Bài tập lớn môn vật lý bán dẫn

lOMoARcPSD|15963670 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MƠN VẬT LÝ BÁN DẪN Đêề tài: Tìm hiểu vềề nguồền xung (DC/DC CONVERTER) Giảng viên hướng dẫẫn: Thầềy Trầền Trung Hiềếu Sinh viên thực hiện:lớp L06 Downloaded by ng?c trâm (ngoctram201217@gmail.com) lOMoARcPSD|15963670 Sinh viên thực Mã số sinh viên %Công việc Châu Nguyễn Tuấn Thành 2012040 100% Đồng Hữu Thăng 2012045 100% Lê Thanh Sơn 2112193 100% MỤC LỤC Downloaded by ng?c trâm (ngoctram201217@gmail.com) lOMoARcPSD|15963670 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI CHƯƠNG II: PHẦN NỘI DUNG 1/Nguồn xung gì? 2/Cấu tạo nguồn xung .2 3/Nguyên lý hoạt động nguồn xung 4/Ưu, nhược điểm nguồn xung 5/Các loại nguồn xung .8 6/Phân tích ví dụ sơ đồ mạch cho biết vai trò, chế độ hoạt động linh kiện dùng mạch .14 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ 19 CHƯƠNG IV: MẠCH THỰC TẾ ( khơng có) CHƯƠNG V: PHẦN KẾT LUẬN 20 LỜI CẢM ƠN: ………………………………………………………………… .21 Downloaded by ng?c trâm (ngoctram201217@gmail.com) lOMoARcPSD|15963670 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ĐÈ TÀI Nguồn xung ngày sử dụng phổ biến thiết bị điện tử, thiết bị vật dụng gia đình Dễ thấy kể tới dụng cụ bếp từ, lị vi sóng, nồi cơm điện,… Nguồn xung nguồn có tác dụng biến đổi từ nguồn điện xoay chiều sang nguồn điện chiều chế độ dao động xung tạo mạch điện tử kết hợp với biến áp xung Downloaded by ng?c trâm (ngoctram201217@gmail.com) lOMoARcPSD|15963670 CHƯƠNG II: PHẦN NỘI DUNG 1/Nguồn xung gì? Nguồn xung nguồn có tác dụng biến đổi từ nguồn điện xoay chiều sang nguồn điện chiều chế độ dao động xung tạo mạch điện tử kết hợp với biến áp xung Chúng ta biết nguồn tuyến tính cổ điển sử dụng biến áp sắt từ để làm nhiệm vụ hạ áp sau dùng chỉnh lưu kết hợp với IC nguồn tuyến tính tạo cấp điện áp chiều mong muốn 3.3V, 5V, 6V, 9V, 12V, 18V, 24V… Những nguồn thường cồng kềnh tốn vật liệu nên khơng cịn sử dụng nhiều 2/Cấu tạo nguồn xung Downloaded by ng?c trâm (ngoctram201217@gmail.com) lOMoARcPSD|15963670 Downloaded by ng?c trâm (ngoctram201217@gmail.com) lOMoARcPSD|15963670 Nhìn vào board mạch ta thấy nguồn xung bao gồm linh kiện sau (một số kiểu có thêm thành phần khác khơng có linh kiện hầu hết giống nhau): - Biến áp xung: Cũng cấu tạo gồm cuộn dây quấn lõi từ giống biến áp thơng thường có điều biến áp sử dụng lõi ferit biến áp thường sử dụng lỗi thép kỹ thuật điện Với kích thước biến áp xung cho cơng suất lớn biến áp thường nhiều lần Ngoài biến áp xung hoạt động tốt dải tần cao biến áp thường hoạt động dải tần thấp - Cầu chì: Nhiệm vụ quan trọng cầu chì nhằm bảo vệ mạch