Luận văn thạc sĩ thiết kế bộ nguồn chiếu sáng led Ứng dụng trong smart home

Lời nói đầu LOI NOI DAU Mục tiêu của luận văn là thiết kế bộ nguồn cho đẻn LHỊ Downlight img dang trong smart horne, hướng tới làm chủ công nghệ thiết kế bộ nguồn cho các loại đèn LIED

BO GIAO DUC VA DAO TAO TRUONG DAI HOC BACH KHOA HA NOT

DOAN VAN DUONG

THIẾT KẾ BỘ NGUỎN CIHEU SÁNG LED ỨNG DỤNG TRONG SMART HOME

Chuyên ngành: ĐIÊU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HỎA

LUAN VAN THẠC SĨ KỸ THUAT ĐIÊU KHIỂN VÀ TỰ DONG HOA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS TA CAO MINIT

TIẢ NỘI - 2017

Lời cam đoan

LỜI CAM ĐOAN

Fm xin cam đoạn luận văn thạc sỹ: “Thiết kế hộ nguần chủ chiếu sáng LED ứng dụng trong smart home” do cm tự thiết kế dưới sự hướng dẫn cia PGS TS Tạ

Cho Minh Cáo số liệu và kếi quả là hoàn (oan chúng với thực lễ,

Để hoàn thành luận văn nảy em chỉ sử đụng những tài liệu được phi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử đụng bái kỳ tài liên nào khác Nếu phái

Tiện có sự sao chép em xin chịu hoàn (oản trách riệm

Hà Nội ngày — tháng - năm 2017

Học viên

Doan Văn Dương

Mục lục

Chuong 1 TONG QUAN VE CHIẾU SÁNG LED ỨNG DỤNG TRƠNG SMART

1.4 Yêu câu thiết bị nguồn chiếu sáng LED à à 2222 222 tre „6

2,1 Lựa chọn cấu hình bộ nguồn

3.1.1 Các câu hình biến đôi C2C

2.1.2 Lựa chạn câu hình bộ biên déi DODC

2.2.1 M6 hinh trang thai trung bink Flvback DCM

2.2.2, Tink todn va thiết kế các phan te

3.1 Mô hình hóa dừng phương pháp tín hiệu nhó à no nereereie 22 3.2 Tỗng hợp mạch diễu khiển

4.1 Các phương thức điều khiển đèn từ xa

i

4,1.4 Điều khiễn từ xa cao cấp

4.3 Thiết kế hệ thống điều khiển đèn qua Bluetooth ccccctcrticrcee 31 4.3.1 Thiết bị cần thiết

4.3.2 Sa đồ kết nổi

4.3.3 Thất kế phần mêm điện thoạt

4.3.4, Lap trinh Arduino

Chương 5 KET QUA MO PHONG

5.1 Mê phông phần điểu khiển tù xa bằng Proleus - 37

5.2 Mê phỏng phản công suất bằng phân mém PSIM - 38

E.1 Code chương trình Matlab cnneereriririrrrrerrreeeeu ST

E.4 Mạch ím à s cseeeerrreeree XE HH me ereei s3

Phân loại câu hình bộ biến đối DC-DC

Câu hình cáo bộ DC-DC không cách ly Câu hình bộ biên đổi Forward & Puslt-Pull

Câu hình bộ biển đổi Fiybaok

Câu hình Half-Bridge và Full-Bridge

Cae trang thai dong cắt

Các phân tử chính rrạch lực bộ nguồn LED Léi Ferrite EE

Mạch bảo vệ RCD

Câu trúc các raach vòng điều khiển

Câu trúc điều khiển peal: current

‘M6 hinh tai dau ra dang LED

Câu trúc điêu khiến phân hỏi dòng

D8 thi Bode ctia ham truyền đối tượng, cu

Pid thi Bode của déi tuong khi ed bé diéu khién

Câu trúc mach bi loai 2

Đô thị Bode của hệ khi bộ điều khiển thực tế

Chiếu sáng LED trong smart, home

Ký hiệu Bluetooth

Mach Arduino NO coi oneniieieerie

Câu hình chân mạch Arduino UNO Module Bluetooth IICOS

Bmart phone Android

Mach Arduino UNO & Bluetooth HCOS

iti

Danh mục hình vẽ

Hình 4.8 Thiết kế phan mềm trên điện thoại

Hình 4.9 Lập trình Arduino

Hinh 5.1, Sơ để mồ phóng Arduino trén Proteus

Hình 5.3 Giao diện và chương trình ứng dụng trên smart phone

Tinh 5.3 Sơ đỏ mạch lực sử dụng 17C3844

Hình 5.4 Sơ dỗ câu tạo UC3844

Hình 5.5 Mạch đo dòng pesk qua van

TEinh 5.6 Mạch tạo điện áp dòng đặt đầu ra

Hình 5.7 Mạch điều khiển và cách ly

Hình 5.8 Đáp ứng đông điện và điệu áp qua LED khi đầu vào 220VAC

Tĩnh 5.9 Dáp ứng dòng điện qua LID khi đâu vào 8SVAC

Hình 5.10 Đáp ứng dòng điện qua LED khi đầu vào 256VAC

Hình 6.1 Mạch thực nghiệm

Hinh 6.2 Dạng dòng điện đầu ra

Hình 6.3 Điển áp dầu ra

Hình 6.4 Điện áp van trên cực G8

Hình 6.5 Điện áp van trên cựe D8

Hình 6.6 Mạch nguồn 7805 cho Arduino

Hình 6.7 Mạch tạo điện áp đặt cho BEK:

