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

L tVS 21 ..  Vo C R + - D cV V mD i i 1 =Vo + Vs L Qs I i 1 Control circuit Vo - - L,L Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 20 -Thay t1= DTvà t2 = ( 1 - D) T -Điện áp trung bình ngõ ra : Vo = - D DVS 1 . ( 2-15 ) -Với D là hệ số chu kỳ -Giả sử mạch không tổn hao : VSIS = VO.IO = VS.Ia. D/ ( 1 - D ) -Dòng trung bình ngõ vào : IS quan hệ với dòng trung bình ngõ ra IO : IS= Io. D -T : Chu kỳ ngắt dẫn T = OSO L S L VV VsVoLI V I V Itt f . )(.1 21       - Và dòng gợn sóng đỉnh đỉnh : I = )( . 0 SO S VVfL VV  I = Lf DVS . . - Dòng xả trung bình của tụ IC = Io -Và điện áp gợn sóng đỉnh- đỉnh của tụ là : VC = C IotdtI C dtI C t O t C 1 00 11 11   (2-16 ) Hay : VC = CfVV VoIo SO .)( .  VC = Cf DIO . - Ưu, nhược điểm chung của 3 loại : Buck, Boost, Buck - Boost convertes. * Ưu điểm : -Cả ba converter đều không sử dụng biến áp nên diện tích chiếm chỗ của bộ nguồn nhỏ. *Nhược điểm : -Sự phản hồi của điện áp ổn định ngõ ra chung DC với sự phản hồi của ngõ vào DC chưa lọc. Nhưng vì người sử dụng thường cần có điện áp DC ngõ ra ổn định thứ hai mà phải được cách điện DC với điện áp ngõ ra ổn định thứ nhất. Vì vậy khó có thể thiết kế được nhiều ngõ ra cho bộ nguồn. Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 21 IV. PUSH - PULL CONVERTER Mạch Push - Pull như sơ đồ sau: - Nó gồm 1 biến áp T1 với nhiều cuộn thứ cấp NS1, NS2, Nm và một mạch điều khiển độ rộng xung bằng điện áp DC. Các ngõ ra điện áp VS1 ,Vs2, Vm và lấy tín hiệu phản hồi về từ Vm. Ton được điều chỉnh để ngăn chặn sự thay đổi tải hay nguồn cung cấp. Vce(Q ) Ic(Q ) 2Vdc Ic( Q ) Vce(Q ) 1 1 2 2 Vs2 =Vdc(Ns2/Np)2Ton/T Vm=Vdc(Nm1/Np)2Ton/T Vs1 =Vdc(Ns1/Np)2Ton/T Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 22 - Khi transitor dẫn thì điện áp dưới của mỗi nửa cuộn sơ cấp giảm xuống Vce(sat) khoảng 1V. Vì thế khi cả hai transitor dẫn thì điện áp vuông có giá trị Vdc- 1 - Điện áp trung bình tại ngõ ra Vm Vm = T Ton N NV p m dc 25,0)1(                  (2-17) -Khi Vdc thay đổi thì vòng hồi tiếp âm sẽ điều chỉnh Ton để giữ Vm không đổi - Ton, Vm sẽ được điều chỉnh để ngăn chặn điện áp DC ngõ vào và dòng tải ngõ ra thay đổi. - Khi Vm thay đổi thì sẽ xuất hiện tín hiệu ngõ ra ở bộ khuếch đại sai lệch và Ton sẽ được thay đổi theo sự thay đổi của Vm  Điện áp tại ngõ ra của 2 cuộn thứ cấp : VS1 = VS2 = T Ton N NV p S dc 25,0)1( 2                   Mức điện áp trên một vòng : N E = Ae ( dB/dt) x 10-8 -Ae : là tiết diện lõi sắt ( cm2) -dB : là độ thay đổi từ cảm ( Gauss ) -dB/dt      s Gauss - N F là điện áp trên vòng là tỉ lệ theo tần số sóng ngắt. - Trong thực tế, giá trị điện áp trên vòng trong phạm vi từ 2V tại tần số đóng ngắt 25KHZ đến 5 hay 6v ở 100KHz. a. BIẾN ÁP CÔNG SUẤT  Chọn lõi : Thiết kế biến áp ta phải chọn lõi phù hợp với công suất ra. Chọn lõi cho công suất ngõ ra của biến áp phụ thuộc vào tần số hoạt Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 23 động, mật độ từ cảm ( B1 và B2 ), tiết diện lõi sắt, tiết diện khung quấn dây Ab,và mật độ dòng điện trong mỗi cuộn.  Chọn số vòng dây sơ cấp -Định luật Faraday : E = NAe (dB/dt ) x 10+8 Với:- E: Điện áp rơi trên lõi cuộn dây( hay cuộn dây biến áp ) -N : Số vòng dây(vòng) -Ae : Tiết diện lõi ( cm2 ) -dB : ( Gauss ) --> dB = NAe Edt 810.  ( Gauss ) - Số vòng dây sơ cấp được xác định như sau : +Np : Được tính với điện áp đặt lên cuộn sơ cấp là nhỏ nhất (Vdc-1) và thời gian mở là cực đại. Np = dBAe xTVdl . 10)2/8,0)(1( 8min  (2-18) Với dB = xAcN xTonV p dc 810))(1(  (2-19)  Chọn số vòng dây thứ cấp : -Số vòng dây thứ cấp được chọn từ : Vm =  0,5 - ) 1 - (Vdc (Vdc - 1 )        p m N N - 0,5] T Ton2 VS1 = [(Vdc - 1 )        12 p S N N T Ton2 VS2 = [(Vdc - 1 )        12 p S N N T Ton2  Tính toán dòng san bằng đỉnh. -Giả sử hiệu suất 80% ( thường đạt được ở tần số trên 200KHz ) P0 = 0,8Pin -Hay Pin = 1,25P0 = Vdcmin.0,8Ipft -Vậy Ipft = 1,56 min 0 dcV P (2-20) Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 24  Tính toán dòng điện sơ cấp hiệu dụng và tiết diện dây dẫn : Irms = Ipft D = Ipft 4,0 -Với D : hệ số chu kỳ : D = (0,8T/2)/2 -Hay : Irms = 0,632 Ipft Vậy ta có : Irms = 0,632 min 0 min 0 986,056,1 dcdc V P V P   Tính toán dòng gợn sóng đỉnh thứ cấp và kích cỡ dây : IS(rms) = Idc D = Idc 4,0 = 0,632.Id c -Với Idc dòng điện ngõ ra.  Thiết kế bộ lọc ngõ ra. 1) Thiết kế cuộn cảm ngõ ra : dI = 2Idcmin = VL. 0L Ton = (V1 - V0 ) 0L Ton N0= V1(2Ton/T) thì Ton = 1 0 2V TV N0 = V1 (2Ton/T ) thì Ton = 1 0 2V TV -NS sẽ được chọn 0,8172 khi Vdc , V1 là nhỏ nhất min1 0 22 8,0 V TVTTon  hay V1min = 1,25V0 dI = 0 00 )2/8,0)(25,1( L TVV  = 2Idcmin Và L0 = min 0 .05,0 dcI TV V1 VoLo Ns Ns D1 D2 Co Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 25 Nếu dòng Idcmin = 10 1 Ion Vậy : L0 = nI TV 0 0..5,0 -Trong đó , L0 (H) -V0 (V) -T(s) -Idcmin dòng ngõ ra cực tiểu (A) -Ion dòng ngõ ra danh định (A) 2. Thiết kế tụ ngõ ra. -Tụ ngõ ra được chọn để đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật điện áp gợn sóng ngõ ra. Vr = R0.dI Với -R0 : Điện trở trong của tụ C0 -dI : Dòng điện đỉnh đỉnh cuộn cảm. -Tích số R0.C0 thay đổi giữa 50 -80 x 10-6 C0 = dIV x R x r / 10801080 6 0 6   C0 = rV dIc )1080(
* Ưu điểm và nhược điểm : 1) Ưu điểm - Converter này phân phối năng lượng ra tải qua biến áp. Vì vậy sự phản hồi điện áp ngõ ra được cấp điện DC với ngõ vào và có nhiều cuộn thứ cấp biến áp nên có thể có nhiều điện áp đầu ra. - Khi bộ nguồn cung cấp đã được cải tiến, điều chỉnh các converter ban đầu để mang lại công suất lớn hơn từ những linh kiện nhỏ hơn. Vì vậy hiệu suất cho hệ thống phải tăng. Một cách đơn giản để làm điều này là sử dụng biến áp có đầu nối giữa cuộn dây sơ cấp để lợi dụng cho mỗi nửa chu kỳ trên và nửa chu kỳ dưới của cuộn sơ cấp. - Hiệu suất cao ( gần 90%). 2) Nhược điểm. Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 26 - Một trong những vấn đề đối với push-pull converter, đó là từ thông trong hai phần của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp có đầu ra ở giữa có thể trở nên mất cân bằng và gây ra vấn đề về nhiệt độ. - Vấn đề thứ hai là mỗi transitor phải khóa gấp đôi mức điện áp so với các converter khác. V.FORWARD CONVERTER 1. Lý thuyết cơ bản. -Bộ đổi điện này thường được sử dụng cho những nguồn có công suất ngõ ra từ 150-200w khi điện áp ngõ vào DC cực đại ở mức 60V đến 200V. -Trong mạch converter này chỉ có một transistor và một diode ở phía sơ cấp. Trong khi mạch push -pull cnverterlà hai transistor. - Khi Q1 dẫn, đầu có chấm của cuộn sơ cấp và tất cả các cuộn thứ cấp trở thành dương so với các đầu dây còn lại không dấu. - Dòng chảy đến tải khi transistor công suất Q1 dẫn - nên gọi là Forward converter. Ổn áp Push-Pull và Buck cũng phân phối dòng đến tải khi transitor công suất dẫn. -Trái lại, Boost converter và Flyback lưu trữ năng lượng ở cuộn cảm hay cuộn sơ của biến áp khi transistor dẫn và phân phối dòng đến tải khi transistor ngắt - Khi Q1 dẫn (Ton), thì điện áp ở tốt chỉnh lưu ở mức cao trong thời gian Ton. Giả sử 1V cho Q1 và D2 phân cực thuận VD2 thì điện áp ở mức cao đó là : Mạch điều khiển độ rộng xung Mạch so sánh L1 L2 L3 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 Vref Vom Vs1 Vs2 Q1 Vea Vdc Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 27 V0mr =          Np NmVdc 1 - VD2 -Khi Q1 tắt , dòng lưu trữ trong dây dẫn của T1 ngược cực với điện áp trên Np. Tất cả các đầu đầu của sơ và thứ âm so với các đầu còn lại. Thì Transistor Q1 sẽ bị đánh thủng nếu không có diode D1 dẫn trả năng lượng . - Điện áp ngõ ra DC : Vom =   T Ton V Np NmV ddc             1 (2-21 ) 2.Các mối quan hệ thiết kế của điện áp vào , ra , thời gian mở và tỉ số vòng. - Điện áp Vom được phản hồi về và được so sánh với điện áp chuẩn Vref, và thay đổi Ton để giữ Vom = const đối với bất cứ sự thay đổi ở Vdc hay dòng tải. - Thời gian Ton cực đại ( Tonmax) sẽ xay ra ở Vdcmin Vom =   T T V Np NmV onddc max min 1              VS1 =   T T V Np NV ondSdc max1 min 1              VS2 =   T T V Np NV ondSdc max2 min 1              3. Quan hệ giữa dòng điện sơ cấp, công suất ngõ ra, và điện áp ngõ vào : - Giả sử hiệu suất của nguồn 80% P0 = 0,8Pin Hay Pin = 1,25P0 = Vdcmin ( 0,4 Ipft) (2.22 ) Hay Ipft = min 0.13,3 dcV P 4. Thiết kế biến áp công suất : Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 28 a) Lõi biến áp :Việc chọn lõi cho biến áp Forward converter giống với biến áp Push - Pull vì có cùng thông số. Mật độ từ trường, lõi sắt, tiết diện điện cảm, tần số, và mật độ dòng của cuộn. b) Tính toán vòng dây sơ cấp. Np =   dBAe xTVdc . 10)22/8,0(1 8min  (2-23) -Với dB = 1.600 Gauss. -Vdmin : điện áp DC ngõ vào nhỏ nhất (V) -T : Khoảng thời gian ngắt dẫn (S) c) Tính toán vòng dây thứ cấp : Vom =   T T V Np NmV onddc max min 1              VS2 =   T T V Np NV ondSdc max2 min 1              VS1 =   T T V Np NV ondSdc max1 min 1              d) Tính toán dòng điện gợn sóng sơ cấp : Irms(p) = 4,0 12,3 min 0 dcV P Irms(p) = min 079,1 dcV P (2-24) e) Tính toán kích cỡ dây : Irms(sec) = Idc . 4,0 Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 29 = 0,632.Idc. f) Bộ lọc ngõ ra :  Cuộn cảm : dI = 2Idcmin = 1 max0min )( L TVV ondk  Hay L1 = min max0min 2 )( dc ondk I TVV  ( 2-25 ) Nhưng V0 = V mindk dkmin Tonmax/T Với Tonmax = 0,8T/2 Nên L1 = Ion TV03 (2-26) Tụ điện ngõ ra : Như ở phần ( 4 - 2) Ta có : C0 = 65 x 10-6/R0 C0 = 65 x 10-6. rV dI 0 (2-27) VI. SƠ ĐỒ FLYBACK -Sơ đồ dùng linh kiện ngắt dẫn dòng vào cuộn sơ cấp máy biến áp lõi ferrite, điện thế tại cuộn thứ cấp được đổi ra điện một chiều bằng diode chỉnh lưu. -Tần số đóng ngắt có thể từ 10kHz đến 100KHz Vo ĐCX L1,n1 i2 i Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 30 n i 1 1 1max1n i t0 DT T 22n i n i 2 2max n i 2min2 t TDT0 1min1n i -Chu kỳ làm việc gồm hai giai đoạn : *Giai đoạn 1: O<T<DT -DCX dẫn VL1 = VS . Do chiều dây quấn n1,n2 không dẫn L1 tích lũy năng lượng vào mạch từ ferrit, từ thông trong mạch từ tăng. i1 = 1L VS .t + I1min -i1 tăng từ I1min đến I1max dòng gia tăng bằng : I1max - I1min = .DT (2-28 ) -Điện áp ngược tại D là :VDngược = -        0 1 2 . VV n n S Vậy ta có : I1min = DTL Vs D D n n R Vs 1 2 2 1 2 2)1(                    Vậy điều kiện để có dòng liên tục là : Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 31 L1 = 2 2 2 1 )1( 2 D n n f R       - Điện áp dợn sóng: oV - Dòng tại tụ điện lọc ic được biểu diễn bởi hình trên . Điện lượng nạp thêm vào tụ điện lọc Q ở giai đoạn  được phóng vào tải trong giai đoạn 1. -Chu kỳ sau diện tích S ở phần dưới đường biểu diễn thiên dòng qua tụ ic Q = Io .DT =        T fD Rf Vo 1. oV = DRfc V C QV oc    * Chỉ tiêu các linh kiện - Transistor DCX: IDCX max =   f DVs n nxIo 2411 2 1   - Diode D ID trung bình (av)=Io VD max= 1 2 n nVV sO  *Giai đoạn 2: DT<t<T -DCX ngưng dẫn từ thông mạch từ giảm , điện áp tại cuộn n2 đảo cực tính khiến D dẫn dòng iL giúp cho số ampe vòng liên tục, tức thời điểm DT số ampe vòng n2I2max = n1I1min. L2 đặt vào điện áp Vo , do đó : i2 = - max2)( IDTTL V o o  -Mạch từ phóng thích năng lượng vào phụ tải , i2 giảm từ I2max đến I2min, lượng dòng giảm bằng. ĐCX RC c Io Vs i2i Vo Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 32 I2max-I2min = TDL Vo )1( 2  (2-29) - Điện áp tại cuộn n1 = oVn n 2 1 - Do đó điện áp tại transistor DCX = - Điện áp ra Vo : I2 2 2 1 121 2 1 ,        n nLLI n n OTD n nVDT L V os        )1( 4 2 1 1 (2-30) - Điều kiện để có dòng liên tục.  DIII av max1min11 2 1  -Công suất vào: Ps =Vs.I1av= -Công suất ra : Po =  2 22 1 22 1 1 D D n nV R S        -Nếu hiệu suất bằng 1 ta có : I1max + I1min = 2 2 2 1 )D-1( D.) n n ( R Vs2 (2-31) *Ưu nhược điểm: - Cách ly sơ cấp và thứ cấp - Giảm được dòng qua transistor công suất. - Tạo được nhiều cấp điện áp ở đầu ra bằng cách quấn nhiều cuộn thứ cấp . - Dòng san bằng đỉnh tương đương của transistor khá cao . Ipft = mindcV Rot13,3 Với Pot : tổng công suất ngõ ra Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 33 Vì vậy giá thành cho transistor cao VII - HALF - BRIDGE CONVERTER Sơ đồ Half-Bridge - Khi chuyển mạch S, ở phía trên ứng với ngõ vào 220VAC, mạch cỉnh lưu toàn sóng với 2 tụ lọc C1 nối tiếp C2 + Điện áp đỉnh DC chỉnh lưu khoảng : (1,41x220)-2  308V - Khi S1 đóng ứng với ngõ vào 110V mạch hoạt động như mạch nhân đôi điện áp. - Nửa chu kỳ đầu tiên A dương so với B, C1 nạp qua D1 + Điện áp đỉnh khoảng (1,41x110)-1  154V - Nửa chu kỳ sau C2 nạp qua D2 + Điện áp đỉnh khoảng (1,41x110)-1  154V + Điện áp tổng trên tụ C1, C2 khoảng 308V * Giả sử điện áp chỉnh lưu 308V, bỏ qua tụ Cb. Một đầu của cuộn sơ cấp được nối với 2 đầu tụ C1,C2 và Q1,Q2 dẫn ở mỗi nữa chu kỳ. 1/ Quan hệ giữa dòng sơ cấp, công suất ra, điện áp vào -Giả sử hiệu suất 80%. Pin = 1,25P0. -Xung dòng đỉnh sơ cấp san bằng tương đương ứng với Vdcmin Ipft (half bridge) = min .13,3 Vdc Po (2-32) 2/ Chọn cở dây sơ cấp: Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 34 -Dòng điện gờn sóng sơ cấp Irms = Ipft TT /8, Irms = min .70,2 Vdc Po (2-33) 3/ Chọn cở dây dẫn và số vòng dây thứ cấp: -Số vòng dây thứ cấp được chọn ở (4.1.) đến (4.3) cho thời gian mở cực đại Tonmax = 0,8T/2 và Vdcmin - 1 được thay bằng 12 min  Vdc Vậy : V1 2 8,05,01 2 1 T NP NSVdc                    (2-34) V2 (2-35) - Dòng hiệu dụng sơ cấp : Irms = Idc D =Idc 4,0 ở 500 circularmils trên dòng hiệu dụng là = 500(0,632)Idc I rms = 316.Idc -Thiết kế tụ cb ta có : Cb = dc TxI ptc 8,0 (2-36) -Với dv : Độ thay đổi áp từ lúc dẫn đến lúc tắt của mỗi transistor. VII. SƠ ĐỒ CẦU (FULL - BRIDGE) Sơ đồ Full-Bridge -Các transistor T1 và T'2 cùng dẫn luân phiên với T2 và T'1. Mỗi đôi dẫn trong thời gian DT trong mỗi chu kỳ làm việc, ta có: 0<D<0,5 Vo = 2 SDVn n . 1 2 (2-37) -Chỉ tiêu các linh kiện . Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 35 -Transistor : TTr max Lf DVs ALsf mVsDDIm o 2 .)1(         (2-38) m = 1` 2 n n VTr max = Vs -Diode D1,D2,D'1,D'2 : ID trung bình = 2 .).21( oImD (2-39) VDmax = Vs (8.4) -Diode D5 và D6 : ID5b = DIo VD5 max = VD6max = 2nVD (2mVD) * Kết luận: Trong các loại converter trong đó có Half - Bridge converter có nhiều ưu điểm như. - Hiệu suất cao khoảng 90% - Biến áp không sử dụng đầu ra ở giữa vì vậy loại trừ được sự mất cân bằng từ thông. Kết quả là loại converter này được dùng để thiết kế các bộ nguồn với công suất có thể lên đến 1000W - Điện áp cực đại đặt lên transistor giảm đi một nữa so với trường hợp của Push - Pull converter. Điều này dẫn đến giá thành transistor va các thành phần linh kiện liên quan cũng giảm . Từ những ưu điểm đã nêu ở trên, nên ta chọn thiết kế nguồn ổn áp xung theo kiểu Half - Bridge converter Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 36 Chương III BIẾN ÁP XUNG I.TỔN HAO LÕI VỚI TẦN SỐ VÀ MẬT ĐỘ TỪ CẢM. -Hầu hết các biến áp xung sử dụng lõi ferrite.Ferrites là vật liệu gốm sắt từ .Cấu trúc của nó gồm hổn hợp oxit sắt với Mn, kẽm oxit.Tổn hao dòng điện xoáy của nó bỏ qua khi điện trở suất rất cao.Tổn hao lõi chủ yếu do tổn hao từ trể nhưng cũng khá thấp. -Một số chất liệu được đo đạt sau cho tổn hao lõi là nhỏ ở tần số cao và nhiệt độ cao. -Yếu tố chính ảnh hưởng việc chọn lựa chất liệu là đặc tính tổn hao lõi (thường mW/cm3) đối với tần số và mật độ từ cảm. a-Đường đặc tính từ trể. Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 37 b-Tổn hao lõi đối với mật độ từ cảm. c-Tổn hao lõi đối với nhiệt độ Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 38 II.HÌNH DẠNG LÕI FERRITE -Lõi ferrite được sản suất với kích cở tương đối nhỏ. -Hình dạng lõi khác nhau như: Loiõ hình chén, lõi RM, EE, PQ, UU, UI,EI. -Lõi hình chén (hình hộp) được sử dụng ở mức công suất thấp hơn 125W -Các dạng lõi khác nhau của biến áp công suất . Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 39 Table :Core Losses for Various Core Materials at Various Frequencies and peak Flux Densities at 100oC Fre- Quency Material Core loss , mW/cm3 for various peak flux densities, G KHZ 1600 1400 1200 1000 800 600 20 Ferroxcube 3C8 85 60 40 25 15 Ferroxcube 3C85 82 25 18 13 10 Ferroxcube 3F3 28 20 12 9 5 Magnetics Inc - R 20 12 7 5 3 Magnetics Inc - p 40 18 13 8 5 TDK - H7C1 60 40 30 20 10 TDK - H7C4 45 29 18 10 Siemens N27 50 24 50 Ferroxcube 3C8 270 190 130 80 47 22 Ferroxcube 3C85 80 65 40 30 18 9 Ferroxcube 3F3 70 50 30 22 12 5 Magnetics Inc - R 75 55 28 20 11 5 Magnetics Inc - P 147 85 57 40 20 9 TDK - H7C1 160 90 60 45 25 20 TDK - H7C4 100 65 40 28 20 Siemens N27 144 96 100 Ferroxcube 3C8 850 600 400 250 140 65 Ferroxcube 3C85 260 160 100 80 48 30 Ferroxcube 3F3 180 120 70 55 30 14 Magnetics Inc - R 250 150 85 70 35 16 Magnetics Inc - P 340 181 136 96 57 23 TDK - H7C1 500 300 200 140 75 35 TDK - H7C4 300 180 100 70 50 Siemens N27 480 200 Siemens N47 190 200 Ferroxcube 3C8 700 400 190 Ferroxcube 3C85 700 500 350 300 180 75 Ferroxcube 3F3 600 360 250 180 85 40 Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 40 Magnetics Inc - R 650 450 280 200 100 45 Magnetics Inc - P 850 567 340 227 136 68 TDK - H7C1 1400 900 500 400 200 100 TDK - H7C4 800 500 300 200 100 45 Siemens N27 960 480 Siemens N47 480 500 Ferroxcube 3C85 1800 950 500 Ferroxcube 3F3 1800 1200 900 500 280 Magnetics Inc - R 2200 1300 1100 700 400 Magnetics Inc - P 4500 3200 1800 1100 570 TDK - H7F 100 TDK - H7C4 2800 1800 1200 980 320 1000 Ferroxcube 3C85 200 Ferroxcube 3F3 3500 2500 1200 Magnetics Inc - R 5000 3000 1500 Magnetics Inc - P 6200 Note : data are for bipolar magnetic circuits ( first and third - quadrant operation) . For unipolar ( forward conventer , flyback ), divide by 2 . Table : Core Type Number for Geometrically interchangeable Cores Ferroxcube-Philips Magnetics TDK EE Cores 814E250 41205 813E187 41808 EE19 812E343 812E272 E375 43515 E21 44317 783E608 EE42/42/15 783E776 E625 44721 E55 EE55/55/21 E75 45724 EC Cores EC35 43517 EC35 EC41 44119 EC41 EC52 45224 EC52 EC70 47035 EC70 ETD Cores ETD29 ETD34 43434 ETD34 ETD39 43939 ETD39 ETD44 44444 ETD44 ETD49 44949 ETD49 Pot Cores 704 40704 P7/4 905 40905 P9/5 1107 41107 P11/17 1408 41408 P14/8 1811 41811 P14/8 2213 42213 P22/13 2616 42616 P26/16 Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 41 3019 43019 P30/19 3622 43622 P36/22 4229 44229 P42/29 RM Cores RM4 41110 RM4 RM5 41510 RM5 RM6 41812 RM6 RM7 RM7 RM8 42316 RM8 RM10 42819 RM10 RM12 43723 RM12 RM14 RM14 PQ Cores 42016 PQ20/16 42020 PQ20/20 42626 PQ26/26 42625 PQ26/25 43220 PQ32/20 43230 PQ32/30 III.QUAN HỆ GIỮA CÔNG SUẤT NGÕ RA CỰC ĐẠI VỚI MẬT ĐỘ TỪ CẢM, TIẾT DIỆN LÕI, KHUNG VÀ MẬT ĐỘ DÒNG ĐIỆN TRONG CUỘN . a-Sự liên hệ về công suất ngõ ra của bộ đổi điện Forward. -Công suất ngõ ra được dựa trên những giả thiết sau: 1.Hiệu suất của nguồn: Bỏ qua tiêu tán từ Vdc ngõ vào đến các ngõ ra (giả sử hiệu suất là 80%). 2.Hệ số khe hở (Space Factor :SP): -SP=0.4 -Dạng sóng dòng sơ cấp -Dạng sóng dòng Ipft dùng để tính công suất ngõ ra đối với Bmax, tần số, Ae, Ab, Dcma. -Tỉ số Ns/Np để T0 = 0,8T/2 ở Vdcmin Hình số Tần số Ip Hệ số chu kỳ Irms N Tiết diện dây Điện trở dây I2rms.R P0 A2 F1 Ip 0,4 0,632Ip N A1 R1 I2rms.R P0 A4 2F1 2Ip O,4 1,264Ip 0,5N 2A1 0,25R1 I2rms.R 2Po -Dạng sóng dòng sơ cấp ở Vdc min, thời gian mở ở 0.8T/2 Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 42 -Ta có :Po = 0.8Pin = 0.8Vdc min.Ipft. T2.0 T8.0 Po = 0.32Vdc min.Ipft (3-1) Nhưng giá trị hiệu dụng gợn sóng của Ipft,hệ số chu kỳ: 0.4 Irms = Ipft 4.0 I0 = 1.58.Irms Po = 0.32Vdc min(1.58Irms) (3-2) Từ định luật Faraday:Vp =Np.Ae. TΔ BΔ .10-8 -Với : Vp:Điện áp sơ cấp ( Vdc) Np: Số vòng sơ cấp Ae: Tiết diện lõi (cm2) B: Độ thay đổi từ cảm,G(0 đến Bmax) T:Thời gian(s) Ở Vdcmin, B/T = Bmax/0,4T -Từ (3-2) ta có : Po = 8-maxeprms 10x4.0 f.B.A.N.I.506.0 Po=1.256.Np.Bmax.Ae.f.10-8.Irms (3-3) -Ab:Tiết diện khung quấn dây(in2) Viết tắt (in =inch ) -Ap:Tiết diện cuộn dây sơ cấp(in2) -As:Tiết diện cuộn dây thứ cấp(in2) -Ati:Tiết diện của một vòng dây sơ cấp(in2) Với SF=0.4 Và Ap=As Ap=0.2.Ab=Np.Ati -Mật độ dòng :Dcma = rms tcm I A Atcm: Là tiết diện dây dẫn sơ cấp đo bằng circurar mils. Irms = cma tcm D A (3-4) Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 43 Ta có:Tiết diện 1 in2 = 6-10. 4 π (tiết diện Circular mils ). Atcm = π 6+10xA4 ti = P 6+ P N.π 10).A.2.0(4 Từ (3-4) ta có: Irms = cmap 6 b D×Nπ 10×A8.0 (3-5) Thay (3-5) vào (3-3) ta có: P0 = (1.265Np .Bmax.Ae.f.10-8) cmap 6 b D×Nπ 10×A8.0 P0 = cma bemax D A.A.f.B.00322.0 Ab(in2)Ab(cm2) Nên ta có: Po = cma bemax D A.A.f.B.0005.0 (3-6) Trong đó: P0 (watt) B (gauss) Ab (cm2) Dcma (circular/rms ampe) Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 44 Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 45 Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 46 b- Sự liên hệ công suất ngõ ra của bộ đổi điện Puss-Pull P0 = 0.8Vdc min(0.8Ipft) P0 = 0.64 Vdc min.Ipft (3-7) Irms = Ipft 4.0 Hay Ipft = 1.58Irms P0 = 0.64Vdc min (1.58Irms) = 1.01Vdc min.Irms (3-8) Ap = 0.2Ap = 2Np.Ati Ati = p b N A1.0 (3-9) Với: Np số vòng dây nửa cuộn sơ cấp. Ab (in2) Ati (in2) Dcma = rms tcm I A (3-10) Với:Atcm tiết diện dây dẫn (circular mils) -Dòng điện gợn sóng trên nửa cuộn sơ cấp Irms = cma tcm D A Với Ati = Atcm( 4 π ).10-6 Vậy Atcm =0.1273. p b N A .10+6 (3-11) Thay (3-11) vào (3-10) ta có: Irms = 0.1273 cmap b DN A .10+6 Thay Irms vào (3-8) ta có: Po = 1.01Vdc min. 0.1273 cmap b DN A .10+6 Po = 0.129Vdc min . cmap b DN A .10+6 Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 47 -Từ định luật Faraday: Vdc min = TΔ BΔ.A.N ep .10-8 -Biên độ đỉnh đỉnh của từ cảm: 2Bmax ở 0.4T tai Vdc min Po = 0.129(Np.Ae) cmap bmax D.N A . T4.0 B2 .10-2 Po = cma bemax D A.A.f.B00645.0 Với Ab (in2) = 45.6 A b (cm2) Nên: Po = cma bemax D A.A.f.B001.0 c- Sự liên hệ công suất ngõ ra của bộ đổi điện Half-Bridge - Thời gian mở của transistor là 2 T8.0 tại Vdc min - Hiệu suất Eff = 80% - Ae,Ab: tiết diện lõi, khung (cm2). - Abi: tiết diện khung (in2). - Ap: tiết diện cuộn dây sơ cấp (in2). SF = 0.4 Dcma: mật độ dòng điện. Ati: tiết diện dây (in2). Atcm: tiết diện dây (circular mils). Np: số vòng dây sơ cấp. Irms = Ipft. 8.0 = 0.894Ipft hay Ipft = 1.12Irms Nên Po = 0.8Pin = 0.8 2 V mindc Iav Với Ati = Atcm. 4 π .10-6 Vậy Atcm = 0.255( b bi N A )10+6 (3-13) Irms = 6+ cmap bi cma tcm 10 D.N A 255.0= D A (3-14) Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 48 -Table:Maximum Available Output Power in Forward Converter Topology Output power in watts at ( Ae, Ab :cm2; f: Khz) Core Ae Ab Ae.Ab 20Khz 24Khz 48Khz 72Khz 96Khz 150Khz 200Khz 250Khz 300Khz EE Core. Ferroxcube-Philips 814E250 O.202 0.171 0.035 1.1 1.3 2.7 4.0 5.3 8.3 11.1 13.8 16.6 813E187 O.225 0.329 0.074 2.4 2.8 5.7 8.5 11.4 17.8 23.7 29.6 0.89 813E343 0.412 0.359 0.148 4.7 5.7 11.4 17.0 22.7 35.5 47.3 59.2 71.0 812E250 0.395 0.581 0.229 7.3 8.8 17.6 26.4 35.3 55.1 73.4 91.8 110.2 782E272 0.577 0.968 0.559 17.9 21.4 42.9 64.3 85.5 134.0 178.7 223.4 268.1 E375 0.810 1.149 0.931 29.8 35.7 71.5 107.2 143.0 223.4 297.8 372.3 446.7 E21 1.490 1.213 1.807 57.8 69.4 138.8 208.2 277.6 433.8 578.4 722.9 867.5 783E608 1.810 1.781 3.224 103.2 123.8 247.6 371.4 495.1 773.7 1031.6 1289.4 1547.3 783E776 2.330 1.810 4.217 135.0 161.9 323.9 485..8 647.8 1012.2 1349.5 1686.9 2024.3 E625 2.340 1.370 3.206 102.6 123.1 246.2 369.3 492.4 769.4 1025.9 1282.3 1538.8 E55 3.530 2.800 9.884 316.3 379.5 759.1 1138.6 1518.2 2372.2 3162.9 3953.6 4744.3 E75 3.380 2.160 7.301 233.6 280.4 560.7 841.1 1121.4 1752.2 2336.3 2920.3 3504.4 EC Core ,Ferroxcube-Philips EC35 0.843 0.968 0.816 26.1 31.3 62.7 94.0 125.3 195.8 261.1 326.4 391.7 EC41 0.971 1.220 1.185 37.9 45.5 91.0 136.5 182.0 284.3 379.1 473.3 568.6 EC52 1.800 2.130 3.834 122.7 147.2 294.5 441.7 588.9 920.2 1226.9 1533.6 1840.3 ETD Core, Ferroxcube-Philis EC70 2.790 4.770 13.308 425.9 511.0 1022.1 1533.1 2044.2 3194.0 4258.7 5323.3 6388.0 ETD29 0.760 0.903 0.686 22.0 26.4 52.7 79.1 105.4 164.7 219.6 274.5 329.4 ETD34 0.971 1.220 1.185 37.9 45.5 91.0 136.5 182.0 284.3 379.1 473.3 568.6 ETD39 1.250 1.740 2.175 69.6 83.5 167.0 250.6 334.1 322.0 696.0 870.0 1044.0 ETD44 1.740 2.130 3.706 118.6 142.3 284.6 427.0 569.3 889.5 1186.0 1482.2 1779.0 ETD49 2.110 2.710 5.718 183.0 219.6 439.2 658.7 878.3 1372.3 1829.8 2287.2 2744.7 Pot Cores, Ferroxcube-Philips 704 0.070 0.022 0.002 0.0 0.1 0.1 0.2 0.2 0.4 0.5 0.6 0.7 950 0.101 0.034 0.003 0.1 0.1 0.3 0.4 0.5 0.8 1.1 1.4 1.6 1107 0.167 0.054 0.009 0.3 0.3 0.7 1.1 1.4 2.2 2.9 3.6 4.3 Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 49 -Table:Maximum Available Output Power in Forward Converter Topology (continued) Output power in watts at ( Ae, Ab :cm2; f: Khz) Core Ae Ab Ae.Ab 20Khz 24Khz 48Khz 72Khz 96Khz 150Khz 200Khz 250Khz 300Khz Pot Cores, Ferroxcube-Philips 1408 0.251 0.097 0.024 0.8 0.9 1.9 2.8 3.7 5.8 7.8 9.7 11.7 1811 0.433 0.187 0.081 2.6 3.1 6.2 9.3 12.4 19.4 25.9 32.4 38.9 2213 0.635 0.297 0.189 6.0 7.2 14.5 21.7 29.0 45.3 60.4 75.4 90.5 2616 0.948 0.407 0.386 12.3 14.8 29.6 44.4 59.3 92.6 123.5 154.3 185.2 3019 1.380 0.587 0.810 25.9 31.1 62.2 93.3 124.4 194.4 259.2 324.0 388.8 3622 2.020 0.774 1.563 50.0 60.0 120.1 180.1 240.2 375.2 500.3 625.4 750.5 4229 2.660 1.400 3.724 119.2 143.0 286.0 429.0 572.0 893.8 1191.6 1489.6 1787.5 RM Cores, Ferroxcube-Philips RM5 0.250 0.095 0.024 0.8 0.9 1.8 2.7 3.6 5.7 7.6 9.5 11.4 RM6 0.370 0.155 0.057 1.8 2.2 4.4 6.6 8.8 13.8 18.4 22.9 27.5 RM8 0.630 0.310 0.195 6.2 7.5 15.0 22.5 30.0 46.9 62.5 78.1 93.7 RM10 0.970 0.426 0.413 13.2 15.9 31.7 47.6 63.5 99.2 132.2 165.3 198.3 RM12 1.460 0.774 1.130 36.2 43.4 86.8 130.2 173.6 271.2 361.6 452.0 542.4 RM14 1.980 1.100 2.187 69.7 83.6 167.3 250.9 334.5 522.7 697.0 871.2 1045.4 PQ Cores,Magnetics, Inc. 42016 0.620 0.256 0.159 5.1 6.1 12.2 18.3 24.4 38.1 50.8 63.5 76.2 42020 0.620 0.384 0.238 7.6 9.1 18.3 27.4 38.1 50.8 63.5 95.2 114.3 42620 1.190 0.322 0.383 12.3 14.7 29.4 44.1 58.9 92.0 122.6 153.3 183.9 42625 1.180 0.502 0.592 19.0 22.7 45.5 68.2 91.0 142.2 189.6 236.9 284.3 43220 1.700 0.470 0.799 25.6 30.7 61.4 92.0 122.7 191.8 255.7 319.6 383.5 43230 1.610 0.994 1.600 51.2 61.5 122.9 184.4 245.8 384.1 512.1 640.1 768.2 43535 1.960 1.590 3.116 99.7 119.7 239.3 359.0 478.7 747.9 997.2 1246.6 1495.9 44040 2.010 2.4905.005 160.2 192.2 384.4 576.6 768.8 1201.2 1601.6 2002.0 2402.4 Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 50 -Table:Maximum Available Output Power in Half- or Full-Bridge Converter Topology Output power in watts at ( Ae, Ab :cm2; f: Khz) Core Ae Ab Ae.Ab 20Khz 24Khz 48Khz 72Khz 96Khz 150Khz 200Khz 250Khz 300Khz EE Core. Ferroxcube-Philips 814E250 O.202 0.171 0.035 3.1 3.7 7.4 11.2 14.9 23.2 30.9 38.7 46.4 813E187 O.225 0.329 0.074 6.6 8.0 15.9 23.9 31.8 49.7 66.3 82.9 99.5 813E343 0.412 0.359 0.148 13.3 16.0 31.8 47.8 63.6 99.4 132.5 165.7 198.8 812E250 0.395 0.581 0.229 20.6 24.8 49.3 74.1 98.7 154.2 205.6 257.0 308.4 782E272 0.577 0.968 0.559 50.0 60.3 120.1 180.4 240.2 375.3 500.4 625.6 750.7 E375 0.810 1.149 0.931 83.4 100.5 200.1 300.6 400.2 625.4 833.9 1042.4 1250.8 E21 1.490 1.213 1.807 161.9 195.2 388.6 583.8 777.2 1214.6 1619.4 2024.3 2429.1 783E608 1.810 1.781 3.224 288.8 348.1 693.1 1041.2 1386.2 2166.2 2888.4 3610.4 4332.5 783E776 2.330 1.810 4.217 377.9 455.5 906.7 1362.2 1813.4 2834.0 3778.7 4723.4 5668.1 E625 2.340 1.370 3.206 287.2 346.2 689.2 1035.5 1378.5 2154.3 2872.4 3590.5 4308.6 E55 3.530 2.800 9.884 885.6 1067.5 2125.1 3192.5 4250.1 6642.0 8856.1 11070.1 13284.1 E75 3.380 2.160 7.301 654.2 778.5 1569.7 2358.2 3139.3 4906.1 6541.5 8176.9 9812.3 EC Core ,Ferroxcube-Philips EC35 0.843 0.968 0.816 73.1 88.1 175.4 263.6 350.9 548.4 731.2 913.9 1096.7 EC41 0.971 1.220 1.185 146.4 176.4 351.2 527.6 702.4 1097.7 1463.6 1829.5 2195.4 EC52 1.800 2.130 3.834 343.5 414.1 824.3 1238.4 1648.6 2576.4 3435.3 4294.1 5152.9 ETD Core, Ferroxcube-Philis EC70 2.790 4.770 13.308 1192.4 1437.3 2861.3 4298.6 5722.6 8943.2 11924.2 14905.3 17886.4 ETD29 0.760 0.903 0.686 61.5 74.1 147.6 221.7 295.1 461.2 614.9 768.6 922.4 ETD34 0.971 1.220 1.185 106.1 127.9 254.7 382.6 509.4 796.1 1061.4 1326.8 1592.1 ETD39 1.250 1.740 2.175 194.9 234.9 467.6 702.5 935.3 146.6 1948.8 2436.0 2923.2 ETD44 1.740 2.130 3.706 332.1 400.3 796.8 1197.1 1593.7 2490.6 3320.8 4150.9 4981.1 ETD49 2.110 2.710 5.718 183.0 219.6 439.2 658.7 878.3 1372.3 1829.8 2287.2 2744.7 Pot Cores, Ferroxcube-Philips 704 0.070 0.022 0.002 0.1 0.2 0.3 0.5 0.7 1.0 1.4 1.7 2.1 950 0.101 0.034 0.003 0.3 0.4 0.7 1.1 1.5 2.3 3.1 3.8 4.6 1107 0.167 0.054 0.009 0.8 1.0 1.9 2.9 3.9 6.1 8.1 10.1 12.1 Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 51 -Table:Maximum Available Output Power in Half- or Full-Bridge Converter Topology (continued) Output power in watts at ( Ae, Ab :cm2; f: Khz) Core Ae Ab Ae.Ab 20Khz 24Khz 48Khz 72Khz 96Khz 150Khz 200Khz 250Khz 300Khz Pot Cores, Ferroxcube-Philips 1408 0.251 0.097 0.024 2.2 2.6 5.2 7.8 10.4 16.3 21.8 27.2 32.7 1811 0.433 0.187 0.081 7.3 8.7 17.4 26.2 34.8 54.4 72.6 90.7 108.8 2213 0.635 0.297 0.189 16.9 20.4 40.5 60.9 81.1 126.7 169.0 211.2 253.5 2616 0.948 0.407 0.386 34.6 41.7 83.0 124.6 165.9 259.3 345.7 432.1 518.6 3019 1.380 0.587 0.810 72.6 87.5 174.2 261.6 348.3 544.4 725.8 907.2 1088.7 3622 2.020 0.774 1.563 140.1 158.9 336.1 505.0 672.3 1050.7 1400.9 1751.1 2101.3 4229 2.660 1.400 3.724 333.7 402.2 800.7 1202.9 1601.3 2502.5 3336.7 4170.9 5005.1 RM Cores, Ferroxcube-Philips RM5 0.250 0.095 0.024 2.1 2.6 5.1 7.7 10.2 16.0 21.3 26.6 31.9 RM6 0.370 0.155 0.057 5.1 6.2 12.3 18.5 24.7 38.5 51.4 64.2 77.1 RM8 0.630 0.310 0.195 17.5 21.1 42.0 63.1 84.0 131.2 175.0 218.7 262.5 RM10 0.970 0.426 0.413 37.0 44.6 88.8 133.5 177.7 277.7 370.2 462.8 555.4 RM12 1.460 0.774 1.130 101.3 122.0 243.0 365.0 485.9 759.4 1012.5 1265.6 1518.8 RM14 1.980 1.100 2.187 195.1 235.2 468.3 703.5 936.5 1463.6 1951.5 2439.4 2927.2 PQ Cores,Magnetics, Inc. 42016 0.620 0.256 0.159 14.2 17.1 34.1 51.3 68.2 106.7 142.2 177.8 213.3 42020 0.620 0.384 0.238 21.3 35.7 51.2 76.9 102.4 160.0 213.3 266.6 320.0 42620 1.190 0.322 0.383 34.3 41.4 82.4 123.8 164.8 257.5 343.3 429.2 515.0 42625 1.180 0.502 0.592 53.1 64.0 127.4 191.3 254.7 398.1 530.8 663.4 796.1 43220 1.700 0.470 0.799 71.6 86.3 171.8 258.1 343.6 536.9 715.9 894.9 1073.9 43230 1.610 0.994 1.600 143.4 172.8 344.1 516.9 688.1 1075.4 1433.9 1792.4 2150.9 43535 1.960 1.590 3.116 279.2 336.6 670.0 1006.6 1340.1 2094.2 2792.3 3490.4 1488.4 44040 2.010 2.490 5.005 448.4 540.5 1076.1 1616.6 2152.1 3363.3 4484.4 5605.5 6726.6 Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 53 Nên Po = 0.0913 6+ cmap bimindc 10. D.N A.V (3-15) Từ định luật Faraday: Vp min = 8epmindc 10. TΔ BΔA.N= 2 V Với B = 2Bmax , T = 0.4T Nên Vdc min = 10Np.f.Ae.Bmax.10-8 Thay Vdc min vào (3-15) ta có: Po = cma biemax D A.A.f.B00913.0 Po = cma bemax D A.A.f.B0014.0 (3-16) IV. SỰ GIA TĂNG NHIỆT ĐỘ CỦA BIẾN ÁP -Nhiệt độ của biến áp tăng cao hơn nhiệt độ của môi trường là do phụ thuộc vào tổn hao lõi, tổn hao dòng và bề mặt tản nhiệt của biến áp. Không khí thổi qua biến áp có thể làm giảm sự gia tăng nhiệt độ đáng kể. -Để tính toán sự gia tăng nhiệt độ người ta dựa vào một số đường đặt tính kinh nghiệm của điện trở nhiệt trên tiết diện bề mặt tản nhiệt. -Điện trở nhiệt Rt -Sự gia tăng nhiệt độ: dT -Tổn hao công suất: P dT = P.Rt - Đường đặc tính điện trở nhiệt của bộ tản nhiệt đối với tổng diện tích bề mặt được minh hoạ ở hình sau : Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 54 PHẦN B PHẦN THIẾT KẾ Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 55 I.SƠ ĐỒ KHỐI CỦA BỘ NGUỒN: CHỈNH LƯU CẦU VÀ LỌC DẠO ĐỘNG SÓNG VUÔNG BẢO VỆ QUÁ ÁP BẢO VỆ QUÁ DÒNG CHỈNH LƯU VÀ LỌC CHỈNH LƯU VÀ LỌC CHỈNH LƯU VÀ LỌC -15V/3A +15V/3A 5V/10A BIẾN ÁP XUNG 110-220VAC Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 56 -KHỐI CHỈNH LƯU CẦU VÀ LỌC: Dùng để biến đổi điện xoay chiều thành điện năng một chiều và làm phẳng điện áp hay dòng điện một chiều ở ngỏ ra chỉnh lưu. -DAO ĐỘNG SÓNG VUÔNG : Dùng để biến đổi điện áp DC thành điện áp AC tần số cao. -BIẾN ÁP XUNG: Dùng để cảm ứng điện áp AC sơ cấp sang thứ cấp theo tỉ số dòng dây giữa cuộn sơ cấp và các cuộn dây thứ cấp. -CHỈNH LƯU VÀ LỌC: Chỉnh lưu điện áp xoay chiều tần số cao ra điện áp một chiều và được lọc phẳng để tạo ra các mức điện áp ngõ ra. -KHỐI BẢO VỆ QUÁ DÒNG: Dùng để tắt bộ dao động khi có hiện tượng quá dòng. -KHỐI BẢO VỆ QUÁ ÁP : Dùng để tắt dao động khi có hiện tượng quá áp II.TÍNH TOÁN , THIẾT KẾ BIẾN ÁP XUNG : -Yêu cầu thiết kế : -Công suất ra : P out = 5.10 + ( 15.3 )2=140W -Như vậy công suất ra của bộ nguồn là 140W .Tra bảng ta chọn tần số dao động f=62KHz -Từ những phân tích ở chương II , ta đã chọn Half-Bridge converter để thiết kế nguồn ổn áp xung. 1.Công suất vào: Pin =Pout / eff với eff là hiệu suất -Giả sử hiệu suất của bộ nguồn là 80%. Pin=140 / 0,8= 175 W 2.Điện thế nắn ngõ vào : Khi nguồn xoay chiều ngõ vào là :  110V:Thì mạch hoạt động như mạch nhân đôi điện áp -Nửa chu kỳ đầu :Điện áp đỉnh do tụ C1 nạp VP =1,41 .110 -1=154V ( 94/1 ) -Nửa chu kỳ sau :Tụ C2 cũng nạp với mức VP Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 57 -Vậy ở cả một chu kỳ: Vdc=Vc1+Vc2=154+154=308V ( 94/1 )  220V:Điện áp DC chỉnh lưu đỉnh :Vdc=(1,41. 220)-2=308V 3.Tính toán số dòng dây sơ cấp : Ta có dB.Ae 10 . 1)(0.8T/2)- 2/Vdc( =N 8 p (2.7/1) Với T=1/f. với f=62 KHz Ae=1,11 cm2 :tiết diện lõi -Chọn dB=1600 Gausse 3 8 p 10.62.1600.11,1 10 . 1)(0.8T/2)- 2/308(=N = 55,57 vòng -Chọn NP= 56 vòng 4.Giá trị dòng điện: -Dòng san bằng đỉnh: Ipft(half-bridge) = Vdc Po13,3 (3.1/1) Ipft(half-bridge) = 43.1= 308 140.13,3 -Dòng điện gợn sóng sơ cấp: Irms(p) = = 308 140.79,2 Irms(p) = 1.27A 5.Tiết diện dây sơ cấp: Ta có : Atcm= Vdc Po.1395 (3.3/1) Với Atcm là tiết diện dây (circular mils) (1 in2 =  /4.10-6 circular mils) Atcm = 308 140.1395 = 634 (circular mils) Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 58 Ati = Atcm ( /4) 10-6 (258/1) Abi = 6- ptcm 10.255,0 N.A (7.15/1) Với Ati : tiết diện dây (in2) Abi : tiết diện khung (in2) Vậy: Abi = 610.255,0 56.634 = 0,14 ( in2) A ti = Np A.2,0 bi (7.14/1) At = Ati . 6,45 .16 ( cm2 ) ( 1 inch = 2,54 cm ) At = 0,0033 cm2 = 0,33 mm2 Mà At =  d2/4 Vậy đường kính dây sơ cấp d = 0,65 mm 6.Số dòng dây thứ cấp: V(5) = [ T 2.T 1]- N N 1)- 2 V ( on p S5dc (2.2/1) với N5S: số dòng dây thứ cấp (5v) Ton = 0,8T / 2 V(5) = (( 56 N 1)- 2 308 5S – 1) . 0,8 = 2,7 vòng Chọn N5S = 3 vòng V(15) = (( 2 Vdc – 1) p S5 N N – 1) . 2Ton / T Với N15S : số vòng dây thứ cấp ( 15v ) N15S = 7,3 vòng Chọn N15S = 8 vòng Ta có dòng điện gợn sóng thứ cấp : Is(rms) = 0,632 . Idc Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 59 Idc : dòng một chiều ngõ ra +5V/10A Is(rms) = 0,632 . 10 = 6,32 A 7.Tiết diện dây thứ cấp: Tiết diện dây thứ cấp : Ascm =316.I+ 5V/10A : với Ascm (circular mils) Ascm = 316 . 10 = 3160 Tiết diện dây tính bằng in2 Asi = 3160 .  /4 . 10-6 = 0,00248 in2 Tiết diện dây tính bằng cm2 Asc = Asi . 6,45 . 10 = 0,0159 cm2 Tiết diện dây tính bằng mm2 Asm = 1,59 mm2 Mà Asm =  d2/4 =>d = 1,4 mm Vậy đường kính dây thứ cấp (5V/10A) : d = 1,4 mm 15V/3A : Ta có Is(rms) = 0,632 . 3 = 1,896 A Ascm = 316 . 3 = 948 Tiết diện dây tính bằng in2 Asci = 948 . ( /4) . 10-6 = 0,000744 in2 Tiết diện dây tính bằng cm2 Asc = Asi . 645.16 = 0,00479 cm2 Tiết diện dây tính bằng mm2 Asm = 0,479 mm2 Đuòng 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 Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 60 Với V0 = Vdc . Ở ngỏ ra : Vo = 5V T = 1/f ; f = 62 KHz Ion = Idc = 10 A 0,5 . 5 => Lo = = 4 H 10 . 62 . 103 -Tụ lọc ngỏ ra (Co) Ta có : dI = 2 . Idc min Với Idc min = 1/10 . Idc Biên độ dòng điện đỉnh đỉnh gợn sóng của cuộn dây : dI = 2 A Điện áp gộn sóng đỉnh đỉnh Vr = Ro . dI Ro : Điện trở tương đương Ro thườngng rất nhỏ, chọn Ro = 0,05 Vr = 0,05 . 2 = 0,1 V Co = 80 . 16-6 . dI / Vr = 1600 F B- 15 V / 3A : Cuộn lọc ngỏ ra : Lo 0,5 . Vo . T 0,5 . 15 Lo = = = 40 H Io 3 . 62 . 103 Với Ion = Idc = 3A T = 1/f ; f = 62 KHz Tụ lọc ngỏ ra Co : Ta có dI = 2 . Idc min Với Idc min = 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 Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 61 80 . 10-6 . di 80 . 10-6 . 0,6 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 như hình vẽ Điện áp nguồn lưới đặt trực tiếp vào cầu nắn nên 4 diode phải chịu điện áp ngược cao. Trị số đỉnh của điện áp là : Vp = 220 . 1,414 = 311 V Trị số đỉnh của điện áp nguọc đặt lên mỗi diode là : Vin = 311 . 1,57 = 448 V Nếu dự trữ thêm 10% thì ta cần chọn các diode chịu đuọc áp nguợc cho phép là 600 V. Từ nhận xét trên ta thấy Diode 1N4007 là thích hợp, vì nó có điện áp nguợc Vin = 1000V Dòng điện bảo hòa nguọc Is = 5 A Dòng điện thuận cực đại IF max = 1 A Diode 1N4007 là loại diode thông dụng, có nhiều trên thị trường, giá kinh tế. Nên ta chọn cầu Diode là 1N4007. 2.Tụ lọc : Vì đây là mạch ổn áp xung , nên điện áp ngõ ra được lọc ở ngõ ra, nên vấn đề lọc ngõ vào có độ gợn sóng cao và có thể lên đến 25 – 40 %. ta có : 1  = 2 3 f R C với  : độ gợn sóng ( % ) 1 C = = 192,45  F 2 3fRC Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 62 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 hiện việc điều khiển trong bộ nguồn switching. Nó đuọc thiết kế theo từng khối rời hay đượcc tích hợp trong các IC . Nếu thiết kế theo từng khối rời thì bộ nguồn sẽ phức tạp, độ chính xác không cao ,diện tích chiếm chổ lớn . Vì vậy ta chọn IC để khắc phục các nhược điểm trên. Có nhiều loại IC điều khiển độ rộng xung như :SG 1524,UC 1846, TL 494, TL 495....Nhưng TL 494 có nhiều trên thị trường, giá thành rẻ, nên ta chọn IC TL 494. Mô tả IC TL 494 : IC TL 494 bao gồm bộ dao động răng cưa tuyến tính với tần số được xác định bởi 2 thành phần bên ngoài là RT và CT Tần số dao động : f = 1,1 / ( RT . CT ) Ngỏ ra của mạch điều chế độ rộng xung được thực hiện bởi sự so sánh sóng răng cưa với 2 tín hiệu điều khiển đưa đến cổng NOR và sau đó suất ra 2 transistor Q1 và Q2 .Tín hiệu suất ra đến Q1,Q2 chỉ xảy ra khi tín hiệu răng cưa lớn hơn so với 2 tín hiệu vào . Vì thế việc tăng biên độ tín hiệu điều khiển sẽ làm giảm độ rộng xung ra ( xin tham khảo sơ đồ vẽ dạng sóng của IC TL494 ) Tín hiệu điều khiển 1 bên ngoài đưa vào đuọc cung cấp cho mạch dead-time .Tín hiệu điều khiển 2 được đưa vào mạch khuếch đại sai lệch hoặc ngỏ vào feedback . Mạch so sánh điều khiển độ rộng xung sẽ so sánh điện áp đưa từ bên ngoài vào để cho ra 1 xung có độ rộng xung tùy thuộc vào điện thế ngỏ vào.Thời gian hoạt động của xung tùy thuộc vào thời gian dead-time và độ rộng xung của mạch so sánh PWM. IC TL 494 có 1 điện thế ổn áp bên trong là 5V với dòng là 10 mA và được đưa ra chân số 14 để làm điện áp chuẩn Như đã nói ở trên tần số dao động được định bởi RT và CT ,thực tế trên mạch là C36 và R36 và fosc = 62 KHz Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 63 Ta có fosc = 36C.36R 1 = 62 KHz Chọn R36 = 18 K Thay các giá trị vào ta đuọc C36 = 958 pF = 1000 pF Dòng IC 494 là 10 mA và áp của nó cung cấp cho mạch là 5V R42 = 5/10 = 0,5 K Chọn R42 = 1K Q3 ( C 945 ) và Q4 ( C 945 ) là 2 transistor ở tầng driver : C 945 có đặc tính kỹ thuật sau : BVCBO = 70 V BVCEO = 70 V BVEBO = 4 V Tính R18 ,ta có : R18 VBQ4 = Vcc R17 + R18 Khi Q4 dẩn ,ta có VBQ4 = 0,6 V , Vcc = 5 V Chọn R18 = 1 K Thay các giá trị trên vào công thức ta đuọc R17 = 4,2 K Chọn R17 = 3,9 K Bằng cách dùng 2 công thức trên áp dụng cho Q3 với 2 điện trở phân cực là R21 và R19 ( chọn R21 = 3,9 K ) ta có : R19 = 1,2 K Thực tế chọn R19 = 1,5 K Aùp dụng cho Q6 ta cũng đuọc kết quả R39 = 39 K R40 = 1 K Thông số kỹ thuật của transistro A 733 ( Q5 ) BVCBO = 100 Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 64 BVCEO = 80 BVEBO = 5 Ic max = 0,5 A P = 0,5 W ,  =120 -Ở chế độ Q5 bắt đầu dẩn thì dòng Ic = 0,12 mA nên ta cũng có IBQ5 = Ic /  = 1 mA Nên R41 = ( 5-VBEQ1 ) / IBQ1 Với VBEQ1 = 0,2 V =>IBQ1 = 1 mA -Thay các giá trị vào ta được : R41 = 4,8 K -Thực tế chọn R41 = 4,7 K -Tính tụ liên lạc C5: Ta có : Ipft . 0,8 T/2 Ipft . 0,8 .T/2 C5 = = dV 10 % . VCQ1 Với Ipft = 1,42 A ( tính toán ở phần đầu ) VCQ1 = 150 V => C5 = 0,6 F Chọn C5 = 1 F VI.TRANSISTOR NGẮT DẪN : Vì đây là chế độ Half-Bridge converter nên điện áp nguọc C-E là : VBCE = 220 . 1,414 . 1,21 = 376,5 V Trong đó 1,21 là hệ số dự phòng ,nên ta chọn transistor có điện áp nguọc nằm trong khoảng này . Theo lý luận trên ta chọn transistor C 4242 vì các thông số của C 4242 đáp ứng được yêu cầu trên Thông số kỹ thuật của C 4242 là : VCBO = 700 V VEBO = 9 V VCEO = 4000 V I = 2 A Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 65 Hệ số  = 20 Bình thường khi Q1 chưa dẫn thì nó đã có 1 điện thế mồi từ 0,2 đến 0,4 V để chỉ cần kích một điện thế nhỏ tương ứng là 0,4 V hay 0,2 V là transisitor sẽ dẫn .Bình thường dòng tại cực B của Q1 ở chế độ mồi này rất nhỏ , khoảng vài microA nên để dòng chính qua R6 phân cực cho Q1 thì dòng qua nó phải lớn gấp nhiều lần so với 0,2 A . Đây chính là dòng phân cực cho Q1 IBQ1 = 0,2 . 100 = 0,2 mA Lúc này : R6 = UBEQ1/IBQ1 = 0.6 / 0.2 = 3 K Thực tế chọn R6 = 2,7 K Tính R9 : Ta có VCQ2 . R9 VBQ2 = R7 + R9 Chọn R7 = 330 K , UBQ2 = 0,6 V Thay các số vào công thức ta đuọc R9 = 2,1 K Thực tế chọn R9 = 2,7 K Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 66 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ Nguyễn Văn Đức Luận văn tốt nghiệp Trang 67 -NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ NGUỒN ỔN ÁP XUNG 5V/10A,  15V/3A : --Khi cung cấp nguồn điện AC vào , nguồn điện vào được D5 nắn và tạo điện áp mồi thông qua R4, đến cực B của Q1( C4242) làm Q1 dẫn tạo một điện thế cảm ứng qua cuộn thứ cấp của biến áp xung nhờ D14 nắn và tụ lọc C19 lọc tạo thành điện áp đưa đưa vào chân số 12 của IC TL494 và làm cho IC494 ± dao động và đưa điện áp dao động cho Q3 ( C945) kích thích dao động cho Q1 và Q2. -Nhờ xung Dead-Time Q2 dẫn làm cho điện thế thứ cấp của biến áp xung ra cao. -IC TL494 là IC điều khiển độ rộng xung .Nguyên lý điều rộng xung của nó được giải thích như sau: +Chân số 2 được cung cấp điện áp VREF =2,5V. +Chân số 1 đưa điện áp dò sai lấy từ Vout ra . +Chân số 4 được áp vào điện thế để khống chếthời gian Dead – Times khoảng 0,4V . -Điện áp ngõ ra phản hồi về so sánh với điện áp chuẩn . Nếu có sự sai lệch thì tín hiệu ngõ ra bộ khuếch đại sai lệch sẽ điều khiển độ rộng xung ở ngõ ra chân 9 và chân 10 của IC TL494 .Tín hiệu ở ngõ ra 2 chân này phản hồi về kích cho Q3 và Q4 dẫn hay ngắt để điều khiển thời gian Ton của 2 Transistor giao hoán Q1 và Q2.  Mạch bảo vệ quá dòng và quá áp:  Bảo vệ quá dòng : Vì một lý do nào đó mà dòng điện ngõ ra tăng lên đột ngột ( cao hơn dòng điện định mức ).Dòng này qua điện trở 1K ,và làm phân cực điện áp D5 .Lúc này xuất hiện điện áp phân cực cho Q6  làm Q6 dẫn  Q5 dẫn tạo ra một điện thế 5V tại chân 4 của IC 494 .nhìn vào cấu tạo bên trong của IC ,ta thấy chân 4 của nó là 5V điều này có nghĩa là ngõ ra mạch so sánh Dead Times là 5V (tương đương mức 1 ) lúc này sẽ không có dao động ngõ ra  Mạch tự cúp lại không hoạt động.  Bảo vệ quá áp: Vì một lý do nào đó điện áp ngõ vào tăng cao hơn giá tri định mức .Thì điện áp phía thứ cấp cũng tăng cao và làm phân cưc D6 ,lúc này cũng xuất hiện điện áp phân cực cho Q6 .Bằng cách lý luận tương tự như phần bảo vệ quá dòng Mạch tự cúp lại (không hoạt động nữa).