điện Chúng hoạt động dựa nguyên tắc làm đứt mạch điện Chúng ứng dụng nhằm giảm tượng cháy nổ hỏng thiết bị sử dụng điện - Cuộn chống nhiễu, tụ lọc sơ cấp, điode chỉnh lưu: Có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều 220V thành điện áp chiều tích trữ tụ lọc sơ cấp để cung cấp lượng cho cuộn sơ cấp máy biến áp xung - Sị cơng suất: Đây linh kiện bán dẫn dùng công tắc chuyển mạch , transistor, mosfet, IC tích hợp, IGBT có nhiệm vụ đóng cắt điện từ chân (+) tụ lọc sơ cấp vào cuộn dây sơ cấp biến áp xung cho xuống mass - Tụ lọc nguồn thứ cấp: Dùng để tích trữ lượng điện từ cuộn thứ cấp biến áp xung để cấp cho tải tiêu thụ Chúng ta biết cuộn sơ cấp biến áp đóng cắt điện liên tục sị cơng suất xuất từ trường biến thiên dẫn đến cuộn thứ cấp biến áp xuất điện áp Điện áp chỉnh lưu qua vài diode đưa tụ lọc thứ cấp để san phẳng điện áp - IC quang IC TL431: Có nhiệm vụ tạo điện áp cố định để khống chế điện áp bên thứ cấp ổn định theo mong muốn Chúng làm nhiệm vụ khống chế dao dộng đóng cắt điện vào cuộn sơ cấp biến áp xung cho điện áp bên thứ cấp đạt yêu cầu 3/Nguyên lý hoạt động nguồn xung Downloaded by ng?c trâm (ngoctram201217@gmail.com) lOMoARcPSD|15963670 Hình Đầu tiên điện áp đầu vào từ 80V đến 220V xoay chiều qua cuộn lọc nhiễu vào điốt chỉnh lưu thành điện chiều khoảng gần 130 – 300V (tùy điện áp AC đầu vào) tụ lọc nguồn sơ cấp Tụ lọc nguồn sơ cấp có nhiệm vụ tích lượng điện chiều cho cuộn dây sơ cấp biến áp xung hoạt động Các tụ lọc sơ cấp thường thấy 4,7uF – 400V, 10uF – 400V, 220uF – 400V, 10uF – 200V… Cuộn dây sơ cấp biến áp xung cấp điện theo xung cao tần thông qua khối chuyển mạch bán dẫn linh kiện transistor, mosfet hay IGBT Các xung điện tạo nhờ tạo xung mạch dao động điện tử Các mạch dao động tạo xung thường gặp Viper22, Viper12, hx202, Tl494, Sg3525 Ở bên cuộn thứ cấp biến áp xung có mạch chỉnh lưu cho điện chiều cấp điện cho tải tiêu thụ Điện áp thứ cấp trì điện áp định 3.3V, 5V, 9V, 12V, 15V, 18V, 24V nhờ mạch ổn áp Đồng thời mạch hồi tiếp lấy tín hiệu điện áp để đưa vào tạo xung dao động nhằm khống chế cho tần số dao động ổn định với điện áp mong muốn Các IC ổn áp thường dùng 7805, 7809, 7812, 7818 IC ghim áp đưa vào mạch hồi tiếp IC431, IC hồi tiếp opto couple PC817 Chú ý : Khơng phải tất nguồn xung có sơ đồ khối Hình Một số nguồn xung thực tế không sử dụng IC dao động để điều khiển mosfet (một số mạch sử dụng transistor công suất) Mà thay vào họ sử dụng mạch dao động bao gồm số thành phần để điều khiển FET/BJT hình Một vài mạch lại khơng sử dụng mạch lấy mẫu phát điện áp lỗi bên thứ cấp thay lấy từ bên sơ cấp hình Tích hợp sẵn bên IC nguồn hình Downloaded by ng?c trâm (ngoctram201217@gmail.com) lOMoARcPSD|15963670 Hình 2: Một kiểu nguồn xung điển hình khơng dùng IC nguồn Hình 3: Một kiểu nguồn xung điển hình hình CRT khơng Downloaded by ng?c trâm (ngoctram201217@gmail.com) lOMoARcPSD|15963670 C Hình 4: Một kiểu nguồn xung điển hình tích hợp Mosfet IC nguồn 4/Ưu, nhược điểm nguồn xung Ưu điểm:  Kích thước nhỏ gọn nhẹ  Hiệu suất cao nóng  Điều chỉnh tốt  Biên độ điện áp vào lớn  Giá thành rẻ Nhược điểm:  Bởi có nhiều linh kiện sử dụng mạch nguồn xuất lỗi làm nhiều linh kiện bị lỗi theo ví dụ lỗi bị sét đánh điện áp vào cao  Với nhiều mạch điện khác sử dụng nguồn xung ví dụ mạch dao động, mạch phản hồi, mạch bảo vệ, mạch nguồn phụ…và xảy nhiều vấn đề chí ngun nhân gây rắc rối trình sửa chữa nguồn xung  Một số linh kiện thay đắt tiền khó mua thị trường ví dụ Mosfet, IC nguồn biến áp xung Downloaded by ng?c trâm (ngoctram201217@gmail.com) lOMoARcPSD|15963670  Nhiễu cao tần phát từ biến áp xung làm nhiều vấn đề bị gián đoạn  Chế tạo đòi hỏi kĩ thuật cao, thiết kế phức tạp, việc sửa chữa khó khăn cho người học 5/Các loại nguồn xung Buck converter: Đây loại thông dụng loại nguồn xung thông dụng Người ta sử dụng mạch với đầu vào DC lớn (24 – 48V) với mức đầu 15V, 12V, 9V, 5V… với hao phí điện thấp Buck converter sử dụng transistor để đóng cắt liên tục theo chu kỳ điện áp đầu vào qua cuộn dây Sơ đồ nguyên lý sau: Hình Hai hình bên mơ tả hoạt động mạch trạng thái nạp xả cuộn dây Ta tính dịng qua điện trở LOAD (tải) hai trạng thái  Trạng thái nạp: Do chênh lệch điện điểm SW V0, dòng qua cuộn dây tăng dần lên, tụ C0 đồng thời nạp Dịng điện qua LOAD tính theo công thức I(LOAD)=I(L)-I(C0)  Trạng thái xả: Nguồn Vin bị ngắt ra, lúc dòng cấp cho tải LOAD dòng xả cuộn dây tụ C0 I(LOAD)=I(L)-I(C0) (dấu – chiều quy ước I(C0) chảy C0) Với cuộn dây có điện cảm đủ lớn tụ có điện dung đủ lớn, ta có điện áp tải V0 gần phẳng (gợn sóng cỡ mV) V0=I(LOAD)*R(LOAD) Downloaded by ng?c trâm (ngoctram201217@gmail.com) lOMoARcPSD|15963670 Boost converter: Mạch boost converter cho điện áp DC đầu cao đầu vào (cùng dấu) Sơ đồ nguyên lý mạch boost converter sau: Hình Hoạt động sau: Khi cơng tắc đóng, dịng qua cuộn dây tăng dần lên Khi công tắc mở ra, dịng qua cuộn dây giảm (do có thêm tải) khiến điện áp cuộn dây tăng lên Điện áp đặt vào tụ khiến cho tụ nạp với điện áp lớn điện áp Vin Lưu ý lượng đầu nhỏ lượng đầu vào, mạch boost converter dòng đầu phải nhỏ dòng đầu vào (do áp đầu lớn áp đầu vào) Mạch Buck-Boost (inverting): Mạch tạo điện áp trái dấu, với đầu vào DC (âm dương) điện áp đầu trái dấu với điện áp đầu vào có trị tuyệt đối lớn nhỏ điện áp đầu vào Sơ đồ nguyên lý sau: Downloaded by ng?c trâm (ngoctram201217@gmail.com) lOMoARcPSD|15963670 Hình Khi cơng tắc đóng, điện áp vào Vin khiến dịng qua cuộn dây tăng lên Lúc dòng cấp cho tải dịng tụ phóng Khi cơng tắc mở, điện áp vào Vin bị ngắt Dòng qua cuộn dây giảm dần khiến điện áp tăng lên Điện áp nạp vào tụ đồng thời mở thơng diode D dẫn dịng phóng từ cuộn dây cấp nguồn cho tải Nguồn flyback: Đây loại nguồn linh hoạt loại nguồn xung thông dụng, cho phép ta thiết kế nhiều đầu mức điện áp khác kể đầu điện áp âm Mạch flyback sử dụng nhiều hệ thống cung cấp lượng (mặt trời, gió…) từ đầu vào yêu cầu cho nhiều mức điện áp đầu theo yêu cầu hệ thống (thường +5V, +12V, -12V…) với hiệu suất cao Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn flyback sau: 10 Downloaded by ng?c trâm (ngoctram201217@gmail.com) lOMoARcPSD|15963670 Hình Đặc tính quan trọng mạch nguồn flyback cực tính cuộn sơ cấp thứ cấp Nếu ta muốn tạo điện áp dương cực tính cuộn dây phải ngược hình, ngược lại muốn tạo điện áp âm cực tính cuộn dây phải chiều Ta bàn vấn đề sau Nguyên tắc hoạt động sau:  Khi cơng tắc đóng, dịng qua cuộn sơ cấp tăng lên Xét cuộn sơ cấp lúc này, điện đầu có dấu chấm nhỏ so với đầu cịn lại dẫn đến cuộn thứ cấp có điều tương tự Điện đầu có dấu chấm cuộn thứ cấp nhỏ đầu dẫn đến điện áp âm đặt lên diode theo chiều thuận, diode bị khóa Nguồn cấp cho tải lúc tụ phóng  Khi cơng tắc mở, dòng qua cuộn sơ cấp giảm Cuộn sơ cấp lúc có điện đầu có dấu chấm lớn so với đầu lại, dẫn đến cuộn thứ cấp có điều tương tự Điện áp dương đặt lên diode theo chiều thuận Diode mở dẫn dòng từ cuộn thứ cấp nạp cho tụ đồng thời cấp cho tải Đây nguyên tắc hoạt động nguồn flyback 11 Downloaded by ng?c trâm (ngoctram201217@gmail.com) lOMoARcPSD|15963670 6/Phân tích ví dụ sơ đồ mạch cho biết vai trò, chế độ hoạt động linh kiện dùng mạch Đầu tiên điện áp AC qua mạch lọc nhiễu cao tần để loại nhiễu cao tần đường dây điện gây đánh chết cầu diode sau chỉnh lưu qua cầu diode biến thành điện áp chiều DC Sau san phẳng tụ lọc sơ cấp (thường sử dụng tụ 220uF/450V)  Điện áp sau chỉnh lưu có điện áp khoảng 300V (nếu điện áp AC vào 220V) hoặc150V (nếu điện áp AC vào 110V) sau qua điện trở mồi biến áp xung Điện áp qua điện trở mồi bị sụt áp để cấp nguồn vào chân Vcc IC nguồn Sau thời gian điện áp nguồn Vcc IC nguồn lấy từ mạch nguồn phụ biến áp xung Mạch nguồn phụ bao gồm diode điện trở trì để IC nguồn hoạt động  Khi IC nguồn hoạt động điều khiển Mosfet làm việc chế độ đóng mở để tạo từ trường bên sơ cấp tạo điện áp cảm ứng bên thứ cấp biến áp xung 12 Downloaded by ng?c trâm (ngoctram201217@gmail.com) lOMoARcPSD|15963670  Điện áp cảm ứng biến áp xung bên thứ cấp chỉnh lưu thành điện chiều san phẳng tụ lọc.Tùy vào mạch nguồn có điện áp mà có nhiêu diode tụ điện Điện áp bên thứ cấp kết nối với mạch lấy mẫu mạch phát điện áp lỗi để khống chế điện áp đầu Khi điện áp đầu tăng giảm báo IC nguồn để IC nguồn điều khiển mosfet khống chế điện áp Phân tích mạch DC: BỘ BIẾN ĐỔI BUCK Mạch buck mô Bộ chuyển đổi Buck đươc sử dụng mạch nguồn xung yêu cầu điện áp DC thấp điện áp vào DC Điện áp đầu vào DC lấy trực tiếp từ nguồn AC qua cầu diode tụ lọc nguồn cung cấp DC Chúng hoạt động theo ngun lí băm xung dùng khóa chuyển mạch điện tử (BJT Mosfet) để nối tải với nguồn thời gian theo chu kì T định Điện áp thay đổi theo chu kì T thời gian đóng cắt khóa chuyển mạch Mạch điện gồm linh kiện điện là: Khóa chuyển mạch điện tử, diode D1, cuộn dây L1 tụ điện C1 Khi Transistor dẫn dịng qua transistor dịng qua L1 nạp vào cho tụ điện trì dòng qua tải Dòng qua L1 dòng nạp vào tụ C1 không tăng đột ngột mà tăng từ từ điện áp tải tăng từ từ, lúc diode D1 khơng dẫn bị phân cực ngược Khi transistor tắt dòng qua tải lấy từ cuộn cảm L1 phần nhỏ tụ điện C1 (tụ phóng) lúc diode D1 dẫn dịng qua tải lúc dòng 13 Downloaded by ng?c trâm (ngoctram201217@gmail.com) lOMoARcPSD|15963670 qua diode Diode D1 bắt buộc phải có để bảo vệ transistor khỏi bị hỏng điện áp ngược đặt lên cắt dòng Điện áp ngược cuộn cảm L1 sinh cộng với nguồn E đánh chết tranistor Trong thực tế mạch buck không tạo điện áp dương mà cịn tạo điện áp âm, sơ đồ mạch điện gồm linh kiện khóa chuyển mạch, cuộn cảm L1, diode D1 C1 diode D1 với cuộn cảm L1 đổi chỗ cho đảo cực tụ hóa C1, ngun lí hoạt động giống hệt mạch buck tạo điện áp dương BỘ BIẾN ĐỔI BOOST Mạch boost mô Bộ chuyển đổi Boost đươc sử dụng mạch nguồn xung yêu cầu điện áp DC cao điện áp vào DC Bộ chuyển đổi có hai tản nhiệt điện cho biến tần lượng mặt trời: chuyển đổi tăng áp (bộ biến tần bước) đầu biến tần cho cầu chì EMC Bên cạnh IGBT, tổn hao tản nhiệt yếu tố định đến hiệu suất tổng thể biến tần Chúng hoạt động theo ngun lí băm xung dùng khóa chuyển mạch điện tử (BJT Mosfet) để nối tải với nguồn thời gian theo chu kì T định Điện áp thay đổi theo chu kì T thời gian đóng cắt khóa chuyển mạch Mạch gồm bốn linh kiện: Khóa chuyển mạch điện tử, diode D1, cuộn dây L1 tụ điện C1 14 Downloaded by ng?c trâm (ngoctram201217@gmail.com) lOMoARcPSD|15963670 Khi khóa đóng, trạng thái - sơ đồ mạch tương đương Khi Transistor dẫn dịng qua transistor dòng qua L1 nạp vào cho tụ điện trì dịng qua tải Dịng qua L1 dịng nạp vào tụ C1 khơng tăng đột ngột mà tăng từ từ điện áp tải tăng từ từ, lúc diode D1 không dẫn bị phân cực ngược Các phương trình dịng đó: Với VS điện áp vào, chọn điện áp vào VS = 30V Khi khóa ngắt, trạng thái - sơ đồ mạch tương đương: Khi transistor ngắt dòng qua tải lấy từ cuộn cảm L1 phần nhỏ tụ điện C1 (tụ phóng) lúc diode D1 dẫn dòng qua tải lúc dịng qua diode Diode D1 bắt buộc phải có để bảo vệ transistor khỏi bị hỏng điện áp ngược đặt lên cắt dịng Điện áp ngược cuộn cảm L1 sinh cộng với nguồn E đánh chết tranistor Các phương trình dịng lúc Mối quan hệ Vo Vs: Sự biến thiên dòng iL khóa đóng ngắt nhau: + 15 Downloaded by ng?c trâm (ngoctram201217@gmail.com) lOMoARcPSD|15963670 Với Vo điện áp đầu Muốn mạch có Vo75V hệ số D0,6 Ở chế độ dịng liên tục, ta có giản đồ áp dịng cuộn cảm, tụ điện: Tính dịng điện trung bình qua cuộn L, ta có IL: Chọn R = 1kΩ , Vs=30V hệ số D=0,6 IL = 0,1875A Điều kiện dịng qua L ln liên tục IL Nếu xét tai IL =0 ta giá trị L nhỏ (chọn ) Ta có giá trị Lmin=0,96H Ứng dụng thực tế mạch Boost: xe điện hybrid – giảm số lượng acquy đèn LED (3.3V) dùng boost để cấp nguồn từ pin 1.5V 16 Downloaded by ng?c trâm (ngoctram201217@gmail.com) lOMoARcPSD|15963670 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ BOOST 17 Downloaded by ng?c trâm (ngoctram201217@gmail.com) lOMoARcPSD|15963670 CHƯƠNG V: PHẦN KẾT LUẬN Nguồn xung dùng phổ biến có ưu điểm hiệu suất biến đổi lượng cao khả thay đổi linh hoạt thiết kế Chẳng hạn có nhiều đầu (output Voltage) với nhiều cực khác từ đầu vào đơn (single inout voltage), khả ổn định áp ngỏ ra, hạn chế tổn hao công suất đến mức tối thiểu, tránh nhiễu nguồn tượng dội áp nhiều nữa…Ngày nguồn ổn áp kiểu xung có điều khiển chiếm vị trí thống trị máy điện tử Đó chúng đảm bảo hiệu suất biến đổi cao, tiêu tán lượng thấp, điều khiển bật tắt thuận lợi, thiết kế mềm dẻo, trọng lượng không gian chiếm chỗ thấp 18 Downloaded by ng?c trâm (ngoctram201217@gmail.com) lOMoARcPSD|15963670 LỜI CẢM ƠN Sau chúng em hồn thành tập lớn việc tìm hiểu nguồn xung (DC/DC converter), từ chúng em hiểu thêm nhiều thiết bị chức sử dụng phụ kiện thiết yếu ngành manh chúng em học trau dồi kiến thức sau học trường Bên cạnh việc học hỏi thêm nhiều kiến thức, trình làm tập lớn chúng em học cách trao đổi công việc, cách lên ý tưởng cho làm mình, cách chọn lọc nguồn tư liệu cho làm, cách giải vấn đề khó lúc tập lớn hết học cách tôn trọng ý kiến suốt q trình làm việc nhóm Cuối chúng em muốn nói lời cảm ơn đến với Thầy Trần Trung Hiếu - Giảng viên môn Vật Lý Bán Dẫn ln tận tình giải đáp thắc mắc nhiệt tình giúp đỡ chúng em suốt trình học tập học kỳ vừa qua, chúng em chân thành cảm ơn Thầy 19 Downloaded by ng?c trâm (ngoctram201217@gmail.com)