- NGUYỄN THẾ CÔNG HÀ NỘI 2010 MỤC LỤC TrangLỜI CẢM ƠN 1 MỞ ĐẦU 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ NGUỒN MỘT CHIỀU 5 1.1 Giới thiệu chung 5 1.2 Bộ nguồn tuyến tính 6 1.3 Bộ nguồn chuyển mạch 11 CHƯƠNG 2: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP DC/DC 20 2.1 Lịch sử phát triển 20 2.2 Bộ biến đổi nhiều góc phần tư 21 2.3 Các bộ biến đổi DC/DC 28 CHƯƠNG 3: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CƠ BẢN 45 3.1. - Các mạch điện tử riêng lẻ hoặc IC thường yêu cầu bộ nguồn công suất nhỏ, điện áp thấp nên bộ nguồn có cấu tạo đơn giản. - Các thiết bị điện tử công nghiệp và dân dụng yêu cầu bộ nguồn có công suất lớn hơn, hiệu suất cao, có nhiều mức điện áp ra nên bộ nguồn phức tạp hơn. - Cấu tạo của chúng thường gồm các bộ biến đổi điện áp AC/DC, DC/DC và mạch ổn áp hoạt động theo nguyên lý điều chế độ rộng xung (PWM) chuyển mạch ở tần số cao. - Sơ đồ khối mạch nguồn Trong đó: Khối biến áp: có chức năng hạ điện áp nguồn xuống điện áp thứ cấp phù hợp với mạch chỉnh lưu và có vai trò cách ly giữa lưới điện có điện áp cao và mạch nguồn có điện áp thấp. - Khối chỉnh lưu: biến điện áp xoay chiều thứ cấp biến áp thành điện áp một chiều. - 7 Khối lọc: điện áp một chiều sau chỉnh lưu thường có dạng nửa sóng sin nên cần có mạch lọc để san phẳng. - Tụ C được nạp điện từ điện áp sau chỉnh lưu và phóng điện qua tải Rt. - Điện áp UC cũng là điện áp ra Ura hay điện áp trên tải Ut. - Tuy nhiên điện áp UC vẫn có một độ đập mạch (hay nhấp nhô) nhất định phụ thuộc vào hằng số thời gian τ = RtC. - Mạch chỉnh lưu cầu Khối ổn áp: ổn định điện áp ra theo yêu cầu, là một khâu đặc biệt quan trọng trong bộ nguồn. - Nó quyết định chất lượng điện áp ra UDC. - Để giữ cho Ura ổn định thì sự thay đổi của Ura được lấy mẫu ∆Ura để so sánh với một điện áp chuẩn Uref. - Mạch tạo điện áp chuẩn Uref thường là mạch ổn áp sử dụng diode Zener. - Sơ đồ nguyên lý mạch ổn áp tuyến tính điều chỉnh nối tiếp Mạch tạo điện áp chuẩn gồm Rd và Dz. - Mạch lấy mẫu điện áp ra là phân áp R1, R2. - Khi T2 mở thì điện áp cực B của T1 giảm xuống nên dòng Ira qua T1 bị giảm hoặc T1 có thể bị khóa. - Vi mạch ổn áp chỉ cần 3 chân (Input, Ground, Output) với điện áp ra cố định dương hoặc âm so 11 với đất của mạch điện tử. - Dòng phụ tải càng lớn, dải ổn định điện áp càng rộng thì phần tử hiệu chỉnh tiêu thụ công suất càng nhiều. - dải điện áp làm việc rộng và kích thước, trọng lượng nhỏ nhẹ. - Nguyên lý hoạt động như sau: sơ đồ sử dụng một khoá K (tranzito) có tần số đóng cắt lớn để gián đoạn điện áp một chiều đầu vào theo chu kỳ có thể điều chỉnh được. - Bằng cách thay đổi tỷ số thời gian đóng cắt trong một chu kỳ, dạng sóng ra chứa các xung điện áp với độ rộng xung có thể thay đổi được, có giá trị trung bình bằng giá trị điện áp một chiều ra tải. - Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý và đồ thị điện áp của bộ nguồn đóng – cắt Khi khoá K đóng, điện áp đặt lên tải Rt bằng với điện áp nguồn, khi khoá K cắt mạch thì điện áp đặt trên R bằng 0. - Ta có điện áp ra trung bình là: TTEUontb.