Giáo trình Điện tử công suất và ứng dụng (Nghề: Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa - Trình độ Cao đẳng): Phần 2 - Trường Cao đẳng Nghề An Giang

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:66

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của Giáo trình Điện tử công suất và ứng dụng giúp các bạn có thể mô tả đặc trưng và những ứng dụng chủ yếu của các linh kiện Diode, Mosfet, DIAC, TRIAC, IGBT, SCR, GTO; Giải thích dạng sóng vào, ra ở bộ biến đổi AC-AC; Giải thích nguyên lý làm việc và tính toán những bộ biến đổi DC-DC. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Điện tử công suất và ứng dụng (Nghề: Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa - Trình độ Cao đẳng): Phần 2 - Trường Cao đẳng Nghề An Giang

Bài 3. BIẾN ĐỔI DC-DC (DC-DC converter) A. MỤC TIÊU - Trình bày được nhiệm vụ và chức năng từng khối của bộ biến đổi DC - DC. - Lắp ráp được bộ biến đổi DC - DC không cách ly. - Lắp ráp được bộ ổn áp tuyến tính khả điều chỉnh. - Kiểm tra, sửa chữa được những hư hỏng trong mạch biến đổi DC - DC theo đúng yêu cầu kỹ thuật. - Sử dụng đúng chức năng các loại mạch biến đổi DC - DC đáp ứng từng thiết bị điện điện tử thực tế B. NỘI DUNG I. Đại cương về biến đổi DC - DC. 1. Khái quát về điều áp một chiều Bộ biến đổi DC-DC là bộ điều khiển dòng điện và điện áp một chiều khi nguồn cấp là 1 chiều. Các phương pháp điều áp 1 chiều - Điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện trở. - Điều khiển liên tục bằng cách mắc nối tiếp với tải 1 Transistor. - Điều khiển bằng băm áp (xung áp). 2. Điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện trở Sơ đồ Hình 3.1. Điều áp bằng mắc nối tiếp điện trở 67
Dòng điện và điện áp được tính: U U I = 1 ;U = 1 .R d R +R d R +R d f d f d Nhược điểm của phương pháp là hiệu suất thấp và không điều chỉnh liên tục khi dòng tải lớn 3. Điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một transistor a. Sơ đồ Hình 3.2. Điều áp bằng mắc nối tiếp transistor Dòng điện và điện áp được tính: IC = ßIB ; UT = U1 – IC.Rd Điện áp qua Rd: Ud = Ic.Rd = ßIB Rd Nhược điểm của phương pháp là tổn hao trên transistor lớn, phát nhiệt nhiều làm transistor dễ hỏng. 4. Điều khiển bằng băm áp (băm xung) Băm áp một chiều là bộ biến đổi điện áp một chiều thành xung điện áp. Điều chỉnh độ rộng xung điện áp, điều chỉnh được trị số trung bình của tải. Hình 3.3. Điều áp bằng băm xung Các bộ băm áp một chiều có thể thực hiện theo sơ đồ mạch nối tiếp) phần tử nối tiếp đóng cắt với tải) hoặc theo sơ đồ mạch song song. 68
