Luận Văn nghiên cứu tính toán và thiết kế bộ nguồn áp xung trong bộ điều khiển đo dãy cao áp

LYÙ THUYEÁT CÔ BAÛN VEÀ OÅN AÙP
- Chöùc naêng cuûa moïi oån aùp DC vaø bieán ñoåi ñieän aùp vaøo DC ( moät chieàu)
thaønh ñieän aùp ra DC xaùc ñònh , oån ñònh vaø duy trì ñieän aùp ñoù khoâng ñoåi treân
moät taàm roäng cuûa caùc ñieàu kieän ñieän aùp vaøo vaø doøng taûi. Ñeå thöïc hieän vieäc
naøy, moät oån aùp thöôøng goàm coù.
1. “Phaàn töû chuaån” ñeå cung caáp moät möùc ñieän aùp ra oån ñònh bieát tröôùc
(V
REF
).
2. “Phaàn töû laáy maãu” ñeå laáy maãu ñieän aùp ra.
3. “Phaàn töû khueách ñaïi sai bieät” ñeå so saùnh maãu ñieän aùp chuaån vaø taïo ra
tín hieäu sai bieät.
4. “Phaàn töû ñieàu khieån” ñeå bieán ñoåi ñieän aùp ra thaønh ñieän aùp ra mong
muoán khi ñieàu kieän taûi thay ñoåi vaø ñöôïc ñieàu khieån baèng tín hieäu sai
bieät.
-Maëc duø maïch thaät söï coù söï thay ñoåi, nhöng coù 3 kieåu oån aùp cô baûn laø: OÅn
aùp noái tieáp, song song (shunt) vaø xung (coøn goïi laø giao hoaùn hay ngaén ñoaïn).
Nhöng 4 thaønh cô baûn ôû ñieàu coù ôû caû 3 kieåu oån aùp ñoù.
Hình 1.1 Sô ñoà khoái cuûa moät nguoàn oån aùp cô baûn
II.CAÙC THAØNH PHAÀN CUÛA OÅN AÙP
1. Phaàn töû chuaån.
-Phaàn töû chuaån laø neàn taûn cuûa taát caû caùc oån aùp vaø ñieän aùp ra ñöôïc ñieàu
khieån tröïc tieáp baèng ñieän aùp chuaån V
REF
. Nhöõng bieán ñoåi cuûa ñieän aùp chuaån
Phaàn töû
ñieàu khieån
Khueách ñaïi
sai bieät
REF
Ñieän aùp vaøo Ñieän aùp ra oån ñònh
Phaàn töû
chuaån
o
Phaàn töû
laáy maåu
Nguyeãn Vaên Ñöùc Luaän vaên toát nghieäp
Trang 2
qua khueách ñaïi sai bieät seõ laøm cho ñieän aùp ra thay ñoåi theo. Ñeå coù ñöôïc söï oån
ñònh nhö yeâu caàu, phaàn töû chuaån phaûi oån ñònh, ñoái vôùi moïi bieán ñoåi cuûa ñieän
aùp nguoàn vaø caùc nhieät ñoä tieáp xuùc coù nhieàu kyõ thuaät phoå bieán coù theå duøng giaûi
quyeát caùc baøi toaùn thieát keá duøng IC oån aùp.
2. Phaàn töû laáy maãu.
-Phaàn töû laáy maãu giaùm saùt ñieän aùp ra vaø ñoåi noù thaønh moät möùc ñieän aùp
baèng ñieän aùp chuaån khi ñieän aùp ra ñuùng. Khi noù coù söï thay ñoåi ñieän aùp laøm
cho ñieän aùp cho ñieän aùp hoài tieáp lôùn hôn hay nhoû hôn ñieän aùp chuaån. Hieäu soá
ñieän aùp cuûa ñieän aùp chuaån vaø ñieän aùp laáy maãu duøng ñeå ñieàu khieån oån aùp laøm
cho noù coù ñaùp öùng thíchhôïp vaø ñuùng vôùi yeâu caàu.
3. Khueách ñaïi sai bieät.
-Khueách ñaïi sai bieät cuûa oån aùp duøng ñeå so saùnh ñieän aùp hoài tieáp vôùi
ñieän aùp chuaån. Noù cuõng khueách ñaïi möùc sai bieät ñeå laùi maïch ñieàu khieån ñeå
ñöa ñieän aùp ra veà möùc ñaëttröôùc.