= Trong đó: T là thời gian một chu kỳ. - Bằng cách cảm biến điện áp một chiều đầu ra và điều khiển chu kỳ đóng cắt mạch bằng vòng phản hồi âm, điện áp ra một chiều có thể được điều chỉnh để chống lại sự thay đổi điện áp vào và biến động của tải. - Một bộ nguồn đóng – cắt hiện nay có thể đạt được mật độ năng lượng 0,01÷0,02W/cm3 và có khả năng tạo ra nhiều mức điện áp ra từ một đầu vào duy nhất. - Bộ băm này cũng yêu cầu hệ thống có hai nguồn điện áp V1 và V2 có cực tính được xác định như trên hình vẽ. - Điện áp vào dương, còn điện áp ra có thể dương hoặc âm. - Điện áp ra có thể được tính theo công thức: Trong đó: V2 = kV1 khi hoạt động ở góc phần tư thứ nhất, V2 = (1-k)V1 khi hoạt động ở góc phần tư thứ hai, V2. - Dòng điện tụ iC lọc thành phần xoay chiều điện áp tải (UR). - Giới hạn giá trị đỉnh gợn sóng điện áp xoay chiều (U∼) theo tỷ lệ phần trăm nào đó của điện áp ra, được quyết định bởi giá trị tụ lọc đầu ra và được tính theo công thức: ()2...8.1fLUUkCXCR−> (3.16) Các biểu thức là những biểu thức cơ bản cho tính toán các bộ biến đổi giảm áp. - Điện áp vào, ra và thay đổi điện trở tải R thường được xác định từ nhiệm vụ thiết kế. - Bộ biến đổi tăng áp (Boost converter) Sơ đồ bộ băm tăng áp vẽ trên hình 3.2.a được sử dụng khi điện áp ra cao hơn điện áp vào. - Hoạt động của sơ đồ, tính toán các điện áp và dòng điện (khi các phần tử trong mạch lý tưởng) với điều kiện sau: Trong thời gian (ton) tranzito T dẫn điện áp nguồn cấp được đặt hoàn toàn lên cuộn dây điện cảm L, khi đó sự thay đổi dòng điện chạy qua cuộn dây trong khoảng ton được xác định theo biểu thức: 52 LUtIVL. - Nếu bỏ qua tổn hao trên diode và tụ lọc đủ lớn để điện áp ra không đổi, sự thay đổi dòng điện trong cuộn dây được viết: UV – RR = LdtdiL (3.19) Do đó, sự thay đổi dòng điện IL trong khoảng T khoá: ()()()()LTkUULdtUUIRVTkRVLoff.1..10. - Vì vậy có thể viết: 0=∆+∆LoffLonII (3.21) Thay thế LonI∆ vàLoffI∆ từ và ta có LTkUULTkUIIRVVLoffLon (3.22) Từ (3.22) rút ra: kUUVR hay: RVUUk Từ biểu thức (3.23) thấy rằng điện áp ra luôn cao hơn điện áp vào và lớn nhất khi k Æ 1 nên được gọi là bộ biến đổi tăng áp. - Sự khác nhau không đáng kể của hai chế độ làm việc này trong biểu thức tính điện áp ra: Khi dòng điện trong cuộn dây tăng từ 0 tới trị cực đại (tới k.T): LTkUIVL..max= (3.25) Dòng điện IL giảm về 0 sau khoảng thời gian δ.T: ()0.max=−=LTUUIRVLδ (3.26) Biến đổi ta có: VRVUUkU−=.