Đồ án tính toán và thiết kế nguồn ổn áp xung

Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Văn Đức BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG…………… LUẬN VĂN Tính tốn thiết kế nguồn ổn áp xung Trang Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Văn Đức Chương I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ỔN ÁP DC I LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ ỔN ÁP - Chức ổn áp DC biến đổi điện áp vào DC ( chiều) thành điện áp DC xác định , ổn định trì điện áp khơng đổi tầm rộng điều kiện điện áp vào dòng tải Để thực việc này, ổn áp thường gồm có “Phần tử chuẩn” để cung cấp mức điện áp ổn định biết trước (VREF) “Phần tử lấy mẫu” để lấy mẫu điện áp “Phần tử khuếch đại sai biệt” để so sánh mẫu điện áp chuẩn tạo tín hiệu sai biệt “Phần tử điều khiển” để biến đổi điện áp thành điện áp mong muốn điều kiện tải thay đổi điều khiển tín hiệu sai biệt - Mặc dù mạch thật có thay đổi, có kiểu ổn áp là: Ổn áp nối tiếp, song song (shunt) xung (cịn gọi giao hốn hay ngắn đoạn) Nhưng thành điều có kiểu ổn áp Điện áp vào Phần tử điều khiển Điện áp ổn định Phần tử chuẩn REF Khuếch đại o sai biệt Phần tử lấy mẩu Hình 1.1 Sơ đồ khối nguồn ổn áp II.CÁC THÀNH PHẦN CỦA ỔN ÁP Phần tử chuẩn -Phần tử chuẩn tản tất ổn áp điện áp điều khiển trực tiếp điện áp chuẩn VREF Những biến đổi điện áp chuẩn qua khuếch đại sai biệt làm cho điện áp thay đổi theo Để có ổn định yêu cầu, phần tử chuẩn phải ổn định, biến đổi điện áp nguồn nhiệt độ tiếp xúc có nhiều kỹ thuật phổ biến dùng giải toán thiết kế dùng IC ổn áp Trang Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Văn Đức Phần tử lấy mẫu -Phần tử lấy mẫu giám sát điện áp đổi thành mức điện áp điện áp chuẩn điện áp Khi có thay đổi điện áp làm cho điện áp cho điện áp hồi tiếp lớn hay nhỏ điện áp chuẩn Hiệu số điện áp điện áp chuẩn điện áp lấy mẫu dùng để điều khiển ổn áp làm cho có đáp ứng thích hợp với yêu cầu Khuếch đại sai biệt -Khuếch đại sai biệt ổn áp dùng để so sánh điện áp hồi tiếp với điện áp chuẩn Nó khuếch đại mức sai biệt để lái mạch điều khiển để đưa điện áp mức đặt trước Phần tử điều khiển a Nối tiếp: Rs Vo=Vs -IL.Rs b Song song: Vs R Vo Vo =VI-(IL+Is).Rs Is Rs c Xung: Vo =Vs Ton Ton + Toff Cấu hình phần tử điều khiển  Tất phần tử giới thiệu không đổi mạch ổn áp Trái lại phần tử điều khiển thay đổi theo ổn áp thiết kế Người ta dựa vào phần tử để phân loại ổn áp nối tiếp, song song hay ổn áp xung(switching) II PHÂN LOẠI ỔN ÁP Ổn áp nối tiếp  Ổn áp nối tiếp có tên “nối tiếp” dựa vào phần tử điều khiển, ổn áp phần tử điều khiển mắc nối tiếp với tải Phần tử điều khiển thường transistor có chức điện trở thay đổi được(Rs) Tích số Rs Trang Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Văn Đức dòng tải IL làm cho sai biệt điện áp vào ra(Vi-Vo) thay đổi điện áp bổ cho điện áp vào dòng tải thay đổi  Ổn áp nối tiếp minh họa hình vẽ sau: Vo =Vref(1+R1/R2) Với :Vref điện áp chuẩn  Bất lợi ổn áp nối tiếp là: Công suất tiêu thụ phụ thuộc vào dịng tải sai biệt điện áp vào Công suất tiêu thụ trở nên đáng kể dòng tải tăng hay hiệu số điện áp vào tăng Ổn áp song song  Ổn áp song song dùng linh kiện tích cực mắc song song với tải điều khiển dòng diện qua để bù biến động điện áp vào hay điều kiện tải thay đổi  Ổn áp song song dược minh họa hình vẽ sau: 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 Vo giữ khơng đổi -Vo=VI-Is.Rs -Với Is=IL+Ishunt -Vo=VI-Rs(IL+Ishunt)  Rshunt: biểu diễn điện trở tương đương phần tử điều khiển Trang Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Văn Đức *Ưu nhược điểm: -Mặc dù ổn áp thơng thường hữu hiệu ổn áp nối tiếp hay ổn áp xung, số ứng dụng lại có lợi Ổn áp song song nhạy với biến đổi tức thời điện áp vào, khơng phản ánh biến đổi thời dòng tải trở nguồn 3.Các vi mạch ổn áp DC tuyến tính -Các vi mạch ổn áp DC tuyến tính sử dụng rộng rải ưu điểm :Tích hợp tồn linh kiện vỏ kích thước bé, không cần sử dụng sử dụng thêm vài linh kiện để tạo mạch hoàn chỉnh, mạch bảo vệ q dịng, q nhiệt có sẳn bên vi mạch … Một lọai vi mạch ổn áp DC tuyến tính thơng dụng họ vi mạch 78xx ( ổn áp dương) ổn áp 79xx(ổn áp âm) có ba chân Tùy theo hình dạng vỏ, vi mạch ổn áp ba chân cung cấp dòng từ 100mA đến 1A cho điện áp cố định nhiều giá trị khác tương ứng với mã số: -Dạng mạch điện dùng vi mạch ổn áp ba chân VI 78XX (79XX) Ci Vo Co -Trong Ci thêm vào vi mạch đặt xa nguồn chỉnh lưu lọc để ổn định điện áp ngõ vào; Co để lọc nhiễu cao tần -Tuy nhiên để vi mạch hoạt động tốt điện áp ngõ vào tối thiểu phải cao điện áp ngõ 2V Đây giới hạn vi mạch ổn áp tuyến tính 4.Nguồn ổn áp xung -Sơ đồ minh họa nguyên lý họat động nguồn ổn áp xung Công tắc (transistor) + Is Vs - Io + Mạch lọc ( LC ) So sánh KĐ sai Vref lệch Vo Tải - -Khi cơng tắc hở, lượng tích trữ ban đầu mạch lọc cấp cho tải.Khi điện áp tải giảm dần đến lúc ngõ mạch so sáng đổi trạng thái, cơng tắc đóng lại Dòng điện từ nguồn vào Vs cung cấp lượng cho tải Trang Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Văn Đức tích trữ mạch lọc Do VL tăng, làm ngõ mạch so sánh đảo trạng thái để mở cơng tắc Tương tự dịng tải tăng, mạch so sánh điều khiển công tắc thời gian lâu so với thới gian mở công tắc để trì điện áp ổn định; ngược lại, thời gian công tắc mở lâu thời gian đóng dịng tải bé -Phần tử điều khiển (transistor) nối tiếp lái dòng nguồn ổn áp xung hoạt động chế độ đóng ngắt nên cơng suất tiêu tán bé so với transistor lái dòng nguồn ổn áp tuyến tính phải dẫn điện liên tục, điện áp vào lớn điện áp Do hiệu suất nguồn ổn áp xung (khoảng 85%) cao hiệu suất nguồn ổn áp tuyến tính Việc chon transistor lái dịng tỏa nhiệt cho nguồn ổn áp xung đơn giản nhiều so với nguồn ổn áp tuyến tính, với mức công suất tải -Trong thực tế, công tắc transistor điều khiển nguồn dao động tần số cố định, có chu kỳ nhiệm vụ D= Ton điều biến điện áp ngõ T mạch so sánh Tần số đóng mở cố định cơng tắc transistor cho phép tối ưu hóa thành phần lọc, giảm độ gợn sóng ngõ Tần số dao động từ vài Khz đến vài chục Khz, tùy theo đáp ứng transistor lái -Ngày nay, ta có loại MOS BJT cơng suất lớn có đáp ứng cao 500Khz, nên tăng tần số dao đông cao để giảm kích thước mạch lọc ngõ VI Khóa BJT Mạch chỉnh lưu lọc Mạch lọc ( LC ) VL Vc Ve + Tạo sóng cưa Vosc Tải KĐ sai lệch Điện áp chuẩn Vc Ve Ton T Trang Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp -Sơ đồ khối minh họa nguồn ổn áp xung điều khiển tần số cố định -Khối so sánh va khuếch điện áp sai lệch thực việc so sánh điện áp Vo với điện áp chuẩn Vref tạo tín hiệu Ve Tín hiệu với điện áp hình cưa Vosc tạo sóng tạo (có fo=1/T) so sánh với khối điều khiển độ rộng xung tạo chuổi Ve dùng để điều khiển đóng mở khóa transistor -Khi Vosc >Ve, tín hiệu mức cao(Ton) -Khi Voscd = 1,4 mm Vậy đường kính dây thứ cấp (5V/10A) : d = 1,4 mm 15V/3A : Ta có Is(rms) = 0,632 = 1,896 A Ascm = 316 = 948 Tiết diện dây tính in Asci = 948 ( /4) 10 -6 = 0,000744 in2 Trang 54 Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Văn Đức Tiết diện dây tính cm2 Asc = Asi 645.16 = 0,00479 cm Tiết diện dây tính mm2 Asm = 0,479 mm2 Đng kíng dây d = 0,78 mm 8.Tiết diện khung quấn dây : Abi = 0,14 in2 => Abi = 0,14 6,4516 = 0,9 cm2 III.THIẾT KẾ BỘ LỌC NGỎ RA ; A-5V/10A : -Cuộn lọc ngỏ ra(Lo) Lo= 0,5.V0 T / I0 Với V0 = Vdc Ở ngỏ : Vo = 5V T = 1/f ; f = 62 KHz Ion = Idc = 10 A 0,5 => Lo = = H 10 62 103 -Tụ lọc ngỏ (Co) Ta có : dI = Idc Với Idc = 1/10 Idc Biên độ dòng điện đỉnh đỉnh gợn sóng cuộn dây : dI = A Điện áp gộn sóng đỉnh đỉnh Vr = Ro dI Ro : Điện trở tương đương Ro thườngng nhỏ, chọn Ro = 0,05 Vr = 0,05 = 0,1 V Co = 80 16-6 dI / Vr = 1600 F B- 15 V / 3A : Cuộn lọc ngỏ : Lo 0,5 Vo T Lo = 0,5 15 = 40 H = Io 62 103 Với Ion = Idc = 3A Trang 55 Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Văn Đức T = 1/f ; f = 62 KHz Tụ lọc ngỏ Co : Ta có dI = Idc Với Idc = Idc/10 dI = 0,6 A Điện áp gợn sóng đỉnh : Vr = Ro dI Chọn Ro = 0,05  : Điện trở tuong đuong Vr = 0,05 0,6 = 0,03 V 80 10-6 0,6 80 10-6 di Co = = 1600 F = Vr 0,03 Chọn C = 1600 F IV.THIẾT KẾ MẠCH NẮN LỌC NGỎ VÀO : 1.CẦU DIODE : Mạch nắn lọc ngõ vào đuợc thiết kế theo mạch hình vẽ Điện áp nguồn lưới đặt trực tiếp vào cầu nắn nên diode phải chịu điện áp ngược cao Trị số đỉnh điện áp : Vp = 220 1,414 = 311 V Trị số đỉnh điện áp nguọc đặt lên diode : Vin = 311 1,57 = 448 V Nếu dự trữ thêm 10% ta cần chọn diode chịu đuọc áp nguợc cho phép 600 V Từ nhận xét ta thấy Diode 1N4007 thích hợp, có điện áp nguợc Vin = 1000V Dòng điện bảo hòa nguọc Is = A Dòng điện thuận cực đại IF max = A Diode 1N4007 loại diode thông dụng, có nhiều thị trường, giá kinh tế Nên ta chọn cầu Diode 1N4007 2.Tụ lọc : Vì mạch ổn áp xung , nên điện áp ngõ lọc ngõ ra, nên vấn đề lọc ngõ vào có độ gợn sóng cao lên đến 25 – 40 % ta có : = Trang 56 Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Văn Đức 23fRC với  : độ gợn sóng ( % ) = 192,45  F C= 3fRC với  = 30 % , f = 50 Hz , R = 100 K Thực tế ta chọn C = 220 F V.MẠCH ĐIỀU KHIỂN : Mạch điều khiển độ rộng xung với tần số cố định đuọc xây dựng để thực việc điều khiển nguồn switching Nó đuọc thiết kế theo khối rời hay đượcc tích hợp IC Nếu thiết kế theo khối rời nguồn phức tạp, độ xác khơng cao ,diện tích chiếm chổ lớn Vì ta chọn IC để khắc phục nhược điểm Có nhiều loại IC điều khiển độ rộng xung :SG 1524,UC 1846, TL 494, TL 495 Nhưng TL 494 có nhiều thị trường, giá thành rẻ, nên ta chọn IC TL 494 Mô tả IC TL 494 : IC TL 494 bao gồm dao động cưa tuyến tính với tần số xác định thành phần bên RT CT Tần số dao động : f = 1,1 / ( RT CT ) Ngỏ mạch điều chế độ rộng xung thực so sánh sóng cưa với tín hiệu điều khiển đưa đến cổng NOR sau suất transistor Q1 Q2 Tín hiệu suất đến Q1,Q2 xảy tín hiệu cưa lớn so với tín hiệu vào Vì việc tăng biên độ tín hiệu điều khiển làm giảm độ rộng xung ( xin tham khảo sơ đồ vẽ dạng sóng IC TL494 ) Tín hiệu điều khiển bên đưa vào đuọc cung cấp cho mạch deadtime Tín hiệu điều khiển đưa vào mạch khuếch đại sai lệch ngỏ vào feedback Mạch so sánh điều khiển độ rộng xung so sánh điện áp đưa từ bên vào xung có độ rộng xung tùy thuộc vào điện ngỏ vào.Thời gian hoạt động xung tùy thuộc vào thời gian dead-time độ rộng xung mạch so sánh PWM IC TL 494 có điện ổn áp bên 5V với dòng 10 mA đưa chân số 14 để làm điện áp chuẩn Như nói tần số dao động định RT CT ,thực tế mạch C36 R36 fosc = 62 KHz Trang 57 Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Văn Đức Ta có fosc = R36.C36 = 62 KHz Chọn R36 = 18 K Thay giá trị vào ta đuọc C36 = 958 pF = 1000 pF Dòng IC 494 10 mA áp cung cấp cho mạch 5V R42 = 5/10 = 0,5 K Chọn R42 = 1K Q3 ( C 945 ) Q4 ( C 945 ) transistor tầng driver : C 945 có đặc tính kỹ thuật sau : BVCBO = 70 V BVCEO = 70 V BVEBO = V Tính R18 ,ta có : R18 VBQ4 = Vcc R17 + R18 Khi Q4 dẩn ,ta có VBQ4 = 0,6 V , Vcc = V Chọn R18 = K Thay giá trị vào công thức ta đuọc R17 = 4,2 K Chọn R17 = 3,9 K Bằng cách dùng công thức áp dụng cho Q3 với điện trở phân cực R21 R19 ( chọn R21 = 3,9 K ) ta có : R19 = 1,2 K Thực tế chọn R19 = 1,5 K Ap dụng cho Q6 ta đuọc kết R39 = 39 K R40 = K Thông số kỹ thuật transistro A 733 ( Q5 ) BVCBO = 100 BVCEO = 80 BVEBO = Ic max = 0,5 A Trang 58 Luaän văn tốt nghiệp Nguyễn Văn Đức P = 0,5 W ,  =120 -Ở chế độ Q5 bắt đầu dẩn dịng Ic = 0,12 mA nên ta có IBQ5 = Ic /  = mA Nên R41 = ( 5-VBEQ1 ) / IBQ1 Với VBEQ1 = 0,2 V =>IBQ1 = mA -Thay giá trị vào ta : R41 = 4,8 K -Thực tế chọn R41 = 4,7 K -Tính tụ liên lạc C5: Ta có : Ipft 0,8 T/2 C5 = Ipft 0,8 T/2 = dV 10 % VCQ1 Với Ipft = 1,42 A ( tính tốn phần đầu ) VCQ1 = 150 V => C5 = 0,6 F Chọn C5 = F VI.TRANSISTOR NGẮT DẪN : Vì chế độ Half-Bridge converter nên điện áp nguọc C-E : VBCE = 220 1,414 1,21 = 376,5 V Trong 1,21 hệ số dự phịng ,nên ta chọn transistor có điện áp nguọc nằm khoảng Theo lý luận ta chọn transistor C 4242 thơng số C 4242 đáp ứng yêu cầu Thông số kỹ thuật C 4242 : VCBO = 700 V VEBO = V VCEO = 4000 V I=2A Hệ số  = 20 Bình thường Q1 chưa dẫn có điện mồi từ 0,2 đến 0,4 V để cần kích điện nhỏ tương ứng 0,4 V hay 0,2 V transisitor dẫn Bình thường dịng cực B Q1 chế độ mồi nhỏ , khoảng vài microA nên để dịng qua R6 phân cực cho Q1 dịng qua phải lớn gấp nhiều lần so với 0,2 A Đây dịng phân cực cho Q1 IBQ1 = 0,2 100 = 0,2 mA Trang 59 Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Văn Đức Lúc : R6 = UBEQ1/IBQ1 = 0.6 / 0.2 = K Thực tế chọn Tính R9 : R6 = 2,7 K Ta có VCQ2 R9 VBQ2 = R7 + R9 Chọn R7 = 330 K , UBQ2 = 0,6 V Thay số vào công thức ta đuọc R9 = 2,1 K Thực tế chọn R9 = 2,7 K Trang 60 Luận văn tốt nghiệp Nguyễn Văn Đức SƠ ĐỒ NGUN LÝ Trang 61 Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp -NGUN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ NGUỒN ỔN ÁP XUNG 5V/10A,  15V/3A : Khi cung cấp nguồn điện AC vào , nguồn điện vào D5 nắn tạo điện áp mồi thông qua R4, đến cực B Q1( C4242) làm Q1 dẫn tạo điện cảm ứng qua cuộn thứ cấp biến áp xung nhờ D14 nắn tụ lọc C19 lọc tạo thành điện áp đưa đưa vào chân số 12 IC TL494 làm cho IC494 ± dao động đưa điện áp dao động cho Q3 ( C945) kích thích dao động cho Q1 Q2 -Nhờ xung Dead-Time Q2 dẫn làm cho điện thứ cấp biến áp xung cao -IC TL494 IC điều khiển độ rộng xung Nguyên lý điều rộng xung giải thích sau: +Chân số cung cấp điện áp VREF =2,5V +Chân số đưa điện áp dò sai lấy từ Vout +Chân số áp vào điện để khống chếthời gian Dead – Times khoảng 0,4V -Điện áp ngõ phản hồi so sánh với điện áp chuẩn Nếu có sai lệch tín hiệu ngõ khuếch đại sai lệch điều khiển độ rộng xung ngõ chân chân 10 IC TL494 Tín hiệu ngõ chân phản hồi kích cho Q3 Q4 dẫn hay ngắt để điều khiển thời gian Ton Transistor giao hoán Q1 Q2  Mạch bảo vệ dòng áp:  Bảo vệ dịng : Vì lý mà dịng điện ngõ tăng lên đột ngột ( cao dòng điện định mức ).Dòng qua điện trở 1K ,và làm phân cực điện áp D5 Lúc xuất điện áp phân cực cho Q6  làm Q6 dẫn  Q5 dẫn tạo điện 5V chân IC 494 nhìn vào cấu tạo bên IC ,ta thấy chân 5V điều có nghĩa ngõ mạch so sánh Dead Times 5V (tương đương mức ) lúc khơng có dao động ngõ  Mạch tự cúp lại không hoạt động  Bảo vệ q áp: Vì lý điện áp ngõ vào tăng cao giá tri định mức Thì điện áp phía thứ cấp tăng cao làm phân cưc D6 ,lúc xuất điện áp phân cực cho Q6 Bằng cách lý luận tương tự phần bảo vệ dòng Mạch tự cúp lại (không hoạt động nữa) Trang 62