S *Giai đoạn 2. -DCX ngưng dẫn, iL vẫn liên tục do D dẫn vào phụ tải, L phóng điện vào tải. +Vs L .D. . .DCX - Vo+ C R Trang 16 - Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Văn Đức VL = Vs- Vo; Vo> Vs V S  VO (T - DT ) + ILmax L iL = ID = (2-8) -iL giảm từ ILmax  ILmin ILmin- ILmax = -Nên ta có : V0 = Vs 1 D ( T - DT ) với O t2= Vo t2 V S .t1  Vo.t 2  L L -Thay t1= DTvà t2 = ( 1 - D) T -Điện áp trung bình ngõ ra : Vo = - V S .D 1 D ( 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= I I 1 I .L(Vo  Vs )  t1  t 2  L  L  f VS VO V S .VO V S .V0 fL(VO  V S ) - Và dòng gợn sóng đỉnh đỉnh : I = I = V S .D f .L - Dòng xả trung bình của tụ IC = Io -Và điện áp gợn sóng đỉnh- đỉnh của tụ là : 1 C VC = Hay : VC = VC =  t1 0 I C dt  1 C  t1 0 I O dt  Iot1 C (2-16 ) Io.Vo (VO  V S ) f .C IO D f .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 Trang 19 Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp 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, 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. Vs2 =Vdc(Ns2/Np)2Ton/T Vs1 =Vdc(Ns1/Np)2Ton/T Vm=Vdc(Nm1/Np)2Ton/T Vce(Q1) I c(Q1) 2Vdc Vce(Q2) I c( Q2) - 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 Vdc1 Trang 20
- Xem thêm -