Đồ án môn học Điện tử ứng dụng

Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com<br /> 1<br /> <br /> PHẦN A : PHẦN LÝ THUYẾT<br /> 1. Tổng quan về ổn áp xung:<br /> 1.1 Khái niệm:<br /> Ổn áp xung còn gọi là ổn áp đóng ngắt, là ổn áp dựa trên nguyên lý hồi tiếp (nguyên<br /> lý bù), trong đó phần tử điều chỉnh làm việc ở chế độ xung. Ổn áp xung có những ưu<br /> điểm vượt trội so với ổn áp tuyến tính như sau:<br /> Ưu điểm:<br /> - Có tổn hao ít nên hiệu suất cao (thường trên 80%)<br /> - Độ ổn định cao do phần tử điều khiển làm việc ở chế độ xung<br /> - Thể tích và trọng lượng bộ nguồn nhỏ<br /> Nhược điểm chính của ổn áp xung:<br /> - Phân tích, thiết kế phức tạp<br /> - Bức xạ sóng, can nhiễu trong dải tần số rộng do đó cần có bộ lọc xung ở ngõ vào<br /> nguồn và bộ nguồn phải được bọc kim.<br /> 1.2 Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của ổn áp xung:<br /> 1.2.1. Sơ đồ khối:<br /> Nguồn DC<br /> chưa ổn định<br /> <br /> Nguồn xung<br /> <br /> Phần tử<br /> điều chỉnh<br /> <br /> Điều chế<br /> <br /> Lọc<br /> <br /> So<br /> sánh<br /> <br /> Tải<br /> <br /> Lấy mẫu<br /> <br /> Điều chỉnh<br /> điện áp<br /> 1.2.2. Nguyên lý hoạt động:<br /> Nguồn DC chưa ổn định được đưa đến phần tử điều chỉnh làm việc như một khóa điện<br /> tử. Khi khóa dẫn thì nguồn nối đến ngõ ra. Khi khóa tắt thì cắt nguồn DC ra khỏi mạch.<br /> Như vậy tín hiệu ở ngõ ra của khóa là một dãy xung, do vậy muốn có tín hiệu DC ra tải<br /> phải dùng bộ lọc LC. Tuỳ thuộc vào tần số và độ rộng của xung ở ngõ ra của khóa mà trị<br /> số điện áp 1 chiều trên tải có thể lớn hay nhỏ. Để ổn định điện áp DC trên tải, người ta<br /> thường so sánh nó với mức điện áp chuẩn. Sự sai lệch sẽ được biến đổi thành tín hiệu<br /> xung để điều khiển khóa điện tử. Có 3 phương pháp thực hiện tín hiệu điều khiển:<br /> <br /> 1<br /> <br /> Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com<br /> 2<br /> - Điều chế độ rộng xung: giữ tần số tín hiệu xung không đổi nhưng thay đổi độ<br /> rộng xung làm thay đổi điện áp ra.<br /> - Điều chế tần số xung: giữ độ rộng xung không thay đổi nhưng thay đổi chu kỳ tín<br /> hiệu xung làm thay đổi điện áp ra.<br /> - Điều chế xung: vừa thay đổi độ rông xung, vừa thay đổi độ rộng xung.<br /> 1.3 Phân loại ổn áp xung: có 4 loại ổn áp xung<br /> - Ổn áp Buck: là loại ổn áp có điện áp trung bình ngõ ra nhỏ hơn ngõ vào.<br /> - Ổn áp Boost: là loại ổn áp có điện áp trung bình ngõ ra lớn hơn ngõ vào.<br /> - Ổn áp Buck_Boost: là loại ổn áp có điện áp ngõ ra lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp<br /> ngõ vào.<br /> - Ổn áp Cuk: là ổn áp có điện áp ngõ ra có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp ngõ<br /> vào nhưng cực tính ngược với điện áp ngõ vào.<br /> 1.4 Ổn áp xung kiểu Buck:<br /> Ổn áp Buck là loại điện áp trung bình ngõ ra nhỏ hơn điện áp ngõ vào, hoạt động theo<br /> phương pháp điều chế độ rộng xung.<br /> 1.4.1. Sơ đồ mạch:<br /> VS<br /> <br /> Q<br /> <br /> L<br /> <br /> 1<br /> <br /> VO<br /> <br /> 2<br /> <br /> 3<br /> <br /> D<br /> <br /> C<br /> <br /> Điều chế độ<br /> rộng xung<br /> <br /> Nguồn xung<br /> <br /> K<br /> <br /> Lấy mẫu<br /> <br /> So sánh<br /> <br /> Tạo điện áp<br /> chuẩn<br /> <br /> 1.4.2. Nguyên lý hoạt động:<br /> Q làm việc như một khóa điện tử, đóng hoặc mở với tần số không đổi. Xung điều<br /> khiển có tần số f do khối tạo xung nhịp tạo ra. Phần điều khiển thực hiện việc so sánh<br /> 2<br /> <br /> Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com<br /> 3<br /> điện áp ra với điện áp chuẩn, kết quả sự sai lệch đựơc khuếch đại lên. Mạch điều chế<br /> xung căn cứ vào sự sai lệch điện áp để điều chế độ rộng xung, tạo xung vuông có độ rộng<br /> thay đổi để đưa đến transistor điều khiển thời gian điều khiển của nó. Trong khoảng thời<br /> gian không tồn tại xung điều khiển, dòng ra được bảo đảm nhờ tụ C và cuộn cảm L.