Hình 6.8 Sơ đỗ điều khiên ON/OFF LHD se

Hình 6.9 Sơ đồ điền chẳnh dé sang LED

Tinh 6.10 Thue nghiệm bộ điều khiến từ xa và bộ nguồn

Danh mục bang số liệu

DANH MUC BANG SO LIEU

So sdnh chi phi các loại bóng đèn với cùng thời gian sử dụng

Bang so sanh cac cau hình DC/DĐC

Chit thich các ký hiệu phân tich mach Flyback

Sơ sánh giữa chẻ dộ dòng liên tục (CCM) và dòng giản doạn (DCM)

Thông số kỹ thuật chíp L,ED T17XEON-T-T.XH8-FWS0

Thông số đầu vào và lựa chọn tính toán

Thông số lõi EH22

Thông số của MOSFET TRF 820 cà

Théng số Diode SE18

'hông số Diode SU58

Thông số giá Irị lình kiện bộ điển khiển

Théng s6 mach Arduino UNO Câu hinh chân kết nỗi Bluetooth

13

CFLs = | Compact Fluorescent Lights, Pén huynh quaryg compact

CCM | Continue Current Mode Dang dién lién tuc

DCM | Discontinue Current Mode Dang điện gián đoạn

CMC | Current Mode Control Điều khiến đèng,

EMI |BleeroMiagnetic Interference Nhigu dign tir

VAC | Voltage Alternating Current Điện áp xoay phiểu

Lời nói đầu

LOI NOI DAU

Mục tiêu của luận văn là thiết kế bộ nguồn cho đẻn LHỊ) Downlight img dang trong smart horne, hướng tới làm chủ công nghệ thiết kế bộ nguồn cho các loại đèn LIED cũng như phơng thùc điều khiển ứng dụng smart home dang dẫn được phổ biến hiện nay Tiên tới thực hiện được một sản nhằm demo diéu khién LED thông qua smart phone 'Erong thời gian tiến hành làm luận văn, em đã thực hiện được các công việc với những

kết quả như sau

Chương 1: Tổng quan vẻ chiếu sang LED img dung trong smart home, dat ra bai

toán và mục tiêu của luận văn này

Chương 2: Tính toán và thiết kế mạch lực hệ thống chiếu sáng: Lựa chọn cấu hinh

bộ nguồn phủ hợp, tính toán và thiết kế cáo linh kiện, phần tử quan trọng của bộ biển đổi

Chương 3: Mô hình hóa và thiết kế

toàn cho người sử dụng

Chương 4: Thiết kê hệ thang điều khiến đèn từ xa: Lựa chọn phương thức điều

khién phủ hợp, xây dựng chương trình phần mềm ứng dụng trên smart phone

Chương 5: Kết quả mô phỏng : Kiểm tra tính đứng đắn thiết kế và hoạt động của

bộ nguồn và bộ điều khiến từ xa thông qua mô phỏng

Chương 6: Két qua thực nghiệm : Kiếm tra tính đúng đắn thiết kể và hoạt động

của bộ nguồn và hộ điều khiển từ xa thông qua thực nghiệm

ö điều khiển cho bộ neuén LED dam bao an

Do thời gian có bạn cũng như sự hạn chế vẻ mặt kiến thức và thực nghiệm, luận văn chắc chắn không tranh khối những thiếu sót Vì vậy, em kinh mong nhận được những, lời nhận xét, đảnh giả và góp ý của các thấy cỏ để em khắc phục và hoàn thiện các phần còn thiểu sót của bản luận vấn, tạo tiền để cho sự ra đời của một săn phẩm hoàn thiện

hơn

Em xm chân hành earn ont

1à Nội, ngày — thông - năm 2017

Hạc viên

Boan Văn Dương

Chương 1 Tổng quan về chiều sáng LED ứng dụng trong smart home

Chuong 1 TONG QUAN VE CHIEU SANG LED

UNG DUNG TRONG SMART HOME

1.1 Giới thiệu về đèn LED

LED (viet tat ctia Light Emitting Diode, co nghia la didt phat quang) la cac didt

cỏ khả năng phát ra ảnh sảng hay tia hỏng ngoại, tử ngoại Cũng giống như điốt, LED

được cầu tạo từ một khôi bán dẫn loại p ghép với một khối bản dân loại n

Xuất hiện như các thánh phần điện tử thực tế vào năm 1962, đèn LED đầu tiên phát ra ánh sảng hỏng ngoại cường độ thấp, vẫn thường được sử dụng như các yêu tổ truyền trong các mạch điều khiển từ xa Các đèn LED ánh sáng nhìn thấy dau tiên cũng

có cường độ thấp và giới hạn màu đỏ Đèn LED ban đầu thường được sử dụng làm đèn bảo các thiết bị điện tử, thay bóng đẻn sợi đốt nhỏ Chúng được đóng gói thành các dau đọc số dưới dạng mản hình bảy đoạn và thường thây trong đỏng hồ kỹ thuật số

LED xanh da trời làm được phát minh đầu tiên do Shuji Nakamura của công ty

Nichia Corporation yao nim 1994, Su ra doi cia LED xanh da trời cộng với LED hiệu

suất cao nhanh chóng dẫn đến sự ra đời LED trắng đầu tiên Nam 2006, Nakamura duoc trao giải thưởng công nghệ thiên niên kỷ cho phát minh nay"!