δ (3.27) Dòng điện tải IR bằng dòng điện chạy qua diode (ID). - (3.28) Thay ILmax từ (3.25) và δ từ (3.27) vào (3.19) ta có: ()VRVVRVVRUULTkUUUkULTkUI Biến đổi (3.29) thu được: RVVRILTkUUU So sánh các biểu thức (3.23) với (3.30) thấy rằng, ở chế độ dòng điện gián đoạn thay đổi điện áp ra không chỉ phụ thuộc độ rộng xung điện áp, mà còn phụ thuộc giá trị điện cảm, điện áp vào, tần số chuyển mạch và dòng điện ra. - Bộ biến đổi tăng – giảm áp (Buck – boost converter) Bộ biến đổi hỗn hợp cho phép điện áp đầu ra cả tăng và giảm so với điện áp vào. - Điện áp ra có thể điều chỉnh được theo độ rộng xung chuyển mạch của tranzito. - Cực của điện áp đầu ra bị đảo ngược. - Điện áp ra có thể thay đổi từ 0 đến ∞ (trên lý thuyết). - Hoạt động của sơ đồ: Khi tranzito dẫn, điện áp nguồn cấp đặt trực tiếp lên cuộn dây L làm sinh dòng điện, dòng điện này tích luỹ năng lượng trong cuộn dây, tụ điện cấp nguồn cho tải. - Chế độ dòng điện liên tục Dạng dòng điện và điện áp khi làm việc ở chế độ dòng điện liên tục như trên hình 3.3.b. - (3.41) Biểu thức điện áp ra được tính: RVVRILTkUUU Giá trị cuộn cảm lọc được tính: ()fRkL Giá trị tụ lọc C được tính như biểu thức (3.32) ở trên. - Bộ biến đổi hỗn hợp (Cúk converter) Bộ biến đổi hỗn hợp là loại bộ biến đổi cho giá trị điện áp ra lớn hơn và nhỏ hơn điện áp vào với cực tính đảo so với đầu vào. - Điện áp ra của bộ biến đổi này ngược so với đầu vào. - Điện áp tụ đạt tới giá trị UC = UV + UL. - Nếu coi các tụ C, C0 là đủ lớn để nhấp nhô điện áp tải không đáng kể, điện áp của cuộn dây được xác định như sau: Trong khoảng T khoá, cuộn dây L1 được mắc nối tiếp với nguồn cấp (hình 3.4.b). - Khi đó điện áp trên cuộn dây được xác định UL1 = UV – UC. - Giá trị trung bình điện áp trên cuộn dây L1 và L2 được tính CRRCRLCVCVVLUkUUkUUkUUkUUUkUkU..1..1.1.21. - (3.44) Cả hai điện áp này đều bằng 0 khi ở chế độ xác lập. - Tỷ số điện áp vào, ra được tính: ()kkUUVR Biểu thức này tương tự như biểu thức (3.36) của bộ biến đổi tăng giảm áp. - Như vậy, tụ được tính: ()22..8.1fLUUkCXCR−> (3.48) Thành phần xoay chiều điện áp tải được đánh giá: fRCUkURXC . - Thêm nữa, nó là phần tử tích luỹ năng lượng, biến áp thực hiện chức năng biến đổi điện áp của bộ điều chỉnh. - Trong khoảng ton toàn bộ điện áp nguồn được đặt vào sơ cấp biến áp xung. - Tại điểm này, điện áp đều đặn qua tranzito quét ngược về, cân bằng với tổng điện áp vào cộng với sự thay đổi tăng lên ở điện áp ra. - Điện áp điều khiển của bộ biến đổi có được nhờ mạch điều khiển mà thực chất là điều khiển khoảng dẫn của phần tử tranzito công suất trong chu kỳ chuyển mạch. - Điện áp ra trên tải (UR) được duy trì nhờ dòng điện tải iL cũng như năng lượng của tụ lọc. - (3.53) Dòng