4. Phaàn töû ñieàu khieån.
a. Noái tieáp:
Vo=Vs -IL.Rs
b. Song song:
Vo =VI-(IL+Is).Rs
c. Xung:
Vo =Vs
Toff + Ton
Ton
Caáu hình cuûa phaàn töû ñieàu khieån
 Taát caû caùc phaàn töû ñaõ giôùi thieäu ôû treân haàunhö khoâng ñoåi ñoái vôùi caùc
maïch oån aùp. Traùi laïi thì phaàn töû ñieàu khieån thay ñoåi theo oån aùp seõ thieát keá.
Rs
Vs Vo
Rs
R
Is
Nguyeãn Vaên Ñöùc Luaän vaên toát nghieäp
Trang 3
-Ngöôøi ta döïa vaøo phaàn töû naøy ñeå phaân loaïi oån aùp noái tieáp, song song
hay oån aùp xung(switching).
II. PHAÂN LOAÏI OÅN AÙP.
1. OÅn aùp noái tieáp
 OÅn aùp noái tieáp coù teân laø “noái tieáp” laø döïa vaøo phaàn töû ñieàu khieån, ôû oån
aùp naøy phaàn töû ñieàu khieån maéc noái tieáp vôùi taûi. Phaàn töû ñieàu khieån thöôøng laø
moät transistor vaø noù coù chöùc naêng nhö moät ñieän trôû thay ñoåi ñöôïc(Rs). Tích soá
cuûa Rs vaø doøng taûi IL laøm cho sai bieät ñieän aùp vaøo ra(Vi-Vo) thay ñoåi vaø ñieän
aùp naøy boå chính cho ñieän aùp vaøo vaø doøng taûi thay ñoåi.
 OÅn aùp noái tieáp cô baûn ñöôïc minh hoïa nhö hình veõ sau:
Vo =Vref(1+R1/R2)
Vôùi :Vref laø ñieän aùp chuaån
 Baát lôïi cô baûn cuûa oån aùp noái tieáp laø: Coâng suaát tieâu thuï cuûa noù phuï
thuoäc vaøo doøng taûi vaø sai bieät ñieän aùp vaøo ra. Coâng suaát tieâu thuï seõ trôû neân
ñaùng keå khi doøng taûi taêng hay hieäu soá ñieän aùp vaøo ra taêng.
2. OÅn aùp song song.
 OÅn aùp song song duøng linh kieän tích cöïc maéc song song vôùi taûi vaø ñieàu
khieån doøng dieän qua noù ñeå buø caùc bieán ñoäng cuûa caùc ñieän aùp vaøo hay caùc
ñieàu kieän taûi thay ñoåi.
 OÅn aùp song song cô baûn döôïc minh hoïa nhö hình veõ sau:
Vref
R1
Nguyeãn Vaên Ñöùc Luaän vaên toát nghieäp
Trang 4
Vôùi -Vref
: ñieän aùp chuaån
-IL: doøng taûi
-I
shunt
: doøng qua phaàn töû ñieàu khieån
-Khi doøng IL taêng, Ishunt giaûm ñeå ñieàu chænh suït aùp qua Rs. Theo caùch
naøy thì Vo giöõ khoâng ñoåi.
-Vo=VI-Is.Rs
-Vôùi Is=IL+Ishunt
-Vo=VI-Rs(IL+Ishunt)
 Rshunt: bieåu dieãn ñieän trôû töông ñöông cuûa phaàn töû ñieàu khieån.
*Öu nhöôïc ñieåm:
-Maëc duø oån aùp naøy thoâng thöôøng ít höõu hieäu hôn oån aùp noái tieáp hay oån aùp
xung, nhöng ñoái vôùi moät soá öùng duïng noù laïi coù lôïi. OÅn aùp song song ít nhaïy
vôùi nhöõng bieán ñoåi töùc thôøi cuûa ñieän aùp vaøo, noù khoâng phaûn aùnh nhöõng bieán
ñoåi nhaát thôøi cuûa doøng taûi trôû veà nguoàn.
3.Caùc vi maïch oån aùp DC tuyeán tính.
-Caùc vi maïch oån aùp DC tuyeán tính ñöôïc söû duïng raát roäng raûi do nhöõng öu
ñieåm cuûa noù nhö :Tích hôïp toaøn boä linh kieän trong moät voû kích thöôùc beù,
khoâng caàn söû duïng hoaëc chæ söû duïng theâm moät vaøi linh kieänngoaøi ñeå taïo
maïch hoaøn chænh, maïch baûo veä quaù doøng, quaù nhieät coù saún beân trong vi maïch
Moät trong nhöõng loïai vi maïch oån aùp DC tuyeán tính thoâng duïng laø hoï vi
maïch 78xx ( oån aùp döông) vaø oån aùp 79xx(oån aùp aâm) coù ba chaân. Tuøy theo
hình daïng voû, caùc vi maïch oån aùp ba chaân coù theå cung caáp doøng töø 100mA ñeán
1A vaø cho ñieän aùp ra coá ñònh ôû nhieàu giaù trò khaùc nhau töông öùng vôùi maõ soá:
-Daïng maïch ñieän duøng vi maïch oån aùp ba chaân.