5. Nguồn cấp trong băm xung 1 chiều Nguồn áp: là nguồn mà dạng sóng và giá trị điện áp của nó không phụ thuộc vào dòng điện)kể cả giá trị cũng như tốc độ biến thiên). Đặc trưng cơ bản của nguồn áp là điện áp không đổi và điện trở trong nhỏ để sụt áp trong nguồn nhỏ. Nguồn dòng: là nguồn mà dạng sóng và giá trị dòng điện của nó không phụ thuộc vào điện áp của nó (kể cả giá trị cũng như tốc độ biến thiên). Đặc trưng cơ bản của nguồn dòng là dòng điện không đổi và điện trở lớn để sụt dòng trong nguồn nhỏ. Tính thuận nghịch của nguồn Nguồn có tính thuận nghịch - Điện áp có thể không đảo chiều (acquy) hay đảo chiều (máy phát điện một chiều) - Dòng điện thường có thể đảo chiều - Công suất p = u.i có thể đổi chiều khi một trong hai đại lượng u, i đảo chiều. Cải thiện đặc tính của nguồn - Nguồn áp thường có Ro, Lo, khi có dòng điện R0i, L(di/dt) làm cho điện áp trên cực thay đổi. Để cải thiện đặc tính của nguồn áp người ta thường mắc song song với nguồn 1 tụ. - Tương tự, nguồn dòng có Z0 = ∞. Khi có biến thiên du/dt làm cho dòng điện thay đổi. Để cải thiện đặc tính nguồn dòng người ta mắc nối tiếp với nguồn 1 điện cảm. - Chuyển đổi nguồn áp thành nguồn dòng và ngược lại: Hình 3.4. Chuyển đổi qua lại nguồn II. Bộ ổn áp 1. Sơ lược về lý thuyết ổn áp Mạch ổn áp một chiều còn được gọi là mạch biến đổi DC-DC, đây là một mạch biến đổi từ điện áp một chiều này thành điện áp một chiều khác. 69
Hình 3.5. Sơ đồ khối bộ ổn áp Thông thường, ổn áp được phân thành 2 loại: - Ổn áp tuyến tính. - Ổn áp ngắt mở (switching regulator). Dù là loại nào, một mạch ổn áp cũng phải đạt 2 chức năng: - Ổn định điện áp ngõ ra khi điện áp ngõ vào thay đổi và khi dòng tải thay đổi. - Giảm đến mức thấp nhất sóng dư ở ngõ ra. 2. Ổn áp tuyến tính Trong bài thí nghiệm này ta khảo sát mạch ổn áp tuyến tính dạng nối tiếp. Sơ đồ khối như sau: Hình 3.6. Sơ đồ khối bộ ổn áp tuyến tính 70
- Công suất ổn áp: Thường là một transistor công suất lớn, hoạt động như một điện trở thay đổi. - So sánh: So sánh điện thế lấy mẫu và điện thế chuẩn để tạo thành điện thế điều khiển VDK để điều khiển mạch kích tạo dòng kích cho công suất. - Chuẩn: Tạo điện thế chuẩn Vref cho mạch so sánh (thường dùng zener). - Lấy mẫu: Lấy một phần điện thế ngõ ra so sánh với điện thế chuẩn (điện thế lấy mẫu thay đổi theo điện thế ngõ ra vo). Nguyên tắc hoạt động: vo=vi-AV Giả sử khi vo thay đổi (vì lý do nào đó), điện thế lấy mẫu thay đổi theo trong khi điện thế chuẩn không đổi nên ngõ ra VDK của mạch so sánh thay đổi, điện thế VDK này điều khiển mạch kích và công suất thay đổi độ hoạt động (chạy mạnh/chạy yếu) để thay đổi AV sao cho vo ổn định. 3. Ổn áp tuyến tính dùng zenner transistor Hình 3.7. Mạch ổn áp cơ bản dùng zener transistor Q1: Công suất ; Q2: Thúc (kiểu darlington) ;Q3: So sánh Zener D: tạo điện thế chuẩnR3, R4,VR: Lấy mẫu 71
C2: Giảm sóng dư ngõ ra Do dòng tải IL chạy thẳng và thường trực qua Q1 nên Q1 phải có công suất lớn và phải được giải nhiệt cẩn thận. Mạch thường có một điện trở R công suất lớn để chia bớt dòng qua Q1 4. Ổn áp ngắt mở - Tuy có rất nhiều dạng, nhưng đa số đều dùng phương pháp biến điệu độ rộng xung. - Nguyên lý chung vẫn như mạch ổn áp tuyến tính nhưng thay mạch khuếch đại kích bằng một mạch dao động tạo sóng vuông. Tín hiệu ra của mạch dao động kích vào transistor công suất ổn áp (thường là BJT hoặc MOSFET công suất lớn), mức cao của xung vuông làm transistor bảo hòa, mức thấp làm transistor ngưng. Như vậy công suất ổn áp hoạt động như một chuyển mạch (switch). - Dao động tạo xung vuông có thể là đa hài (công suất độc lập với mạch dao động) hoặc thông dụng hơn là dao động blocking (công suất tham gia vào mạch dao động) do cách ly được mass điện. Hình 3.8 Ổn áp ngắt mở 72