điện này giảm tuyến tính: 22LUdtdiR−= (3.54) Công suất đầu ra PR quan hệ với điện áp ra theo biểu thức: TtTIUTtTIUPonpikRonRR−≈−=22.. - ≈==η (3.57) 63 Hay: TtUPIonVRpik.1η= (3.58) Kết hợp các biểu thức ta có: kkUNNUVR η (3.59) Điện áp ra ở kmax được xác định: maxmaxmin121..kkUNNUVR−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=η (3.60) Dòng điện collector cực đại ở chế độ liên tục: max01max. - kUPIIVpikCη== (3.61) Điện áp cực đại trên collector của T: RVVTUUNNUUmin21maxmax.η. - Trong thời gian T dẫn, điện áp nguồn (UV) đặt vào cuộn dây sơ cấp biến áp. - ===ηη (3.70) Trong đó: η - hiệu suất của bộ biến đổi RT - điện trở tải Như vậy điện áp đầu ra tới tải được tính: 65 12....LTRkUUTVRη= (3.71) Điện áp collector của tranzito cực đại (UTmax) có thể được tính từ biểu thức: RVTUNNUU .21maxmax+= (3.72) Đỉnh xung dòng điện cơ cấp (I1pik) có thể tính được từ (3.65) và (3.70): kUPRkUUIVRTVRpik..2...221ηη== (3.73) Dòng điện collector (ICmax) của T cực đại: kUPIIVRpikCm..21η== (3.74) Cũng từ (3.70) điện áp ra giữ không đổi trong khoảng ton. - Vấn đề có thể xuất hiện khi bộ băm xung hoạt động với điện áp cao và tức thời tăng tải, trong trường hợp đó, khuếch đại đòi hỏi độ rộng xung hợp lý dễ bị lỗi. - Nếu thời gian chết có đặt cho điện áp vào thấp, lõi thép bị bão hoà. - Điện áp đầu ra của bộ băm Flyback được tính: ()knkUUVR−=1. - Mặc dù có những vấn đề trên, chế độ gián đoạn nhanh chóng đáp ứng, có một xung điện áp hẹp ở đầu ra khi đột ngột thay đổi tải hay thay đổi nguồn cấp. - Khi T khoá cực tính điện áp trên cuộn dây thứ cấp đổi ngược, diode D1 khóa và D2, D3 dẫn, tải được cấp năng lượng từ cuộn dây L. - (3.90) Độ rộng xung cực đại của sơ đồ Forward được xác định căn cứ vào chế độ dòng liên tục và sự cân bằng tích phân điện áp vào khi T dẫn, bằng với điện áp U3 trên cuộn dây khử từ (N3) khi T khoá. - Mặt khác điện áp ra của sơ đồ vượt quá giá trị nguồn cấp. - (3.94) Mạch forward được sử dụng rộng rãi với công suất nhỏ hơn 200W, nó dễ dàng thiết kế ở điện áp đầu ra cao hơn. - Giới hạn đạt đến của tranzito công suất là khả năng chịu điện áp và dòng điện của nó, khi đầu ra có sự tăng công suất. - Biến áp được dùng khi cần tăng hay giảm áp so với điện áp vào. - 97 Mức điện áp diode chỉnh lưu nên lớn hơn nhiều điện áp diode trong trường hợp xấu nhất khi nó hoạt động: Ud > Vout + (Nsec.Vin(max))/Npri Ud(+5V. - Mức điện áp của MOSFET được chọn theo công thức: Uds > (Vout + VD).