TIiệu suất, công suất của LED ngày cảng tăng đi củng với giá thành hạ theo thời gian Sự phát triển LED noi chung đã đóng góp cho sự phát triển song song giữa các công, nghệ bán dẫn, khoa học vật liệu vả quang học Hiện nay tại Việt Nam công nghệ LED đã

có những bước nhảy vọt trong ứng dụng vào thị trường dân dụng & công nghiệp một cách rộng rãi

1.1.2 Nguyên lý phát sáng cña LED

LED dựa trên công nghệ ban dan,

hoạt động của LED giống với nhiều loại

ban din khác Khối bản dẫn loại p chứa

nhiêu loại lỗ trông tự do mang điện tích

dương nên khi ghép với khối bản dan n

(chứa các điện tử tự do) thi các lỗ trồng,

nảy có xu hướng chuyên động khuyếch P' Vùng hoạt động n

tan sang khối n Củng lúc khối p lại So

nhận thêm edwdiente (ign tice) ate “Hitt 1-1 Neuyém ly-plait-sing oa LED

khéi n chuyen sang Kết quả lả khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối n tích điện dương (thiêu hụt điện tử và dư thừa lễ trồng) Ở biên giới hai

Chương 1 Tổng quan về chiều sáng LED ứng dụng trong smart home

bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trồng thu hút vả khi chúng tiên lại gần nhau, chúng

có xu hường kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hỏa Quả trình nảy cỏ thể

giải phỏng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gân đỏ),

Tuy theo mức năng lượng giải phỏng cao hay thấp mã bước sỏng ảnh sáng phát ra khác nhau (tức màu sắc của LED sẽ khác nhau) Mức năng lượng (vả máu sắc của LED)

hoàn toản phụ thuộc vảo câu trúc năng lượng của các nguyên tử chất bán dan LED thường thì điện áp phân cực thuận khoảng 1,5V đến 2,5V; còn đổi với LED siêu sáng thi điện áp phân cực thuận có thể lên tới 5V

Khi LED hoạt động bình thường thì cường độ dòng điện từ 10mA đến 5OmA, con

với LED siêu sáng thì cường độ dòng điện có thê lên tới hơn 1A tủy vào cầu tạo thiết kế

1.1.3 Tinh néng wu việt của bóng đèn LED

Đền LED có nhiều ưu điềm so với nguồn sáng sợi đót và huỳnh quang „ bao gồm

mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn, tuổi thọ đải hơn, kích thước nhỏ hơn vả giả thành

ngày cảng giảm Tính đến năm 2017, den LED chiéu sang trong nha voi gia bang hoặc rẻ hơn so với các nguồn đẻn huỳnh quang cùng độ sảng Chúng cũng hiệu quả hơn đáng kể

về năng lượng và có it mỗi quan tâm về môi trường liên quan đèn việc xử lý chúng

Bang 1.1 So sảnh chỉ phí các loại bóng đèn với củng thời gian sử dụng?!

Chương 1 Tổng quan về chiều sáng LED ứng dụng trong smart home

phách ứng dụng trong quảng cáo, trang trí, den giao thông, tivi thí đèn LED chiếu

sang được sử dụng trong các ứng dụng đa dạng như ánh sáng hàng không, đèn pha ô tô,

đèn nhà, đèn đường, đèn flash của camera Tủy thuộc vảo các nhu cầu ứng dụng chiêu sang cụ thẻ và đặc điểm của khu vực chiều sảng, bao gồm cả mức tiêu thụ năng lượng,

mà đèn LED chiều sang được chia ra nhiều loại

@® Đèn LED Downlight được img dung trong chiều sáng hành lang hay tủ trưng bảy

sản phẩm, các không gian nhỏ với mức công suất nhỏ trong khoảng 3 + 15W

@ Đèn LED Tube ứng dụng cho chiêu sảng văn phòng, nhà ở với ảnh sáng trắng tự nhiên sẽ mang lại không khí thoải mái khi làm việc cũng như trong sinh hoạt Bóng đèn

loại nảy có mức công suất trong khoảng 10+30 W

@® Đèn LED Pannel ứng dụng trong chiếu sáng văn phòng, nhà hàng, khách sạn, các

trung tâm mua sắm, thương mại cũng như các trung tâm triên lãm vởi mức công suất

trong khoảng 3= 25 W

@® Đèn LED Street ứng dụng cho chiều sảng đường, khu trung cư đô thị, ký túc

xả với mức công suất trong khoảng từ 100+200WV

® Đèn LED High Bay cho chiêu sảng trong các xưởng sản xuất, khu thẻ thao trong nhà,

hội trường lớn Có giải công suất từ 70 + 200W (với bóng đèn LED 200W loại này có cường độ sáng bằng loại bóng đèn cao áp 500W thông thường) Ngoài ra bóng loại này

tạo ra ánh sáng không nóng, không thu hút công trùng, ngoài ra chủng không cần thời

gian khởi động như bóng đèn cao áp thông thường

Hinh 1.2 San phẩm LED chiều sáng

(Downlight ~ Tube — Pannel — Street — High bay)

i

1.3 Ung dung LED chiéu sang trong smart home

Từ những ưu việt kế trên nên đèn LED được ứng dụng rất nhiều trong chiêu sáng

nói chung vả trong smart home nói riêng, chủng được gọi là đèn LED thông mình Đèn