<br /> Gọi tx là thời gian mở của transistor chuyển mạch.<br /> Điện áp trung bình trên tải:<br /> t<br /> 1 x<br /> t<br /> v0 = ∫ v s dt = x Vs<br /> T 0<br /> T<br /> V0 t x<br /> ⇒<br /> =<br /> Vs T<br /> 0 ≤ t x ≤ T ⇒ 0 ≤ V0 ≤ Vs<br /> Vì:<br /> Vậy điện áp ra luôn nhỏ hơn điện áp vào.<br /> 1.4.3. Phương pháp tính toán ổn áp Buck:<br /> * Sơ đồ mạch:<br /> VS<br /> <br /> Q<br /> <br /> L<br /> <br /> 3<br /> <br /> 1<br /> <br /> 2<br /> <br /> D<br /> <br /> iL<br /> <br /> iC<br /> <br /> IC iO IO<br /> C<br /> Taûi<br /> <br /> Ñieàu khieån<br /> Hoạt động của mạch chia làm 2 mode:<br /> Mode 1: Ứng với thời gian BJT Q dẫn bão hòa ( VCEsat ≈ 0 )<br /> +<br /> iS = iL<br /> VS<br /> <br /> L iC<br /> <br /> IC<br /> C<br /> <br /> iO<br /> <br /> VO<br /> Taûi<br /> <br /> Bắt đầu khi Q dẫn ở tại thời điểm bằng t = 0, nếu bỏ qua V CEsat thì VD = Vs ⇒ D tắt.<br /> di<br /> Dòng ngõ vào chạy qua L, tụ C và tải. Điện áp qua L: e L = L L<br /> dt<br /> Trong thời gian t1 thì dòng cuộn dây tăng tuyến tính từ I1 → I 2 :<br /> <br /> 3<br /> <br /> Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com<br /> 4<br /> VL = Vs − V0 = L<br /> <br /> I 2 − I1<br /> ∆I<br /> ∆I<br /> = L<br /> ⇒ t1 = L<br /> t1<br /> t1<br /> Vs − V0<br /> <br /> (1.1)<br /> <br /> Mode 2: Trong khoảng thời gian t2.<br /> +<br /> D<br /> <br /> L iC<br /> <br /> IC<br /> C<br /> <br /> iO<br /> <br /> VO<br /> Taûi<br /> <br /> Bắt đầu khi Q tắt tại t = t1. Dòng qua L giảm đột ngột → xuất hiện suất điện động tự<br /> cảm có chiều như hình vẽ để chống lại sự giảm. Lúc này, D dẫn và L đóng vai trò là<br /> nguồn xả năng lượng từ trường qua L, C, D và tải. Dòng qua L giảm từ I1 → I 2 cho đến<br /> khi Q dẫn trở lại trong chu kì kế tiếp.<br /> Điện áp ngang qua L:<br /> I − I<br /> ∆I<br /> ∆I<br /> VL = V0 = L 2 1 = L<br /> ⇒ t2 = L<br /> (1.2)<br /> t2<br /> t2<br /> V0<br /> Từ (1) và (2) ta có:<br /> L.∆ I .Vs<br /> ∆I<br /> ∆I<br /> T = t1 + t 2 = L<br /> + L<br /> =<br /> (1.3)<br /> Vs − V0<br /> V0 V0 (Vs − V0 )<br /> T<br /> V<br /> Vo = Vs 0 = kVs ⇒ 0 = k<br /> Mà:<br /> T<br /> Vs<br /> V<br /> V0Vs (1 − 0 )<br /> Vs<br /> T V (V − V0 ) 1<br /> Từ (3) suy ra:<br /> ∆I = . 0 s<br /> =<br /> L<br /> Vs<br /> fL<br /> Vs<br /> (1 − k )kVs<br /> ∆I =<br /> (1.4)<br /> fL<br /> ∆ I : độ gợn dòng đỉnh - đỉnh của cuộn L<br /> ∆ I càng bé thì dòng ra càng bằng phẳng<br /> Theo định luật Kirchoff’s: i L = iC + i0<br /> ⇒ ∆ i L = ∆ iC + ∆ i0 ; ∆ i0 : dòng gợn sóng trên tải, rất nhỏ.<br /> ∆I<br /> ⇒ ∆ i L ≈ ∆ iC =<br /> (1.5)<br /> 2<br /> 4<br /> <br /> Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com<br /> 5<br /> Dòng trung bình trên tụ:<br /> 1<br /> IC =<br /> T<br /> <br /> T<br /> <br /> ∫<br /> <br /> 2<br /> <br /> 0<br /> <br /> ∆I<br /> ∆I<br /> dt =<br /> 2<br /> 4<br /> <br /> (1.6)<br /> (1.6)<br /> <br /> 1<br /> ∫ iC (t )dt + vC (t = 0)<br /> C<br /> Điện áp gợn sóng đỉnh-đỉnh của tụ:<br /> Điện áp trên tụ: vC (t ) =<br /> <br /> T<br /> <br /> T<br /> <br /> 1 2<br /> 1 2∆I<br /> ∆I<br /> (1.7)<br /> ∆ V0 = ∆ VC = vC (t ) − vC (0) =<br /> iC (t )dt =<br /> dt =<br /> ∫<br /> ∫<br /> C 0<br /> C 0 4<br /> 8 fC<br /> Thay ∆ I từ (4) vào (7), ta được:<br /> (1 − k )kVs<br /> ∆ VC =<br /> (1.8)<br /> 8 f 2 LC<br /> Từ (4) và (8) ta có thể chọn L, C nếu biết độ gợn dòng đỉnh - đỉnh của cuộn và độ gợn<br /> áp đỉnh - đỉnh của tụ bằng công thức sau:<br /> (1 − k )kVs<br /> L=<br /> (1.9)<br /> f∆ I<br /> (1 − k )kVs<br /> C=<br /> (1.10)<br /> 8 f 2 L∆ V0<br /> <br /> 5<br /> <br />