-Trong ñoù Ci ñöôïc theâm vaøo khi vi maïch ñaët xa nguoàn chænh löu vaø loïc
ñeå oån ñònh ñieän aùp ngoõ vaøo; Co ñeå loïc nhieãu cao taàn.
-Tuy nhieân ñeå vi maïch hoaït ñoäng toát thì ñieän aùp ngoõ vaøo toái thieåu phaûi cao
hôn ñieän aùp ngoõ ra 2V. Ñaây laø moät giôùi haïn cuûa vi maïch oån aùp tuyeán tính
78XX
(79XX)
V I
V
o
Co Ci
Nguyeãn Vaên Ñöùc Luaän vaên toát nghieäp
Trang 5
4.Nguoàn oån aùp xung
-Sô ñoà minh hoïa nguyeân lyù hoïat ñoäng cuûa nguoàn oån aùp xung.
-Khi coâng taéc hôû, naêng löôïng tích tröõ ban ñaàu trong maïch loïc ñöôïc caáp
cho taûi.Khi ñieän aùp treân taûi giaûm daàn ñeán luùc ngoõ ra maïch so saùng ñoåi traïng
thaùi, coâng taéc ñoùng laïi. Doøng ñieän töø nguoàn vaøo Vs cung caáp naêng löôïng cho
taûi vaø tích tröõ trong maïch loïc. Do ñoù VL taêng, laøm ngoõ ra maïch so saùnh ñaûo
traïng thaùi ñeåmôû coâng taéc. Töông töï khi doøng taûi taêng, maïch so saùnh seõ ñieàu
khieån coâng taéc trong thôøi gian laâu hôn so vôùi thôùi gian môû coâng taéc ñeå duy trì
ñieän aùp ra oån ñònh; ngöôïc laïi, thôøi gian coâng taéc môû seõ laâu hôn thôøi gian ñoùng
khi doøng taûi beù.
-Phaàn töû ñieàu khieån (transistor) noái tieáp laùi doøng trong nguoàn oån aùp
xung hoaït ñoäng ôû cheá ñoä ñoùng ngaét neân coâng suaát tieâu taùn raát beù so vôùi
transistor laùi doøng ôû nguoàn oån aùp tuyeán tính phaûi daãõn ñieän lieân tuïc, nhaát laø khi
ñieän aùp vaøo lôùn hôn ñieän aùp ra. Do ñoù hieäu suaát cuûa nguoàn oån aùp xung
(khoaûng 85%) cao hôn hieäu suaát cuûa nguoàn oån aùp tuyeán tính. Vieäc chon
transistor laùi doøng vaø toûa nhieät cho noù ñoái vôùi nguoàn oån aùp xung seõ ñôn giaûn
hôn nhieàu so vôùi nguoàn oån aùp tuyeán tính, vôùi cuøng möùc coâng suaát ra taûi
-Trong thöïc teá, coâng taéc transistor ñöôïc ñieàu khieån baèng moät nguoàn dao
ñoäng taàn soá coá ñònh, coù chu kyø nhieäm vuï D=
T
Ton
ñöôïc ñieàu bieán bôûi ñieän aùp
ngoõ ra maïch so saùnh. Taàn soá ñoùng môû coá ñònh cuûa coâng taéc transistor cho
pheùp toái öu hoùa caùc thaønh phaàn loïc, giaûm ñöôïc ñoä gôïn soùng ngoõ ra. Taàn soá
dao ñoäng coù theå töø vaøi Khz ñeán vaøi chuïc Khz, tuøy theo ñaùp öùng cuûa transistor
laùi.
-Ngaøy nay, ta coù nhöõng loaïi MOS vaø BJT coâng suaát lôùn coù ñaùp öùng cao
hôn 500Khz, neân coù theå taêng taàn soá dao ñoâng cao hôn ñeå giaûm ñöôïc kích
thöôùc maïch loïc ngoõ ra.
Taûi
KÑ
sai
leäch
So
saùnh
Vref
Is
Io
Vo
Vs
Coâng taéc
(transistor)
Maïch loïc
( LC )
+
-+
-
Nguyeãn Vaên Ñöùc Luaän vaên toát nghieäp
Trang 6
-Sô ñoà khoái minh hoïa cuûa moät nguoàn oån aùp xung ñieàu khieån baèng taàn
soá coá ñònh.
-Khoái so saùnh va økhueách ñieän aùp sai leäch thöïc hieän vieäc so saùnh ñieän
aùp ra Vo vôùi ñieän aùp chuaån Vref taïo ra tín hieäu Ve. Tín hieäu naøy cuøng vôùi
ñieän aùp hình raêng cöa Vosc do boä taïo soùng taïo ra (coù fo=1/T) ñöôïc so saùnh vôùi
nhau trong khoái ñieàu khieån ñoä roäng xung taïo ra chuoåi Ve duøng ñeå ñieàu khieån
söï ñoùng môû cuûa khoùa transistor.
-Khi Vosc >Ve, tín hieäu ôû möùc cao(Ton).
-Khi Vosc<Ve, tín hieäu ôû möùc thaáp(Toff).
T=Ton+Toff
T: chu kyø ñoùng ngaét
Ton: thôøi gian ñoùng
Toff: thôøi gian ngaét.
-Nhö vaäy khi ñieän aùp Vo coù khuynh höôùng taêng hoaëc doøng taûi beù, ñieän
aùp Ve taêng, thì Ton giaûm. Do ñoù, khoùa transistor seõ taét trong thôøi gian daøi hôn,
khieán Vo giaûm xuoáng.
KÑ
sai
leäch
Taûi
Maïch chænh
löu vaø loïc
Taïo soùng
raêng cöa
Khoùa
BJT
Ñieän aùp
chuaån
Maïch loïc
( LC )
Ve
VI
Vc
VL
+
Ve
Ton
T
Vosc
Vc
Nguyeãn Vaên Ñöùc Luaän vaên toát nghieäp
Trang 7
-Khi Vo giaûm hoaëc doøng taûi taêng, Ve giaûm thì Ton taêng.
 Keát luaän:Töø nhöõng öu ñieåm ñaõ phaân tích ôû treân cuûa oån aùp xung, neân
ta choïn kieåu oån aùp xung ñeå thieát keá maïch oån aùp 5V/10A; -15V/3A;+15V/3A
vôùi muïc ñích laø seõ lôïi duïng ñöôïc nhöõng öu ñieåm ñoù.
Nguyeãn Vaên Ñöùc Luaän vaên toát nghieäp
Trang 8
Chöông II:
NGUOÀN OÅN AÙP XUNG
A. LINH KIEÄN ÑOÙNG NGAÉT
-OÅn aùp xung thöôøng ñöôïc söû duïng hai linh kieän baùn daãn ñoùng ngaét
thoâng thöôøng nhö: thyristor (SCR),transistro coâng suaát hay transistor tröôøng.
I. Ñoùng ngaét baèng SCR
-Söï baát lôò khi duøng linh kieän ñoùng môû baèng SCR laø chuùng ta ñieàu
khieån caû hai quaù trình kích khôûi vaø ngaét cuûa SCR. Vì vaäy laøm phöùc taïp theâm
trong quaù trình ñieàu khieån vaø haïn cheá vieäc naâng cao taàn soá.
-Theo nguyeân lyù SCR seõ töï duy trì traïng thaùi daãn ñieän sau khi ñöôïc
kích. Muoán SCR ñang ôû traïng thaùi daãn chuyeån sang traïng thaùi taét thì phaûi cho
IG=0 vaø ñieän theá VAK=0v. ñeå SCR coù theå taét ñöôïc thì thôøi gian VAK=0 ñuû daøi.
Vaäy phaûi coù theâm thôøi gian taét SCR.
-Ñeå SCR daãn ñieän trong tröôøng hôïp ñieän theá VAKthaáp thì phaûi coù doøng
ñieän kích cöïc G cuûa SCR. Doøng IGmin laø trò soá doøng kích nhoû nhaát ñuû ñeå ñieàu
khieån SCR daãn vaø IG min coù trò soá lôùn hay nhoû tuøy thuoäc coâng suaát cuûa SCR.
Neáu SCR caøng lôùn thì IGmin caøng lôùn.
-Vôùi:
-t
off
=t
It = 0
+t
off SCR
-t
It
=0: thôøi gian doøng giaûm xuoáng 0
-t
off SCR
: thôøi gian taét SCR.
-toff
: thôøi gian töø luùc taùc ñoäng ñeán SCR taét
*Caùc phöông phaùp ngaét:
a. Ngaét nguoàn ñieän aùp VAK ra khoûi SCR (caùch naøy thöôøng khoâng ñöôïc söû
duïngvì phaûi toán hao naêng löôïng ngaét, toác ñoä laøm vieäc chaäm)
b. Giaûm doøng qua SCR xuoáng döôùi giaù trò doøng duy trì IH(phöông phaùp
ñaûo löu eùp)