-` Khi chưa mắc tụ lọc ngõ ra, v0 có dạng xung với biên độ đỉnh bằng vi khi SW ở trạng thái ON và v0=0 khi SW ở trạng thái OFF. Trị trung bình của v0 là Ta thấy: Để thay đổi trị trung bình ngõ ra vo ta có thể: - Thay đổi thời gian SW ở trạng thái ON (Transistor dẫn bảo hòa) - Thay đổi tần số của mạch dao động (Tức thay đổi chu kỳ T) - Hoặc thay đổi cả hai Thực tế, để tiện việc thiết kế và kiểm soát, thường người ta giữ nguyên tần số dao động (thực tế trong máy thu hình, monitor máy tính…. Người ta dùng xung quét ngang đưa về để giữ cho tần số dao động bằng với tần số quét ngang), tín hiệu lấy mẫu chỉ làm thay đổi độ rộng của xung vuông tức thay đổi thời gian dẫn, ngưng của transistor công suất, tức Tx. - Để ổn định vo, thí dụ khi vi cao người ta giảm Tx, khi vi giảm người ta tăng Tx. - Mạch thường được thiết kế ở tần số khá cao (hơn 10KHz) nên tụ lọc ngõ ra không cần lớn mà vẫn bảo đảm được việc giảm tối đa sóng dư (vo gần lý tưởng). - Để tạo ra nhiều loại điện áp khác nhau, nhất là cách ly được mass điện và mass máy (chống giật), người ta thường thiết kế bộ nguồn có biến áp xung. Tùy theo tần số hoạt động của mạch và số vòng cuộn sơ cấp, thứ cấp mà ta có được các điện áp khác nhau theo yêu cầu. D B+ B1 - B2 OSC - SW D Hình 3.9. Sơ đồ mạch ổn áp ngắt mở III. Bộ băm áp (chopper) 1. Bộ băm tăng áp (boost) Sơ đồ 73
Hình 3.10. Sơ đồ mạch tăng áp boost Mạch điện này sẽ gồm 4 linh kiện điện tử cơ bản đó là cuộn dây L1, khóa chuyển mạch Mosfet ( có thể là BJT) ,diode D1 và tụ điện C1. Chức năng của mạch này là biến đổi điện áp vào từ điện áp thấp thành điện áp ra cao hơn. Hoạt động Khi Mosfet dẫn (kích vào chân G) lúc này điện áp trở L1 = Vin (giả thiết van là lý tường tức khi thông dòng trở CE bằng 0) lúc này diode D1 ngắt do bị phân cực ngược và nó sẽ cắt mạch tải ra khỏi nguồn E đồng thời dòng trong cuộn dây L sẽ xuất hiện và tăng từ dần từ giá trị ban đầu là Imin nào đó, lúc này dòng qua tải được duy trì nhờ tụ C đóng vài trò là nguồn (Tụ C phóng) và đến thời điểm ta cho Mosfet ngắt lúc này trên cuộn dây L1 xuất hiện 1 điện áp tự cảm chống lại sự giảm dòng il. Điện áp tự cảm này cộng với nguồn Vin có chiều + đặt vầo chân Anot của diode làm diode dẫn ngay lập tực và nó nạp bổ xung cho tụ C. Quá trình như vậy cứ lặp đi lặp ra và có điện áp cấp cho tải. Ngày nay các nhà sản xuất đã tích hợp sẵn những phần tử khóa chuyển mạch sẵn trong những IC chuyên dụng và những ic đó gọi là IC boost điển hình trong thực tế đó là IC LM27313. Hình 3.11. Sơ đồ mạch tăng áp boost dùng LM27313 74
Nguyên lý hoạt động: Nhìn vào sơ đồ trên các bạn thấy nó vẫn bao gồm những linh kiện cơ bản trong mạch boost đó là cuộn dây L1 ,diode D1, tụ điện C3 và khóa chuyển mạch nó tích hợp sẵn trong IC LM27313 . Hai điện trở R2, R3 có nhiệm vụ lấy mẫy điện áp đầu ra đưa về chân feedback để khống chế dao động nếu điện áp ra bị tăng quá cao hoặc bị giảm quá thấp. Ứng dụng Mạch tăng áp boost thường được dùng làm mạch nguồn DC cần nguồn điện áp tăng so với nguồn đã có. Ngoài ra mạch boost còn được dùng làm mạch desunfat bảo dưỡng ắc quy, cấp nguồn cho các thiết bị đòi hỏi điện áp cao cỡ vài chục Vôn nhưng nguồn cấp có điện áp thấp cỡ 1.5V hay 3.7V .Nâng áp trong các mạnh nguồn xung như TV, LED. 2. Bộ băm giảm áp (buck). Sơ đồ Hình 3.12. Sơ đồ mạch giảm áp buck Mạch điện này cũng gồm 4 linh kiện điện cơ bản đó là: Khóa chuyển mạch điện tử, diode D1, cuộn dây L1 và tụ điện C1 Hoạt động Khi Transistor dẫn khi đó dòng qua transistor cũng chính là dòng qua L1 và nạp vào cho tụ điện và duy trì dòng qua tải. Dòng qua L1 và dòng nạp vào tụ C1 không tăng đột ngột mà tăng từ từ khi đó điện áp ra trên tải cũng tăng từ từ ,lúc này diode D1 không dẫn vì bị phân cực ngược. Khi transistor tắt dòng qua tải được lấy từ cuộn cảm L1 và một phần nhỏ của tụ điện C1 (tụ phóng) lúc này diode D1 dẫn ngay lập tức và dòng qua tải lúc này chính là dòng qua diode. Diode D1 bắt buộcphải có để bảo vệ transistor khỏi bị hỏng do điện áp ngược đặt lên nó khi cắt dòng. Điện áp ngược do cuộn cảm L1 sinh ra cộng với nguồn E có thể đánh chết tranistor ngay lập tức. 75
Trong thực tế mạch buck không chỉ tạo ra được điện áp dương mà còn có thể tạo ra được điện áp âm ,sơ đồ mạch điện vẫn gồm 4 linh kiện chính là khóa chuyển mạch, cuộn cảm L1, diode D1 và C1 nhưng diode D1 với cuộn cảm L1 đổi chỗ cho nhau và đảo cực của tụ hóa C1, về nguyên lí hoạt động vẫn giống hệt mạch buck tạo điện áp dương. Hình 3.13. Sơ đồ mạch buck nguồn âm đơn giảng Ứng dụng Mạch tăng áp buck thường được dùng làm mạch nguồn DC cần nguồn điện áp tăng so với nguồn đã có. Ngoài ra mạch buck còn được dùng trong bộ chuyển độ POL cho máy tính để bàn và máy tính xách tay, trong bộ sạc pin, …. IV. Nguồn ổn áp đóng cắt Bộ nguồn đóng – cắt (nguồn xung) là một bộ nguồn rất nhẹ và có hiệu suất cao sử dụng xung đóng – cắt để điều khiển đóng mở thiết bị công suất (linh kiện đóng ngắt trong mạch) để điều áp ở ngõ ra. Năng lượng điện được điều tiết theo nguyên tắc đóng – mở vì vậy chúng rất tiết kiệm năng lượng só với bộ nguồn tuyến tính. Nhược điểm duy nhất của chúng là rất khó tìm ra lỗi hỏng hóc để sửa chữa mà chỉ có thể thay thế cả block hay cả bộ nguồn, tuy nhiên nhược điểm này cũng không gây phiền hà nhiều cho người sử dụng do giá thánh của các bộ nguồn này cũng ngày càng giảm do công nghệ điện tử càng ngày càng phát triển. Trong một bộ nguồn xung, nguồn xoay chiều AC được chỉnh lưu ngay thành dòng một chiều, tiếp đó dòng một chiều này được băm với tần số cao 20-40KHz nhờ các phần tử bán dẫn cao tần như các transistor MOS hay IGBT, kết hợp với các biến áp cao tần để điều chỉnh điện áp 1 chiều ở đầu ra. Biến áp cao tần này sẽ nhỏ hơn nhiều so với biến áp tần số thấp. Do công suất nguốn được hiệu chỉnh theo phương pháp điều độ rộng xung PWM Pulse Width Modulation (điều chế độ rộng xung PWM - sẽ tìm hiểu ở bài tiếp theo) nên năng lượng điện thất thoát cũng nhỏ hơn rất nhiều. 76
Nguồn xung hiện nay có rất nhiều loại khác nhau nhưng nó được chia thành 2 nhóm nguồn : Cách ly và không cách ly[separator] Nhóm nguồn không cách ly: + Boots + Buck + Buck - Boost Nhóm nguồn cách ly : + Flyback + Forward + Push-pull + Half Bridge Mỗi loại nguồn trên đều có những ưu nhược điểm khác nhau. Nên tùy theo yêu cầu của nguồn mà ta chọn các kiểu nguồn xung như trên. Sau đây là nguyên tắc hoạt động của từng bộ nguồn trên mình chỉ nói về các bộ nguồn hay dùng trong thực tế. 1. Nguồn Push – pull Đây là dạng kiểu nguồn xung được truyền công suất gián tiếp thông qua biến áp, cho điện áp đầu ra nhỏ hơn hay lớn hơn so với điện áp đầu vào. từ một điện áp đầu vào cũng có thể cho nhiều điện áp đầu ra. Nó được gọi là nguồn đẩy kéo. Hình 3.14. Sơ đồ nguồn Push-pull Đối với nguồn xung loại Push-Pull này thì dùng tới 2 van để đóng cắt biến áp xung và mỗi van dẫn trong 1 nửa chu kì. Nguyên tắc cũng gần giống với nguồn flyback Khi A được mở B đóng thì cuộn dây Np ở phía trên sơ cấp có điện đồng thời cảm ứng sang cuộn dây Ns phía trên ở thứ cấp có điện và điện áp sinh ra có cùng cực tính. Dòng điện bên thứ cấp qua Diode cấp cho tải. Như trên hình vẽ khi B mở và A đóng thì cuộn NP phía thứ cấp có điện và điện áp này sinh ra cũng cùng cực tính. Như trên hình vẽ. 77
Với việc đóng cắt liên tịc hai van này thì luôn xuất hiện dòng điện liên tục trên tải. Chính vì ưu điểm này mà nguồn Push Pull cho hiệu suất biến đổi cao nhất và được dùng nhiều trong các bộ nguồn như UPS, Inverter. Một số lưu ý khi dùng nguồn đẩy kéo: + Trong một thời điểm thì không được cả hai van cùng dẫn. Mỗi van chỉ được dẫn trong một nữa chu kỳ. Khi van này mở thì van kia phải đóng và ngược lại. + Thời gian mở các van phải chính xác, giữa hai van cần có thời gian chết để đảm bảo hai van không cùng dẫn. 78 Hình 3.15. Sơ đồ một dạng mạch Push -pull
Trong mạch hình 3.15 thì nguồn đẩy kéo chỉ giữa chức năng là nâng điện áp từ 12V lên tới 310V. TL494 làm chức năng tạo xung đóng cắt có thời gian chết để điều khiển các van đóng cắt. 2. Nguồn Buck - Boost Mạch nguồn buck –boost là mạch Mạch tạo điện áp trái dấu, với đầu vào DC (âm hoặc dương) điện áp đầu ra trái dấu với điện áp đầu vào và có trị tuyệt đối có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp đầu vào. Hình 3.16. Sơ đồ dạng mạch Buck-boost Khi công tắc đóng, điện áp vào Vin khiến dòng đi qua cuộn dây tăng lên. Lúc này dòng cấp cho tải chỉ là dòng do tụ phóng ra. Khi công tắc mở, điện áp vào Vin bị ngắt ra. Dòng đi qua cuộn dây giảm dần khiến điện áp trên nó tăng lên. Điện áp này nạp vào tụ đồng thời mở thông diode D dẫn dòng phóng ra từ cuộn dây cấp nguồn cho tải. V. Nguyên tắc tạo tín hiệu điều khiển cho bộ biến đổi DC - DC. Tất cả các loại nguồn DC – DC điều áp theo phương pháp đóng cắt đều có dạng điện áp đầu ra theo kiểu xung vuông với tần số xác định nào đó. Tín hiệu điều khiển của các van công suất đóng cắt cũng là các xung vuông với tần số đóng cắt tùy thuộc vào tính chất của từng mạch nguồn. Tín hiệu xung vuông điều khiển đó được gọi là Pulse Width Modulation (PWM). 79
Hình 3.17. Dạng xung PWM điều khiển nguồn DC-DC Điện áp ở dạng xung vuông với chu kỳ TP, độ rộng Ton chính là thời gian xung ở điện áp đỉnh Vpk (Ton
Với vi được cấp từ một nguồn thay đổi bên ngoài a/ Giải thích nguyên lý hoạt động của mạch (khi vi và IL thay đổi) b/ Cấp vI = +18V, đo điện thế ngõ ra vo , chỉnh VR theo hai chiều. Nhận xét và giải thích. c/ Chỉnh VR để vo=+12V, cho vi thay đổi từ +15V +20V, đo vo, lập bảng theo mẫu sau và vẽ đồ thị vo=f(vi). Nhận xét. Vi +15V +16V +17V +18V +19V +20V vo d/ Cấp vi=+18V, Đo vo khi thay đổi IL (bằng cách thay đổi RL) RL R1(100) R2(50 ) R3(100/3) R4(25) IL vo Vẽ đồ thị vo = f(IL). Nhận xét. e/ Không mắc tụ C vào mạch, quan sát sóng dư ngõ ra. Lập lại thí nghiệm. Khi mắc tụC vào mạch. Nhận xét và giải thích. f/ Giả sử không mắc Co vào mạch, vo bị ảnh hưởng gì? Giải thích? 6. Cho mạch ổn áp có sơ đồ sau: 81
Ghi chú quan trọng: * Trong mạch có 2 mass, một mass điện và 1 mass máy. Sinh viên khi làm thực tập phảithật cẩn thận, tránh bị điện giật. * Trong bài thực tập dùng SCR và Hình 3.19. Sơ đồ mạch ổn áp dùng IC KA842 82
Hình 3.20. Sơ đồ cấu tạo vi mạch KA 842 IC KA3842 là IC dao động điều khiển mạch nguồn Switching được sử dụng rất nhiều trong các mạch nguồn monitor máy tính. IC này hoạt động theo kiểu biến điệu độ rộng xung (pulse width modulation). IC có khả năng tạo nguồn chuẩn Vref=+5V tại chân 8, mạch so sánh cảm nhận về điện áp để khoá mạch biến điệu độ rộng xung bên trong. Chân4 mắc R, C định tần số dao động, xung biến điệu độ rộng được thực hiện bởi mạch FF RScấp cho mạch khuếch đại Push-Pull thông qua cổng OR. Khi mở máy, chân 7 được cấp nguồn từ điện thế 300V để khởi động mạch, sau đó điện thế cảm ứng lấy từ cuộn 1-3 sẽ đuợc chỉnh lưu để cấp nguồn ổn định cho IC3842. Cuộn 1-3 còn được dùng để lấy mẫu ngõ ra để đưa về mạch so sánh (chân 1-2). Zener 18V và SCR giữ vai trò bảo vệ khi điện áp vượt quá cao. Yêu cầu: Khảo sát mạch và thực hiện các công việc sau: Để hở công suất nguồn, khảo sát IC3842 83
a/ Đo điện áp DC chân 7 khi mạch hoạt động ổn định. Lúc này zener 18V và SCR dẫn hay ngưng? b/ Đo điện áp DC tại chân 2. Điện áp này dùng làm gì? Có thay đổi theo điện áp ngõ ra B1 và B2 không? Tại sao? c/ Quan sát và vẽ lại dạng sóng chân số 4 d/ Quan sát và vẽ lại dạng sóng tại ngõ ra (chân 6). Chỉnh biến trở 5K, dạng sóng ngõ ra thay đổi như thế nào? 2. Nối công suất nguồn vào mạch 𝟒.𝟕 a/ Đo B1 khi 𝑹𝑳 = 𝑲 𝟐 b/ Thay đổi RL bằng cách không nối rồi nối lần lượt JP1, JP2, JP3, đo B1, lập bảng: c/Vẽ đồ thị B1 theo IL. Nhận xét? d/ Đo B1, chỉnh VR=5K. Nhận xét và cho biết chức năng của VR. 84
BÀI 4. PHƯƠNG THỨC ĐIỀU RỘNG XUNG (PWM) Mục tiêu của bài: - Tối ưu hóa bộ nguồn đóng cắt dùng phương thức điều chế độ rộng xung. - Thiết kế được các mạch ổn áp dùng phương thức điều rộng xung. - Kiểm tra, sửa chữa được các bộ điều rộng xung và cách khử hài trong bộ điều rộng xung. I. Chiến lược cực tiểu hóa tổn hao công suất ở nguồn đóng cắt Nguồn đóng cắt (Switching) được sử dụng ngày càng rộng rãi do có ưu điểm hiệu suất cao, ít tỏa nhiệt và kích thước nhỏ hơn nhiều so với nguồn tuyến tính có cùng công suất. Có 4 loại nguồn nguồn xung thông dụng nhất là: + Buck: biến đổi điện áp DC đầu vào thành đầu ra DC có điện áp nhỏ hơn. + Boost: ngược lại so với Buck, điện áp đầu ra lớn hơn đầu vào. + Buck-Boost (invert): Tạo điện áp âm có trị tuyệt đối lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp vào (điều chỉnh được). + Flyback: tạo điện áp dương có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp vào (điều chỉnh được). 1. Các thành phần chính của nguồn switching: Cuộn cảm, biến áp và PWM Cuộn dây – Điện áp trên cuộn dây và dòng điện đi qua nó liên hệ theo phương trình sau: V= L(di/dt). – Từ phương trình trên ta rút ra được 2 đặc tính quan trọng của cuộn dây: + Chỉ có điện áp rơi trên 2 đầu cuộn dây khi dòng điện đi qua nó biến thiên. + Dòng đi qua cuộn dây không thể thay đổi đột ngột, bởi vì để làm được điều đó ta cần mức điện thế vô cùng lớn. Dòng qua cuộn dây thay đổi càng mạnh thì điện áp rơi trên nó càng lớn. Biến áp – Biến áp cấu tạo bởi 2 hoặc nhiều cuộn dây có quan hệ từ tính với nhau.Hoạt động của biến áp là biến điện áp xoay chiều đầu vào sơ cấp thành điện áp thứ cấp có giá trị to hơn hoặc nhỏ hơn tùy theo số vòng dây quấn. Biến áp không tạo thêm năng lượng, cho nên năng lượng ở 2 đầu sơ cấp, thứ cấp phải bằng nhau (=const).Đó là lí do tại sao cuộn dây nhiều vòng quấn hơn có điện áp cao hơn nhưng dòng nhỏ hơn, trong khi cuộn dây ít vòng dây quấn hơn có điện áp nhỏ hơn nhưng dòng điện lớn hơn. 85
– Dấu chấm ký hiệu ở một trong hai đầu cuộn dây gọi là cực tính, thể hiện sự liên hệ về dấu của điện áp và chiều dòng điện của 2 cuộn sơ cấp và thứ cấp. Các bạn xem hình vẽ trên để biết thêm chi tiết. – Một ứng dụng đơn giản của máy biến áp được sử dụng rất nhiều trong hệ thống đánh lửa của oto, xe máy… Cuộn dây N2 có số vòng lớn hơn rất nhiều so với N1. Khi công tắc (points closed – chính là nút bấm khởi động) đóng, điện áp qua N1 là 12V. Dòng qua N1 là dòng một chiều (giá trị bằng dòng qua trở hạn dòng) nên không có hiện tượng cảm ứng từ. Khi công tắc mở ra (ấn công tắc khởi động) dòng qua cuộn N1 giảm xuống rất nhanh điện áp rơi trên nó cũng vọt lên rất lớn. Hiện tượng cảm ứng từ xảy ra khiến điện áp ở cuộn N2 tăng lên đến cỡ 30kV-40kV theo (công thức ở trên) gây phóng điện ở tiếp điểm spark gap, đốt cháy nhiên liệu và xe bắt đầu hoạt động. PWM – Tất cả các loại nguồn xung thông dụng đều có dạng điện áp đầu ra kiểu xung vuông với tần số xác định nào đó gọi là Pulse Width Modulation (PWM) Xét một ví dụ cơ bản sau: 86