(Npri/Nsec. - Sơ đồ bộ nguồn Flyback 27W trên PESIM Để mô phỏng ta tính toán cụ thể các thông số của máy biến áp, do hạn chế của thư viện PESIM ta dùng biến áp một pha năm cuộn dây trong đó có hai cuộn sơ cấp, một cuộn là cuộn phản hồi điện áp. - 40 (Ω) 4.2.3.1 Dạng sóng điện áp ra khi điện áp vào thay đổi Trước tiên ta kiểm nghiệm sơ đồ mạch ổn áp ứng với sự thay đổi của điện áp vào. - Sau đó đo điện áp ra. - Dạng sóng điện áp ra khi điện áp vào Vin = 80V 101 Hình 4.13. - Dạng sóng điện áp ra khi điện áp vào Vin = 100V Hình 4.14. - Dạng sóng điện áp ra khi điện áp vào Vin = 120V Bảng 4.5. - Khảo sát điện áp ra khi điện áp vào thay đổi Vin (V) Vout(+5V) (V) Vout(+12V) (V) Vout(-12V) (V Nhận xét: Khi điện áp đầu vào ở mức thấp thì điện áp ra có giảm chút ít tuy nhiên vẫn nằm trong độ gợn sóng cho phép (±5. - Điện áp đầu vào là Vin = 100 (V). - Ta đo và quan sát dạng sóng kết quả điện áp ra. - Dạng sóng điện áp ra tương ứng với các giá trị điện cảm Lm = 0,35. - Dạng sóng điện áp ra khi Lm = 0,35 (mH) Hình 4.16. - Dạng sóng điện áp ra khi Lm = 0,50 (mH) Hình 4.17. - Dạng sóng điện áp ra khi Lm = 0,70 (mH) 104 Hình 4.18. - Mối quan hệ giữa hiệu suất và điện cảm máy biến áp Lm Nhận xét: Khi tăng dần giá trị điện cảm từ hóa Lm từ 0,35 (mH) đến 0,60 (mH) thì điện áp ra tăng lên tuy nhiên sau đó điện áp ra không tăng nữa. - Năng lượng này được xả trong giai đoạn flyback làm tăng điện áp đầu ra tuy nhiên nhờ có vòng phản hồi mà điện áp này được hạn chế giữ ở mức nhất định. - So sánh dạng sóng trên hình 4.16 và 4.17 ta thấy nếu tăng tiếp giá trị Lm thì độ nhấp nhô dạng sóng của điện áp ra sẽ lớn từ đó có thể thấy khi tăng Lm thì mạch sẽ chuyển sang làm việc ở chế độ liên tục và khi đó vòng phản hồi sẽ dần mất tính ổn định và gây dao động điện áp ra. - Cụ thể là ảnh hưởng đến tổn hao chuyển mạch và tổn hao trên biến áp và đến dạng sóng điện áp ra. - Dạng sóng điện áp ra ứng với f = 32 (kHz) và f = 81 (kHz) được cho trên hình 4.19, 4.20. - Dạng sóng điện áp đầu ra +12 (V) khi f = 32 (kHz) f (kHz) Vin (V) Iin (A) Vout(+5V) (V) Iout(+5V) (A) Vout(±12V) (V) Iout(±12V) (A) Hiệu suất. - Dạng sóng điện áp đầu ra +12 (V) khi f = 81(kHz) Hình 4.21. - Mối quan hệ giữa hiệu suất và tần số đóng cắt f Nhận xét: Khi tăng tần số đóng cắt f của tranzito công suất thì điện áp ra tăng nhưng chỉ tăng đến giá trị giới hạn nhất định do có hệ thống phản hồi. - Khi tăng f thì độ gợn sóng điện áp ra ít nhấp nhô hơn.Tức là làm tăng chất lượng điện áp ra. - Vậy nên khi thiết kế cần chọn tần số đóng cắt van hợp lý để độ gợn sóng điện áp nhỏ nhưng hiệu suất của bộ nguồn vẫn nằm trong phạm vi cho phép. - Trong bộ nguồn chuyển mạch thì vai trò của biến áp cao tần là hết sức quan trọng ngoài chức năng tạo mức điện áp khác nhau ở đầu ra, cách ly giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp thì những thông số của chúng có ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu suất và chất lượng của bộ nguồn
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt