KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG THIẾT KẾ MẠCH ỔN ÁP BOOST Giảng viên hướng dẫn Sinh viên thực hiện Nhóm học phần Mục Lục CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ỔN ÁP 5 1 1 Giới thiệu chương 5 1 2 Ổn áp tham số 5 1 3 Ổn áp theo nguyên lý hồi tiếp 6 1 3 1 Ổn áp theo kiểu điện – cơ 6 1 3 2 Ổn áp điện từ 7 1 4 Ổn áp một chiều 8 1 4 1 Ổn áp Zener (Ổn áp tham số) 9 1 4 2 Ổn áp theo nguyên lý hồi tiếp 10 1 4 2 1 Ổn áp tuyến tính 10 1 4 2 2 Ổn áp xung 11 Ổn áp Buck 12 Ổn áp Boost 14 Ổn áp Buck – Boost 16 Ổn áp C.
TỔNG QUAN ỔN ÁP
Giới thiệu chương
Mọi thiết bị và hệ thống đều cần một nguồn điện ổn định để hoạt động hiệu quả, vì nguồn điện không ổn định có thể gây ra sự chập chờn và giảm độ bền của thiết bị Để hiểu rõ về vai trò, phân loại và đặc điểm của các loại ổn áp, chương này sẽ tập trung vào ổn áp Boost Ổn áp (Voltage stabilizer) là thiết bị điện có chức năng chính là duy trì điện áp đầu ra ổn định, bất kể điện áp đầu vào có cao hơn hoặc thấp hơn mức danh định, miễn là nằm trong dải làm việc của ổn áp, nhằm cung cấp đủ điện cho các thiết bị hoạt động ổn định.
Có nhiều loại ổn áp hoạt động dựa trên nguyên lý khác nhau, chủ yếu được chia thành ổn áp xoay chiều và ổn áp một chiều (bao gồm ổn áp tuyến tính và ổn áp xung) Ổn áp xoay chiều duy trì điện áp đầu ra ổn định trong một khoảng biến thiên của điện áp đầu vào, dòng tải và nhiệt độ, mà không sinh ra năng lượng Ổn áp cũng được phân loại thành ổn áp tham số và ổn áp theo nguyên lý bù, tùy thuộc vào lưới điện sử dụng để lựa chọn loại ổn áp phù hợp.
Ổn áp tham số
Ổn áp dựa vào đặc tính tham số của linh kiện hay thiết bị để ổn định điện áp ở ngõ ra.
Sơ đồ nguyên lý L: Cuộn cảm tuyến tính, Ls: Cuộn cảm bão hòa.
Ổn áp xoay chiều hoạt động dựa trên đặc tính tham số của thiết bị, bao gồm hai cuộn cảm: cuộn cảm tuyến tính L và cuộn cảm bão hòa Ls Để đảm bảo điện áp đầu ra ổn định, người ta thường chọn điểm làm việc của ổn áp trong vùng bão hòa, giúp điện áp đầu ra duy trì không đổi mặc dù điện áp đầu vào có sự thay đổi.
- Hệ số công suất cos φ thấp.
- Kích thước cuộn cảm lớn.
- Độ ổn định của mạch thấp
Do vậy, để nâng cao hệ số công suất cos của ổn áp, người ta thường mắc song song
Ls một tụ C, nhờ đó mà mức độ ổn định của mạch cao hơn.
Ổn áp theo nguyên lý hồi tiếp
Ổn áp hoạt động dựa trên nguyên lý hồi tiếp hoặc nguyên lý bù nhằm duy trì sự ổn định của điện áp đầu ra Có hai loại ổn áp chính: ổn áp bù kiểu điện-cơ và ổn áp bù kiểu điện tử.
1.3.1 Ổn áp theo kiểu điện – cơ
M Lấy mẫu Điều khiển động cơ
So sánh Điện áp chuẩn
Khi điện áp xoay chiều đầu vào 𝑣 𝑖 hoặc tải thay đổi, điện áp đầu ra 𝑣 𝑜 cũng sẽ bị ảnh hưởng Để duy trì 𝑣 𝑜 ổn định, một phần điện áp đầu ra sẽ được lấy mẫu và đưa vào mạch so sánh Mạch so sánh sẽ so sánh điện áp này với điện áp chuẩn, từ đó tạo ra tín hiệu điều khiển cho mạch điều khiển động cơ một chiều Tín hiệu này sẽ điều chỉnh chổi than để thay đổi điện áp vào cuộn sơ biến áp 𝑇 2, nhằm giữ cho điện áp đầu ra 𝑣 𝑜 không đổi.
Khi chổi than di chuyển, tạo ra hồ quang nên phát sinh nhiễu trong mạch.
Khi có sự thay đổi về tín hiệu, dòng tải hoặc nhiệt độ, điện áp ở ngõ ra sẽ bị ảnh hưởng Mạch lấy mẫu có nhiệm vụ thu thập một phần biến đổi của điện áp ngõ ra và gửi lại cho mạch khuếch đại sai lệch Mạch khuếch đại sai lệch sẽ khuếch đại tín hiệu giữa ngõ ra của mạch lấy mẫu và mạch tạo điện áp chuẩn, từ đó tạo ra tín hiệu điều khiển ở ngõ ra Mục tiêu là điều khiển dòng điện qua cuộn dây 𝐿2, làm thay đổi 𝐿1 và điện áp ngõ vào của biến thế 𝑇2, nhằm giữ cho điện áp ngõ ra 𝑣𝑜 luôn ổn định.
Sự biến dạng của tín hiệu hầu như không đáng kể, không phụ thuộc vào tần số tín hiệu vào.
Ổn áp một chiều
Mọi ổn áp DC có chức năng chuyển đổi điện áp vào DC thành điện áp ra DC ổn định và duy trì mức điện áp này trong một khoảng rộng các điều kiện điện áp vào và dòng tải Để thực hiện nhiệm vụ này, một ổn áp thường được trang bị các thành phần cần thiết.
Phần tử chuẩn : để cung cấp một mức điện áp ra biết trước.
Phần tử lấy mẫu : để lấy mẫu điện áp ra.
Phần tử khuếch đại sai lệch: để so sánh mẫu điện áp chuẩn và cho sai tín hiệu sai lệch.
Phần tử điều khiển là thiết bị có chức năng điều chỉnh điện áp ra theo yêu cầu, giúp duy trì điện áp mong muốn khi điều kiện tải thay đổi, và hoạt động dựa trên tín hiệu sai lệch.
Tùy vào kiểu ổn áp khác nhau thì sẻ có các thành phần khác nhau, nhưng cơ bản các kiểu ổn áp điều có 4 thành phần trên.
Nguồn ổn áp một chiều được phân thành hai loại chính: ổn áp tham số (còn gọi là ổn áp zener) và ổn áp theo nguyên lý hồi tiếp Trong nhóm ổn áp theo nguyên lý hồi tiếp, có hai loại cụ thể là ổn áp tuyến tính và ổn áp xung.
1.4.1 Ổn áp Zener ( Ổn áp tham số)
Ổn áp một chiều sử dụng đi ốt bán dẫn Zener là một thiết bị giúp ổn định điện áp, tuy nhiên có nhược điểm là dòng qua tải nhỏ và không có hồi tiếp Diode Zener bao gồm một lớp tiếp xúc P-N với hai chân cực là anốt và catốt; anốt được kết nối với lớp bán dẫn P, trong khi catốt được nối với lớp bán dẫn N, tất cả được bọc trong vỏ kim loại hoặc nhựa tổng hợp Đặc tuyến vôn-ampe của diode này cũng là một yếu tố quan trọng cần lưu ý.
Hình 1.2: Đặc tuyến vôn-ampe
- Phần thuận của đặc tuyến (Khi U AK >0)
Khi diode được phân cực thuận, dòng điện tăng nhanh chóng, tuy nhiên cần chú ý đến dòng điện thuận cực đại I thmax, vì diode không được hoạt động với dòng điện vượt quá giá trị này Khi UAK > 0 nhưng nhỏ, dòng điện thuận quá thấp nên diode chưa được coi là phân cực thuận; chỉ khi UAK ≥ UD, diode mới chính thức được phân cực thuận Điện áp ngưỡng UD của diode thường nằm trong khoảng 0,1 – 0,3V đối với diode germanium và 0,1 – 0,8V đối với silicon Khi UAK = UD, dòng điện thuận đạt khoảng 0,1Ithmax, và khi UAK > UD, dòng điện sẽ tăng rất nhanh.
Điện thế nhiệt (VT) là yếu tố quan trọng trong việc xác định dòng điện (I) chạy qua diode Điện trở gộp (RB) bao gồm cả điện trở của vật liệu bán dẫn và điện trở tiếp xúc nhiệt, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của diode.
1.4.2 Ổn áp theo nguyên lý hồi tiếp Ổn áp nguyên lí bù được thực hiện bằng phương pháp hồi tiếp, khi điện áp ngõ ra biến thiên, điện áp ngõ ra cũng biến thiên thì mạch sẻ tạo ra một tín hiệu điều khiển bù lại sự biến thiên đó, gọi là mạch làm việc theo nguyên lí bù Nếu phần tử điều chỉnh làm việc chế độ tuyến tính gọi là ổn áp tuyến tính, nếu phần tử điều chỉnh hoạt động ở chế độ xung gọi là ổn áp xung Nếu phần tử điều chỉnh nối tiếp tải gọi là ổn áp nối tiếp, ngược lại gọi là ổn áp song song.
Sự ổn định điện áp được thực hiện thông qua phương pháp hồi tiếp, trong đó khi điện áp vào Vi thay đổi, điện áp ngõ ra Vo cũng sẽ biến thiên Mạch sẽ tạo ra tín hiệu điều khiển để bù đắp cho sự biến thiên này, hoạt động dựa trên nguyên lý bù.
+ Ổn áp tuyến tính có độ ổn định cao.
+ Dể thiết kế và thi công.
1.4.2.2 Ổn áp xung Ổn áp xung còn gọi là ổn áp đóng ngắt là ổn áp dựa trên nguyên lý hồi tiếp, trong đó phần tử điều chỉnh làm việc ở chế độ xung
Hình 1.3: Sơ đồ hoạt động của ổn áp xung
Nguyên lý hoạt động của ổn áp xung:
Nguồn DC không ổn định được cung cấp cho phần tử điều chỉnh hoạt động như một khóa điện tử Khi khóa nhận tín hiệu nguồn DC và kết nối với ngõ ra, nó sẽ ngắt nguồn khỏi mạch, tạo ra tín hiệu ra dưới dạng một dãy xung Để có được điện áp một chiều cho tải, người ta sử dụng bộ lọc, thường là mạch lọc RLC Giá trị điện áp một chiều trên tải có thể thay đổi tùy thuộc vào tần số và độ rộng xung của khóa Để duy trì ổn định điện áp trên tải, tín hiệu sẽ được so sánh với mức điện áp chuẩn, và sự sai lệch sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu xung để điều khiển khóa điện tử.
- Hiệu suất cao (thường trên 80%)
- Độ ổn định cao do phần tử điều khiển làm việc ở chế độ xung
- Thể tích và trọng lượng bộ nguồn nhỏ
- Phân tích, thiết kế mạch phức tạp
- Bức xạ sóng can nhiễu trong dãi tần rộng do đó cần bộ lọc xung ở ngõ vào nguồn và bộ nguồn phải được bọc kim
- Tần số đóng ngắt lớn sẽ gây nhiễu cho các thiết bị xung quanh.
Phương pháp điều chế độ rộng xung
Tần số xung không thay đổi bằng cách thay đổi độ rộng xung của xung để thay đổi điện áp ra.
Phương pháp điều chế tần số
Khi đó độ rộng xung không đổi và điều chỉnh điện áp ra lúc này bằng tần số xung điều khiển.
- Phân loại ổn áp xung:
+ Tùy thuộc vào phần tử điều chỉnh nổi tiếp hay song song với tải người ta chia làm ổn áp xung nối tiếp và ổn áp xung song song.
Tùy thuộc vào điện áp đầu vào và đầu ra, các loại ổn áp xung được phân loại thành ổn áp xung Buck, ổn áp xung Boost, ổn áp xung Buck-Boost và ổn áp xung Cuk.
Ổn áp Buck: là loại ổn áp có điện áp trung bình ngõ ra nhỏ hơn ngõ vào.
Ổn áp Buck_Boost: là loại ổn áp có điện áp ngõ ra lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp ngõ vào.
Ổn áp Cuk là một loại ổn áp đặc biệt, cho phép điện áp ngõ ra có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp ngõ vào, nhưng với cực tính ngược lại.
Ổn áp Boost: là loại ổn áp có điện áp trung bình ngõ ra lớn hơn ngõ vào
Trong ổn áp buck điện áp ngõ ra trung bình 𝑉 𝑎 nhỏ hơn điện áp vào 𝑉 𝑠 hoạt động theo phương pháp điều chế độ rộng xung. a) Sơ đồ khối
Hình 1.4: Sơ đồ khối ổn áp Buck b) Nguyên lý làm việc
Phần tử điều chỉnh hoạt động như một khóa điện tử, mở hoặc đóng với tần số không đổi Xung điều khiển có tần số f được tạo ra từ khối dao động, trong khi phần điều khiển so sánh điện áp ra với điện áp chuẩn Sai lệch điện áp được khuếch đại và sử dụng để điều chế động rộng xung, từ đó tạo ra xung vuông với độ rộng thay đổi, điều khiển sự đóng ngắt của phần tử điều chỉnh Khi không có xung điều khiển, dòng ra được duy trì nhờ vào tụ điện C và cuộn cảm L.
Gọi tx là thời gian mở của phần tử chuyển mạch Điện áp trung bình trên tải:
Điện áp ngõ ra của ổn áp Buck luôn thấp hơn điện áp ngõ vào Để sử dụng ổn áp cho mục đích tăng áp, cần tìm hiểu về mạch ổn áp xung kiểu Boost.
2 Ổn áp Boost Ổn áp Boost là loại ổn áp có điện áp trung bình ngỏ ra lớn hơn điện áp trung bình ngỏ vào,hoạt động theo phương pháp điều chế độ rộng xung. a) Sơ đồ khối
Hình 1.5: Sơ đồ khối ổn áp Boost b) Nguyên lý hoạt động
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Mạch nguyên lý
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý
Giản đồ xung trường hợp điều khiển
Hình 2.2 Giản đồ xung điều khiển
- Tín hiệu xung vuông tạo ra từ IC555 sẽ điều khiển nạp/xả tụ C3 thông qua BJT Q1
Khi tín hiệu IC đạt mức 1, tụ C2 sẽ xả điện áp qua Q1 Ngược lại, khi tín hiệu ở mức 0, tụ C2 sẽ nạp lên 6V thông qua nguồn dòng Tín hiệu này sau đó được đưa vào chân V(+) của LM339.
- Tín hiệu điều khiển V(-) = 3V sẽ so sánh với V(+) Ngõ ra LM339 có tín hiệu điều khiển xung vuông với Duty = 50%
+ Khi LM339 mức 0 thì Q3, Q4 dẫn và Q5 tắt nên VG-Fet ở mức 1 (on) + Khi LM339 mức 1 thì Q3, Q4 tắt và Q5 dẫn nên VG-Fet ở mức 0 (off)
Giản đồ xung trường hợp ổn định (giảm 10%)
Hình 2.3 Giản đồ xung trường hợp ổn định (giảm 10%)
Khi Vout giảm 10% xuống 21.6V, điện áp VHT đạt 3.79V trong khi VC là 4.2V, dẫn đến V(-) nhỏ hơn V(+), do đó ngõ ra của LM339 (U:A) sẽ ở mức 1 và tụ C3 sẽ được nạp Sự gia tăng điện áp làm giảm độ rộng xung điều khiển Vout U:B với tỷ lệ duty là 45%.
- Khi LM339 (U:B) mức 0 thì Q3, Q4 dẫn và Q5 tắt nên VG-Fet ở mức 1 (on)
- Khi LM339 (U:B) mức 1 thì Q3, Q4 tắt và Q5 dẫn nên VG-Fet ở mức 0 (off)
Giản đồ xung trường hợp ổn định (tăng 10%)
Hình 2.4: Giản đồ xung trường hợp ổn định (tăng 10%)
Khi điện áp đầu ra Vout giảm 10% xuống còn 21.6V, điện áp VHT đạt 3.79V và VC là 4.2V, dẫn đến V(-) nhỏ hơn V(+) Do đó, ngõ ra LM339 (U:A) sẽ ở mức 1 và tụ C3 sẽ được nạp Sự giảm điện áp cũng làm tăng độ rộng xung điều khiển Vout của U:B với tỷ lệ duty là 55%.
- Khi LM339 (U:B) mức 0 thì Q3, Q4 dẫn và Q5 tắt nên VG-Fet ở mức 1 (on)
- Khi LM339 (U:B) mức 1 thì Q3, Q4 tắt và Q5 dẫn nên VG-Fet ở mức 0 (off)
Các khối điều khiển trong mạch
Hình 2.2 Khối tạo dao động
Chức năng: Tạo xung với tần số không đổi, và đồng thời tạo xung kích chân 2 cho mạch điều chế độ rộng xung.
Mạch dao động đa hài hoạt động dựa trên nguyên lý có hai trạng thái không bền, với sự thay đổi điện áp trên tụ C giúp mạch tự động chuyển đổi giữa các trạng thái Điều này đảm bảo rằng mạch luôn tạo ra xung ra với độ dài ổn định.
0 ≤ t < t 1 : Giả sử mạch ở trạng thái không bền ban đầu Ngõ ra V0 = 1
Khi QRSFF = 0, BJT Q1 bị tắt, dẫn đến không có dòng điện đi qua BJT Tụ C được nạp điện từ nguồn Vcc qua điện trở, với hướng nạp như hình vẽ, nhằm đạt giá trị Vcc Khi tụ C nạp điện, điện áp trên tụ sẽ tăng (Vc tăng) cho đến khi điện áp trên tụ đạt đến mức vc = v(6) = v(2) ≥.
=> Q = 1 => v0 = 0Mạch chấm dứt thời gian tồn tại trạng thái không bền ban đầu và chuyển sang trạng thái không bền thứ 2.
Tại thời điểm t = t1, mạch ở trạng thái không bền thứ hai với Q = 1 và v = 0 Khi Q1 dẫn, tụ C xả điện qua R2, dẫn đến việc giảm điện áp trên tụ và tại chân số 2 và chân số 6 Khi điện áp trên tụ C giảm xuống mức 1/3Vcc ≤ vc ≤ 2/3Vcc, mạch bắt đầu chuyển sang trạng thái khác.
=> Q vẫn giữ nguyên trạng thái cũ trước đó (Q = 1) do đó tụ C tiếp tục xả cho đến khi vc ≤ 1/3Vcc (điện thế ngưỡng của bộ SS1), mà vc = v(6) = v(2) nên:
Khi Q = 0 và v0 = 1, mạch chuyển từ trạng thái không bền thứ hai sang trạng thái không bền ban đầu Do Q = 0, BJT Q tắt và không có dòng điện chạy qua BJT Q Kết quả là tụ C được nạp điện bổ sung, tạo ra một quá trình liên tục nhằm tạo độ dài xung ra.
Hình 2.4 Đồ thị xung ngõ ra
Tính toán độ dài xung ra:
Gọi T1 là thời gian ứng với ngõ ra vo = 1
T2 là thời gian ứng với ngõ ra vo = 0
T là chu kì dao động của mạch : T = T1+T2
Phương trình nạp của tụ C vc(t) = [vc( ∞ ) – vc(0)](1 – e 1/t1 )+vc(0) Với vc(0) = 1/3 Vcc, vc( ∞ ) = Vcc
=> vc(t) = 2/3 Vcc(1 – e 1/t1 )+1/3Vcc Khi t = T1 thì vc(T1) = 2/3Vcc
Vậy thời gian nạp tụ T1 = 0,7CR1
Phương trình xả của tụ C: vc(t) = [vc(0) – vc(∞)] e -1/t2 )+vc(∞) Với vc(0) = 1/3 Vcc, vc( ∞ ) = Vcc
=> vc(t) = 2/3Vcc.e -1/t2 Khi t = T2 thì vc(T2) = 1/3Vcc
=> 1/3Vcc = 2/3Vcc.e -1/t2 => T2 = 0,7CR2 Vậy thời gian xả của tụ C là T2 = 0,7CR2
T = T1 + T2 = 0,7C (R1+R2) Vậy chu kỳ dao động là T = 0,7C (R1+R2)
2.2.2 Khối tạo xung răng cưa
Hình 2.5 Khối tạo xung răng cưa
Chức năng : Dựa và việc nạp xã tụ để tạo điện áp đầu ra có dạng răng cưa
Nguyên lý hoạt động của mạch tạo xung răng cưa là sử dụng nguồn dòng để nạp tụ, từ đó hình thành sườn lên của xung Để tạo ra sườn xuống của răng cưa, tụ sẽ được xả qua BJT.
Điện áp đỉnh xung răng cưa V:
Ta Dòng qua Q8 là IC8 = I0 = C ∆ V ∆ t
Ta có: Ib8= I c8 β Điều kiện của IR18 là: IR18 = IB + ID
- Ta có R17 định dòg cho tụ (IE ≈ Ic)
Tụ xã khi BJT đóng lại ( tín hiệu vào chân B mức 1) và nạp khi BJT hở ( mức 0)
Khối này sẽ lấy một phần điện áp từ ngõ ra Vout của mạch và đưa trở về khối so sánh, nhằm tạo ra tín hiệu hiệu chỉnh phù hợp để ổn định điện áp.
Nguyên lý hoạt động của khối so sánh điện áp là khi điện áp đặt cố định bị sụt giảm, điện áp trả về sẽ thấp hơn so với điện áp đặt ban đầu Điều này dẫn đến việc ngõ ra của khối hồi tiếp sẽ ở mức thấp hơn.
1 và ngược lại quá áp sẽ ở mức 0 Tín hiệu của khối này sẽ là ngõ vào cảu khối điều chế độ rộng xung. a) Mạch lấy mẫu (HT)
Mạch lấy mẫu có nhiệm vụ lấy một phần điện áp ở ngõ ra nhằm đưa vào mạch so sánh để điểu chỉnh ổn định điện áp ra.
Sử dụng cầu phân áp ta có
Vout Vph = R 1+ R 2 R 2 b) Mạch điều chế
Tạo thời gian trễ giúp ổn định điện áp đầu ra, với xung có tần số tương ứng với điện áp giữa khối hồi tiếp và khối tạo xung Độ rộng xung được điều chỉnh dựa trên sai lệch điện áp, nhằm đáp ứng yêu cầu cụ thể.
Khi ngõ vào của khối ở mức 1:Tụ C3 sẽ được nạp qua R6 qua diode nạp tụ rồi về Mass
Khi điện áp ở ngõ vào khối này đạt mức 0, tụ C3 sẽ được xả qua R5 về mass Điện áp trên tụ C3 sau đó được đưa vào chân V(-) của opamp, nơi nó sẽ được so sánh với chân V(+) kết nối với khối tạo xung, nhằm tạo ra ngõ ra xung phù hợp từ opamp.
Diode D2 và R7 sử dụng để xả tụ C3 trong trường hợp ngắt nguồn điện đột ngột Thiết lập công thức và tính toán :
Ta có dòng ngõ vào Opamp nhỏ hơn 7mA
Mà UR5 = UR6 , thời gian nạp xả tụ bằng nhau => R5=R6 >2UR 7 mA 5
2.2.4 Khối phần tử điều khiển :
Chức năng của phần tử chuyển mạch điện tử là đóng ngắt trong mạch với tần số cao, điều chỉnh điện áp tăng hoặc giảm ở ngõ ra Chu kỳ đóng ngắt của nó ngược lại với chu kỳ ngõ ra của mạch điều chế, giúp kiểm soát hiệu quả điện áp.
+Q3 dẫn => Q4 dẫn làm tụ ký sinh được nạp
+VG: 0V => 12V làm cho UGS V ( Fet ON)
-Tín hiệu ngõ vào ở mức 1:
+Tụ sẽ xã qua Q5 và R13 làm xuất hiện Ib5 => Q5 dẫn
+Q5 dẫn làm xuất hiện Ic5 xả từ tụ về 0, UGs =0V (Fet OFF)
Chọn dòng I (nạp/ xả) tụ ký sinh
Ta có IR8 = IR15 + Ib3
Chức năng : Tăng điện áp ngõ ra từ nguồn cấp nhờ năng lượng cung cấp từ cuộn cảm và nguồn làm cho điện áp đầu ra tăng
Khi Mosfet ở trạng thái dẫn điện (ON), điện áp đầu vào được áp dụng lên cuộn cảm L, dẫn đến việc dòng điện trong cuộn cảm L bắt đầu xuất hiện và tăng dần theo thời gian từ giá trị ban đầu.
Lmin nào đó Lúc này dòng qua tải được duy trì nhờ tụ C đóng vai trò là nguồn (Tụ C phóng)
Khi Mosfet tắt, cuộn dây L1 tạo ra điện áp tự cảm ngược chiều với thời gian Mosfet dẫn, giúp dòng điện đủ lớn để làm Diode phân cực thuận Trong điều kiện hoạt động bình thường, điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào, dẫn đến điện áp đặt vào cuộn cảm bằng chênh lệch giữa hai điện áp này cộng với điện áp rơi trên Diode Dòng điện qua cuộn cảm sẽ giảm dần theo thời gian.
Khi Mosfet dẫn điện trở lại sau giai đoạn khởi động, Diode sẽ tắt, tạo ra sự cách ly giữa ngõ ra và ngõ vào của mạch Mặc dù ngõ ra bị cách ly, tải vẫn nhận được điện áp (VIN + VL) từ tụ điện C Mỗi khi Mosfet dẫn, tụ điện C được nạp lại, giúp duy trì điện áp ngõ ra trên tải gần như ổn định.
Ta có với T là chu kỳ làm việc , K là chu trình làm việc :
- Theo các tính toán về mạch Boost được nêu:
- Ta có dòng gợn đỉnh - đỉnh:
- Ta có điện áp gợn đỉnh - đỉnh:
∆𝑉𝑐 = I 0 C t 1 = Io (Vo−Vs VofC ) = I 0 fc K
Chức năng : Từ nguồn cấp 12 VDC thông qua các bộ chuyển đổi ta được các điện áp 9VDC, 5VDC cung cấp cho các khối khác hoạt động.
Nguồn 12VDC cung cấp cho mạch chưa ổn định và có gợn, vì vậy cần sử dụng tụ C1 để làm phẳng điện áp và lọc nhiễu tần số cao Qua IC7809 và IC7805, chúng ta nhận được điện áp 9VDC và 5VDC Hai tụ C3 và C4 sẽ giúp lọc điện áp đầu ra, đảm bảo điện áp ra được ổn định và phẳng nhất.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH
Giới thiệu chương
Trong hai chương trước, chúng ta đã khám phá các loại ổn áp có sẵn trong thực tế và nguyên lý hoạt động của từng loại Đồng thời, chúng ta cũng đã đi sâu vào nguyên lý và các phép tính liên quan đến ổn áp Boost.
Tiếp theo, trong chương này ta sẽ đi đến việc tính toán giá trị các linh kiện mô phỏng và thiết kế trên mạch.
Sau khi tính toán các giá trị ta tiến hành mô phỏng, kiểm nghiệm và chỉnh sửa để mạch hoạt động ổn định hơn.
Tính toán thiết kế từng khối trong mạch ổn áp
Sơ đồ mạch tổng thể
* Tính chọn: Diode, cuộn cảm(L) , Tụ điện (C)
UD ≥ Umax => Chọn diode FR504 (400V,5A)
3.2.2 Tính toán khối điều khiển
Ta chọn Mosfet có UDS > 1,5 Uout (36V) và IDS > 1,5 I0 (3A) chọn IRF3205
-Điện áp tối đa từ cực cống đến cực nguồn:UDS = 55V
-Dòng xả tối đa liên tục là:IDmax = 110A
Chọn điện áp kích fet UGS V
Chọn I (nạp/ xả) tụ ký sinh: 50 mA
70 = 0.71mA Chọn IbQ4 = IbQ5 =1mA
Chọn R14 = 1k5 Ω =>Ta có IC3 =12V 1 k 5 = 8mA
Ib3 = 8 70 mA =0.12mA chọn Ib3 =1mA
Ta có IR8 = IR15 + Ib3 chọn R15 @0 Ω =>Ta có IR15 = 0,8 R 15 V = 2 mA
Trở R13 để xả tụ ký sinh chọn 100 Ω
Hình 3.4 Mạch tạo dao động
Chọn IC555 linh kiện tạo dao động: thời gian chuyển trạng thái là 100ns
Tần số của mạch f PkHz Chọn Diode 1N4148 chịu được tần số cao.
- Điện áp ngược max VRRM(V) :100V
- Thời gian phục hồi ngược(ns) :4ns
T1 rất nhỏ nên chọn T0= 0,693R2 C1 = 0.2us
3.2.4 Khối tạo xung răng cưa
Hình 3.5 Mạch tạo xung răng cưa
Chọn điện áp đỉnh của xung răng cưa 6V:
Chọn C2= 10 nF = 10.10 -9 F nên I0 = 10 nF 3,03.10 -3 A = 3,03 mA
Chọn BJT Q7,Q8 làm việ ở chế độ bão hòa
Dòng qua Q8 là IC8 = I0 =3.03mA
Ta có: Ib8= I c8 β = 3.03 70 mA = 42 uA Điều kiện của IR18 là: IR18 = IB + ID
ID = 5mA để tụ ghim được áp
- Ta có R17 định dòg cho tụ (IE ≈ Ic)
Khi sử dụng tụ điện trong mạch BJT C1815, tụ sẽ nạp điện khi tín hiệu đầu vào ở mức thấp và xả điện khi BJT ở mức cao (mức 1) Thời gian xả điện thường chiếm phần lớn chu kỳ hoạt động của mạch.
Hình 3.6 Mạch hồi tiếp a) Mạch lấy mẫu
Sử dụng cầu phân áp ta có
Vì thời gian trễ lớn hơn rất nhiều so với xung răng cưa
Nên ta chọn t = 1ms PTRC = 50.20us
10000 = 0,1uF Chọn thời gian xả tụ R7 nhanh khi mất nguồn : t * =1 ms
3.3 Kết luận chương Ở chương này thì ta vận dụng công thức được nêu ra ở chương 2 để tính toán các linh kiện có trong từng khối chức năng của toàn mạch.Và đã tính hoàn chỉnh đầy đủ chạy mô phỏng đúng giá trị yêu cầu.
Nhóm đã hoàn thành việc tính toán và thiết kế mạch Boost dưới sự hướng dẫn của giảng viên Tuy nhiên, do điều kiện chưa cho phép, nhóm chỉ thực hiện mô phỏng mà chưa thể triển khai mạch chính thức Hiện tại, mạch vẫn chưa ổn định và nhóm sẽ nỗ lực tối ưu hóa mạch trong thời gian tới.
Sau đây là những ưu,nhược điểm và hướng phát triển đề tài của nhóm sau khi hoàn thành mạch: Ưu điểm:
- Mạch chạy đúng theo yêu cầu ban đầu
- Mạch chạy tương đối ổn định
- Mạch thiết kế đơn giản gọn nhẹ, dễ dàng tìm được các linh kiện phù hợp
- để thi công mạch cũng như dễ sử dụng
- Mạch chạy vẫn có độ gợn còn khá lớn
- Thời gian lên điện áp yêu cầu còn lớn
Hướng phát triển đề tài:
- Hoàn thiện mạch hồi tiếp để nâpng cao khả năng ổn định của mạch ổn áp.
- Phát triển và tích hợp thêm mạch bảo vệ ổn áp.
- Nghiên cứu phát triển thêm và ổn áp Buck và Cuk.
