Luận văn Phương pháp nghiên cứu tính toán và thiết kế bộ nguồn áp xung trong bộ điều khiển đo dãy cao áp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC ..... KHOA .... Luận văn Phương pháp nghiên cứu tính tốn 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 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. 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 Phần tử điều khiển Khuếch đại sai biệt REF Điện áp vào Điện áp ra ổn định 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 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. 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: Vo =VI-(IL+Is).Rs c. Xung: Vo =Vs Toff+Ton Ton 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. Rs Vs Vo Rs R Is Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 3 -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 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 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. *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. -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 78XX (79XX) VIV 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 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 dẫõn 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= T Ton được điều biến bởi điện áp ngõ 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. 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 -Sơ đồ khối minh họa của một nguồn ổn áp xung điều khiển bằng tần số cố định. -Khối so sánh va økhuếch 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<Ve, tín hiệu ở mức thấp(Toff). T=Ton+Toff T: chu kỳ đóng ngắt Ton: thời gian đóng Toff: thời gian ngắt. -Như vậy khi điện áp Vo có khuynh hướng tăng hoặc dòng tải bé, điện áp Ve tăng, thì Ton giảm. Do đó, khóa transistor sẽ tắt trong thời gian dài hơn, khiến Vo giảm xuống. KĐ sai lệch Tải Mạch chỉnh lưu và lọc Tạo sóng răng cưa Khóa BJT Điện áp chuẩn Mạch lọc ( LC ) Ve VI Vc VL + 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 thông thường như: thyristor (SCR), transistro công suất hay transistor trường. I. Đóng ngắt bằng SCR -Sự bất lơị 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 IG=0 và điện thế VAK=0v. để SCR có thể tắt được thì thời gian VAK=0 đủ dài. Vậy phải có thêm thời gian tắt SCR. -Để SCR dẫn điện trong trường hợp điện thế VAK thấp thì phải có dòng điện kích cực G của SCR. Dòng IG min là trị số dòng kích nhỏ nhất đủ để điều khiển SCR dẫn và IG min có trị số lớn hay nhỏ tùy thuộc công suất của SCR. Nếu SCR càng lớn thì IG min càng lớn. -Với: -toff =tIt = 0 +toff SCR -tIt=0: thời gian dòng giảm xuống 0 -toff SCR: thời gian tắt SCR. -toff: thời gian từ lúc tác động đến SCR tắt *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 trị 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 thị trường từ những BJT Ge,Si, đến BJT darlington rất tốt, chúng thường làm một số công việc nhất định 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: Địên 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 định. -Đặc tính làm việc của transistor ở chế độ đóng ngắt. Miền bão hòa I, miền cắt II. -Để đảm bảo cho BJT nằm ở trạng thái tắt thì VBE<Vγ -Vγ: điện áp mở V BE I B 0 V Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 10 -Ic=ICBO có giá trị rất bé -IE =0 tại điểm B -Tại điểm B điện ápUCE=0 nên công suất tiêu hao P=Ic.UCE 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 .IB > 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 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 . Transistor Transistor Xung nhọn I I Dòng đỉnh ngược I Bmin B B ngắtdẫn Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 11 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. -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. 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 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. Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 13 Và các dạng khác như: Flyback, Forward, Push - Pull (đẩy kéo) Half- Bridge (nửa cầu), Cầu (Full - Bridge) 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 - Dsb : Diode san bằng dòng, giúp cho dòng điện qua L liên tục khi dòng điện cung cấp qua transistor ĐCX không liên tục. - 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 L Vo C R Vs i ++ -- .. Vo Cv C RiDsb Vo L1 T=Ton+Toff DCXVs Control circuit iDCX 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. Dsb phân cực nghịch, không dẫn. -Điện áp ở L là : VL = Vs - Vo VL = Vs - Vo = dt diL L - Vậy iL biến thiên tuyến tính theo thời gian này lượng tích lũy vào R,C cung cấp cho phụ tải. iL =   t L VoVS . ILmin -IL tăng từ ILmin đến ILmax trong thời gian T iL = L V-V OS t + ILmin= iDCX Imax - ILmin = -DT (2-1)  Giai đoạn 2: DT < t < T Dsb .. .. - - + +Vs RC Vo L Dsbi DCX L DT T 0 t V - V D i i t t TDT TDT S 0 l CX Dsb i = i1 Dsb i = iDsb1 Li V Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 15 -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 = - L Vo ( t - DT ) + ILmax = iDSb 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 với D = T Ton