LED théng minh ngày nay đã có mặt càng nhiều hơn trong các ngôi nhà thông minh

Trong một ngôi nhà thông minh hệ thống đèn LED cảm ứng thông mình chiếm một vị trí cực kỷ quan trọng Hệ thông đèn LED cảm ứng thông minh quyết định phan ánh sáng cho toả nhả và có liên quan tới gần như tắt cä mọi khu vực trong một toả nhà

Chương 1 Tổng quan về chiều sáng LED ứng dụng trong smart home

êu khiển trung tâm,

điều khiến trung tâm của cả toà nhả

êu khiến hệ thông đèn LED cảm ứng thông minh là hệ thống

Hình 1.3 Ứng dụng LED chiều sáng trong smart home

Một trong những đột phá của hệ thống đèn LED cảm ứng thông minh đó là nay

chúng ta đã có thẻ quản lý cả hệ thông bằng ửng dụng ngay trên điện thoại di động, ta có thể kiểm tra hệ thống đèn LED cảm ứng thông mình của nhà mình bất kỳ lúc nào và bất

kể bạn ở đâu (tất nhiên là cần phải có kết nói internet) Ứng dụng điều khiển này giúp thiết lập, điều chỉnh và chuyên đổi nhanh chóng giữa các kịch bản ánh sảng trong ngôi nhả thông minh Chung ta có thẻ dễ dàng điều chỉnh cường độ ánh sáng, các chế độ bật tắt thông minh, chuyên đổi màu sắc và quản lý hiệu năng của cả hệ thông, tự động tắt điện với chế độ hẹn giờ khi đi ra ngoài mả quên không tắt điện

Hiện nay tại các Viên nghiên cứu, trường học, cũng như các công ty sản xuất đèn

chiếu sảng đã có những nghiên cửu, phát minh, san xuất ra các sản phầm LED “Made in

Vietnam”, điển hinh như các công ty Rạng Đông, Philip, Tại trường Đại học Bách

khoa Hà Nội dự án “Nghiên cứu, thiết kế vả chế tạo hệ thông chiều sảng thông minh, tiết kiệm năng lượng sử dụng điết phát quang (LED) và nguồn cấp điện pin mặt trời” đo các

nha khoa học của trường thực hiện đã đã đem lại nhiều hy vọng cho các cơ sở sản xuất

5

Chương L Tổng quan về chiếu sáng LED ứng dụng trong smart home

panel pin mặt trời nhỏ trong việc tự chủ công nghệ, thay thế hàng nhập ngoại Nhóm

nghiên cứu đã cho ra đời hệ cat phién pin mat trời, chế tạo bộ T.aminater (hệ ép chan không gia ruệt) để chế tao panel pin mặt trời có công suất đến 150W, có khả năng ép 300kW panel pin mặt trờiuăm; dèn LED só công suất chiếu sáng 5, 10 và 30W, hệ thống diện mặt trời 10W với đèn LED hoạt dộng độc lập chiến sảng nội và ngoại thất Hiện nay, một phân hệ điện mặt trời vả hệ chiếu sảng bằng modul LED được thực hiện tại Trường ĐH Bách khoa Hà Nội và Bộ KH&CN

1.4 Yêu cầu thiết bị nguồn chiéu sang LED

Bén LED sử đựng điện áp một chiều, chế độ hoạt động là ồn đòng (để có đô sáng,

tiên ăn định, không đổi), da đó không thể thiếu bộ nguồn (driver) để chuyển đổi nguồn

điện Nếu bê nguồn không ổn định, dòng qua LED không ổn định có thể lam LED hoi nhập nháy Nếu bộ nguồn thiết kế không tốt, lĩnh kiện sử dụng không lối, cỏ thể cễ gây

chay, nd, héng dén LED Cac bộ nguồn sẽ ảnh hướng trực tiếp đến sự vận hành, mỗi tho

của đền, cũng như tính tiết kiệm năng lượng mà nó tuøng lại, vì vậy phúng cần phải đâm

bảo được các yêu cầu sau

- Về mặt kích thước và trọng lượng: các bộ nguồn cẳn phải đảm bảo tỉnh cơ

động cao nên kích thước cần phải nhỏ gọn và trọng lượng hé

- Vềmặt điể

kiện làm việc: các bộ nguồn luôn phải được đóng kín nên yêu câu

về độ tăng nhiệt của bộ nguồn cẩn phải đặc biệt quan tâm

-_ Về các chế độ bảo vệ: các bộ nguồn cản phải đảm bảo cảc yêu câu bảo vệ như

hở mạch, ngắn mạch, quá nhiệt, quá tải, ngược cực

-_ Về chế độ làm việc: do mục đích cuỗi củng hiên là ánh sáng được én định mà

cường độ sáng của đèn luôn ti 18 voi dong dign qua né (Luminous Flux- Eorward

Cưrent ) Vỉ vậy, ta cần bộ nguồn có đông đầu ra ổn định va độ đập mạch thắp ánh sáng phát ra ổn định và duy trì tuổi thọ của dan LUD

Với ứng đụng trong smant home, phù hợp với loại đến L,BD Townlight hay Tube

Nên dé don gián cũng nlưư cụ thể hỏa việc thiết kế bộ nguồn luận văn đẻ xuất thiết

nguồn cho LED Downlight có thông số yêu cầu như sau

} Điện áp dầu vào xoay chiêu 85-265VAC, 50+60 Hz, tuong img điện ap sau

Chương 2 Tính toán và thiết kế mạch lực

Chương 2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KÉ MẠCH LỰC

2.1 Lựa chọn cấu hình bộ nguồn

Cầu hình chung của bộ nguồn sử dụng mét mach chinh luu cau Diode (AC/DC) dé tạo ra một điện áp một chiều đề từ đó ta sử dụng câu hình DC/DC đề tạo thành mạch nguồn cho LED

\_ @Full-Bridge

Hinh 2.1 Phan loai cau hinh bé bien déi DC-DC

3.1.1 Các cẫu hình biển đỗi DC/DC

a Bộ biển đối không cách ly

Chương 2 Tỉnh toán vả thiết kế mạch lực

Ưu điểm các bộ biến đổi Buck, Boost va Buck-Booal là câu hình mạch đơn giản,

tiệu suất chuyển đổi cao Nhược điểm là không có cách ly, tỉ số biển đổi điện áp hạn chế

Xét về mặt an toàn: đựa vào sơ để mạch ta có thể thây các thành phần như van ban đẫn; cuộn cảm được nổi trực tiếp vào nguên, khi xảy ra sự cố ở phía nguồn (cau diot bi

đánh thủng, cháy van ) thì toàn bộ năng lượng từ nguồn sẽ đội về tá

i gay chây hông

LEĐ, nguy hiểm cho người sử đụng Ngoài ra về mặt công nghề, bài toán đất ra trong,

phần 1.4 có điện áp đầu vào và ra chồnh lệch lớn Do đó cấu hình không cách ly không,

đáp mg được yêu cầu

b Bộ biến đôi cách ly

Như đã nói ở phản trên, bộ biển đổi có cách ly bao giờ cũng an toàn hơn với người sở đụng vì nguồn lưới đầu vào và nguồn đầu ra bộ biển đổi được cách ly về điện thông qua máy biến áp xung (thường đảng lỗi femiÐ Với bộ biến dỏi có cách ly, lai chia lam hai phương pháp điều khiển van: điều khiển khỏi xửng và điều khiển không đổi xứng

> Bé bién déi cach ly điêu khiến đối xứng

+ Cau hinh Forward & Push-Pull

Hình 2.3 Câu hình bộ biến déi Forward & PushPull"™!

Uu điểm chung của bộ biên đối Forward & Push-Pull cé ti sé bién dai áp lớn do

sử đụng biển áp, phù hợp công suất < 1kW Cầu hình Push-pull có hai vam được nối với

nhau và nồi đất nên việc thiết kế khối khuếch đại xung điển khién van dé ding hon

Nhược điểm chung của hai bộ biến đổi nảy lá sự mất cân bằng từ thông do cỏ đòng một chiều chảy qua cuộn sơ cấp máy biến áp dân đến hiện tượng bão hoa mạch tử

8

Chương 2 Tỉnh toán vả thiết kế mạch lực

Mach kích thước lớn do sử đựng cỗ biển áp và cuộn kháng, điện áp khi khóa lrên van

Hinh 2.4, Can hinh bé biển đối Flyback"!

Ưu điểm: máy biến áp trong Fly-back dùng để loại bố đòng một chiều giữa đầu

vào và ra Đầu ra của bộ Fiyback có thể có nhiên cập điện áp Đặc biết vì chứa ít thành phân nên giá thành chế tạo một bộ Irlybaok là rẻ nhật so với những bộ biến đổi có cách ly

Nhược điểm: Tuy có rất nhiều ưu diểm nẻi trội nhưng Fly-back cũng có nhược điểm cổ hữu do cẩu trúc của nó Vì chỉ đàng một van đóng cắt nên đương nhiên dòng chảy qua khi van din vả điện áp đặt lên van khi khóa cao hơn hẳn các cảu hình khác Muốn tăng cỏng suất thì phải tăng kích thước lỗi biển áp Vì vậy Fiy-baek có đái công, xuất hạn ch chỉ < 200 W

> Bộ biến đổi cách ly điều khiển đối xứng,

+ Cấu hinh Half-Bridge va Full-Bridge

Chương 2 Tính toán và thiết kế mạch lực

Ưu điểm: Half-Bridge & Full-Bridge khắc phục triệt đẻ những nhược điểm của các cầu hình điều khiển không đối xứng Điện áp đất trên van chỉ bằng điện áp vào (Vụ) Van đẻ bão hỏa mạch từ do dòng một chiêu cũng được giải quyết khi mắc nồi tiếp hai tụ với cuộn sơ cấp biện ap

Nhược điểm: Cà hai câu hình cỏ câu trúc công kênh do sử dụng cả biển áp và cuôn kháng Hai tụ trong câu hình Half-bridge được thay thé bing hai van ban dan trong cau hình Eull-Bridge, vi vậy tôn thất công suất của Full-bridge lớn hơn Half-bridge, luật điều khiển van cũng phức tạp hơn đề trảnh hiện tượng trùng dẫn

2.1.2, Lựa chọn câu hình bộ biển đổi DC/DC

Qua các phân tích dựa trên ta rút ra bảng so sánh sau:

Bảng 2.1 Bảng so sánh các câu hình DC/DC

Phân loại Cauhinh | Dảicông suâtra(W) | Hiệu suất(%)

@Buck-boost | Khéng giéi han 80

độ an toàn với người sử dụng

Vẻ mặt công nghệ, như phân tích ở trên với yêu cầu bải toán đặt ra trong mục 1.4

cỏ điện áp đầu vào và đầu ra chênh lệch lớn thi việc sử dụng các cầu hình buck, boost,

buek-boost cơ bản là không phủ hợp Thêm vào đó, các câu hình này không cách ly gây

mật an toàn, vi vậy cản sử dung cau hinh co cach ly

Trong các câu hình cỏ cách ly, để phủ hợp với yêu câu kích thước nhỏ gon, đồng thời công suất của mạch cân thiết kế không cao nên câu hình Half-Bride và Full-Brigde là không phủ hợp Cầu hình Forward, Push-Pull ngoải một biển áp thi cần có thêm một cuộn cảm đầu ra nên cầu trúc phức tạp vả giả thành cao hơn so với Flybaek Do đỏ, tong kết lại ta sẽ lựa chọn cẩu hình Flybacl: Š

2.1.3 Cau hinh Flyback

a Nguyên ly làm việc

Chương 2 Tỉnh toán vả thiết kế mạch lực

Hộ biến đổi Eiyback là một bộ biển đổi cách ly trên cơ sở của cầu hình bộ biển đổi Buck-

Booal trong đồ máy biển ép vữa có chức năng như cuộn cảm trong mạch Buek-BoosL vừa

có chức răng máy biển áp Do đỏ để phân tích mạch ta tach biến áp thực thành 2 thành phân chứa cuộn cắm Ty và một biến ap xung lý tưởng Đặc điểm quan lrọng của bộ biểu đổi Flybaek là phá (cực tỉnh) của biển ap xing được biểu điển bởi các đầu chấm trên các cuộn sơ cáp và thứ cấp ngược nhau như hình 2,6

Bang 2.2 Chú thích các kỷ hiệu phân tích mạch Flyback

Duty, hé sd dc trưng cho khoảng thời

pian diode dẫn trong một chủ kỳ

Np Số vòng dây cuộn sơ cấp MBA i, | Déng qua van S

Ng Sd véng day cuén thiredp MBA — ip | Dòng qua địodeD

iu,vị Dòng, áp trên cuộn sơ cấp f | Tansd dong cắt

dây Cuộn dây nảy có điện cảm của máy biến áp Lạ và dự trữ năng lượng từ hóa từ

nguồn Vị Vì vậy, dong tir hoa I,, trang cuộn sơ cập máy biển áp tăng tuyến tính từ giả trị

ban đầu 1 tới Ipek Khi D khóa, tải được cung cấp năng lượng từ tụ C như mạch boost

Khi S bắt đâu khóa, I„ tiếp tục chảy theo chiều cũ Lạ gây ra điện thể âm tại điểm có đâu

chấm của cuộn sơ cấp máy biển áp so với điểm không có chấm Diễu này làm Diode D

dẫn và giữ điện áp trên cuôn thứ cấp máy biển áp bằng với điện áp ra Năng lượng dự trữ

trong cuộn sơ câp chuyển qua cuộn thứ cân, cung cấp ra tÃi và rạp cho lụ C

Việc điều khiển mạch thông qua đóng cắt khóa chủ đông khéa S va bi động khóa

TD Xt trong ml chu ky làm việc mạch trải qua 3 trạng thái như sau

Trạng thái 1: 0<t< DT (SƠN —D OFF) Trong khoảng thời gian nảy khóa S

ON, cudn dây Là dược nỏi với điện áp nguồn V; khi đỏ cuộn dây sẽ được nạp nẵng,

lượng, động điện i(Ô lăng lên iÔ) Z2 (IP,/4) Do kết cầu biển áp xung, cuộn sơ cấp và thứ cấp được đấu nổi ngược cực tính nhau nên trong khoảng thời gian D thi điện áp bên

11

Chương 2 Tính toán và thiết kế mạch lực

sơ cấp duong thi điện áp bên thử cấp sẽ mang tỉnh âm, do đỏ điode D khóa không dẫn Vì vây trong khoảng thời gian nảy thì dòng tải đầu ra sẽ được duy trì thông qua năng lương được tích trữ trên tụ điện đâu ra C

@Van 8 din D không dân, ®Van § không dần D dần, ® Van S, D không dan

O@Trang thai 2: DT <t < (D+D,)T (S OFF — D ON) Trong khoảng thời gian này

thi khoa S OFF ngắt cuộn day L ra khỏi lưới, do tính chat dong điện trong cuộn cảm không thẻ biến đổi đột ngột đo đỏ dòng điện i(t) dugc khép vỏng qua cuộn sơ cấp của biển áp lý tưởng, Vi vay da lam dao dau điện áp bên sơ cập Điện áp bên thứ cấp đương

do đỏ Diode D thông nên năng lượng tích trữ trên cuôn cảm ở khoảng thời gian trước được phòng ra nap tu va dong tai

Chương 2 Tính toán và thiết kế mạch lực

©Trạng thái 3: (D+D,)T< ¢ < T (S OFF —D OFF) Neu sau trang thai 2 ma van

còn năng lượng tích trữ trên biển áp thi sé có trang thai thir 3 nay Trong khoảng thời gian

nảy khi năng lượng trên cuộn cảm đã được phỏng hết thi khỏa D được khỏa lại Khi đỏ

dòng tải lại được duy trí trong thông qua năng lượng được tích trữ trên tụ điện đầu ra C

hỏa của biên áp luén luén khac 0 Vi thé, trong che dé nay chi co 2 trang thai lam viée 1

và 2 như đã phân tích ở trên

-_ Chế độ đòng gián đoạn (DCM) tức là quá trình làm việc trong một chu kỳ đóng,

cat thi dong điện từ hóa luôn về 0 Vì thể, trong chế độ nảy mạch hoạt động với cả 3 trạng

thái như đã phân tích ở trên

lộ dòng điện liên tục (CCM) tức là trong quá trình làm việc dòng điện từ

Bang 2.3 So sánh giữa chế độ dòng liên tục (CCM) và dòng giản doan (DCM)

Chế độ Chế độ dòng liên tục ( CCM) Chẻ độ dòng gian doan (DCM)

+ Độ đập mạch và dòng hiệu dụng | * Điều khiển theo Peak CMC don

nhỏ - giản -

Ưu » Ton hao trên van khỏa, cuộn sơ cấp, | » Giả trị điện cảm và biên áp xung

điểm | lõitừ MBA thấp nhỏ, tần số chuyên mạch có định

+ Chênh lệch điện áp dau vao va dau

Nhược | » Điện áp ngược đất lên Diode bén | > Tén hao trén van khóa, cuộn thứ

> Hiéu suat thap khi hoạt đông non | » Điện áp trên van khỏa MOSEET

Dé chọn được cau hình cũng như chế độ phủ hop voi yéu cau bai toan dat ra ta sé

di tim hiểu các ưu, nhược điểm của các chế độ như đã được tổng hợp trên bảng 2.3 Trên thực tế con có chế độ ở giữa CCM và DCM được gọi là chế đô dòng biến giới Chế độ nảy hoạt động tương đương với chẻ độ DCM nhưng đôi với bài toán có đầu vao la dai rông thì để đảm bảo hoạt động ở chẻ đô này thì tần sở chuyên mạch của ta sẽ bị thay đổi lớn sẽ làm khỏ khăn trong quá trinh điều khiển chuyên mạch vả đơn giản hóa câu trúc mach Vi vay, trong luận văn nảy ta tạm thời không xét đến chế độ đỏng ở biển giới nảy

Với yêu cầu bải toán đặt ra như mục 1.4 thi ta sẽ đi lựa chọn cầu hình Flyback theo chế độ DCM do:

Chương 2 Tỉnh toán vả thiết kế mạch lực

+ Với công suất nhỏ 9W, thiết kế nhỏ gon thì DƠM có tổn hao không quả lớn, giá

trị điển cảm và biển áp xung nhỏ so vai COM

+ Điện áp chênh lệch dầu vào (120~375VDC) và ra (9V) thì DƠM đáp ứng tối hon so véi CCM

2.2 Tính toán và thiết kế mạch lực

2.2.1 Mô hình trạng thái trung bình Flyback DCM

€ Xét trong khoảng thời gin 0<t<DT

Trong khoảng thời gian van dẫn DT, déng điện qua cuôn sơ cấp của máy biển áp tăng dần bắt đầu tù Ø với sườn tang (v¡f/Ø„) cho đến cuối của quá trình nảy thi dong dién qua

cuộn câm (hay chính là ding điện sơ cấp) đại được giả tị lớn nhất trau

Với gìá trị năng lượng này thị ta có thể xác định được giá tri đòng điện sơ cấp trung bình theo công thức:

Thay các công thức (2.2), (2.3) vào (2.44 ta được phương trình mô tả mô hình trung trung,

bình dòng điện sơ cắp của mạch:

Chương 2 Tỉnh toán vả thiết kế mạch lực

Mật khác, đối với mạch hoạt đông trong chế độ gián đoạn nên điện áp trưng

bình trên cuộn cảm trong mỗi chu kỳ là bằng 0 do đó ta có:

Tinh 2.7 Các phần tử chính mạch lục bộ nguồn 1.ED

Tải toán đặt ra can thiết kề bộ nguên cho tdi da 3 LED LUXDON-T-LXI8-FW50

mắc nổi tiếp, công suất tiêu thụ mỗi LID là 3,2W

Điện áp phân cực thuận Vi=3V Điện áp mỡ 3 T.ED Vy—9V Dòng diện dịnh mức 1, =1,000mA Điện áp khi đông đỉnh mức V„=3/2V Dòng diện cực dại cho phép — |l„„—2/700mA Diện tro LED khi ON Rưmp = 0,96 (Ra 0,1 2)

z 2,5 Thông số đầu vào vả lựa chọn tính toan

Điện áp đâu vào DC Max (ứng 265VAO) | Vu = 265V2 =375 V

vào DƠ Mìn (ứng 8SVAC) | Vj„„= 85V2 =120V

15

Chương 2 Tỉnh toán vả thiết kế mạch lực

Tô đập mạch dòng điện rà AL, = 591, =0,05 A

Đô dập mạch điện áp ra AV, — AI Ryzp — 0,05.1.0/9 — 0,045 V

(DTfnh toán và thất kê biến áp xung

} Tinh gia tri điện cảm sơ cấp

Xét trong điều kiện trạng thái làm việc én định thí giá trị trung bình trong một chư

kỳ sẽ tương đương với giả trị trung bình lảm việc của mạch

%.(9), =Y,

Ge), =W dit} =D

Khi xét đến hiệu suất và điều kiện làm việc cực đoan nhất 8SVAC (tương ứng, Viuuy —

120VDG), ta tính được giá trị điện cảm:

1207.1,43.10.0,8

330 Hll

>_ Thiết kế biến áp xung theo phương pháp hệ số hình dâng K„PI

- Déng điện peak qua cuộn sơ cấp theo công thức 2.2 ta có:

Chương 2 Tính toán và thiết kế mạch lực

=> Cần chọn lõi có hệ số hình dáng Kg > 0.003085 là có thể đạt yêu cầu của mạch

Chọn lõi E122 cỏ Kg=0,00317 ( tra theo đatasheet của lõi với hệ số Kụ = 0.4)

G=0,835 om Chiêu cao cửa số

‘Ac= 0.331 cm? | Dién tich mat cat

Wa= 0.315 cm? | Dién tich ctta 36 16i

Hinh 2.8 Loi Ferrite EE

- Tinh toan so vong cuén so cap:

Chương 2 Tỉnh toán vả thiết kế mạch lực

Bang 2.7 Théng s6 cia MOSFET IRF 820

Điện áp lớn nhất Vụ; S00 V Dang dan cho phép 6 100°C Ip 254

Điện trở khi ON của van Rps(ON} 3,00 2

Điện áp điều khiển Vọs =20V

@Tinh chon mach bdo v8 RCD

Như đã nói ở trên, khi đóng cắt cuộn day sơ cấp sẽ gây ra peak điện áp lớn trên van (= 2V) mà van thường có giá trị Vps„uu có định Vì vậy ta cần tính toán mạch

*smubber RCD” dé han chế điện áp peak cho van như hình 2,9,

Thực biện phép do điện cam sơ cấp bằng phép đo ngắn mạch thứ cấp với máy do

RLC ta cé điện gảm dỏ của cuộn sơ cấp:

Chương 2 Tỉnh tốn vả thiết kế mạch lực

Mạch guubber cho van ta thiết kể với điện áp lớn nhát dặt lên van V„„ 450 V

{do đã chợn van chịu được điện áp SOOV)

Diede trong mach RCD snubber can hoal dong 6 tan số cao và thời gian phục hồi nhé, do dé ta sé chon Diode schottky SF18 cé théng sé nur sau:

Thời gian phục hỏi lớn nhất Tạ 3Ơ ns

Điện áp ngược lớn nhất VwA max = 600 V

@Chon Diộde đầu ra

Tựa vào quan hệ trên biển áp ta cĩ giá trị dịng điện pesk qua TĐiodc

Tozy= n1„= 486 1,04=5,05 A

19

Chương 2 Tỉnh toán vả thiết kế mạch lực

Giá trị dòng điện trung bình qua Dhodc:

Ipay = Dy Inge = 0,5 5,02 = 2,52 A Điển ấp ngược dit lin Diode

NY, = 19,9=87,06 V

Do la nguồn switching nên ta cần chọn Diode loại có thời gian phục hỏi nhanh Do

đó, ta chon Diode schottky S158 có thông số nà sau:

Diện áp ngược 'Vk4 „ụ„ = 600 V

@® Tụ điện đầu ra

Do mach hoạt động trong chế độ DCMI như phân tích nguyên lý hoạt động ở trên,

†a thấy tụ diện là kho tich trữ năng lượng để cung cấp cho tải trong khoảng thời gian D và (1-D-DJ) Như vậy theo định luật báo toản năng lượng thì ta sẽ có:

Chương 3 Mô hình hóa vả thiết kẻ bộ điều khiến

Chương 3 MÔ HINH HOA VA THIET KE

BO DIEU KHIEN

Thiết kế bộ điều khiển ta sử dụng 2

phan héi dòng (chế độ current mode), vòng, phần hồi ngoài là phán hỏi áp như hình 3.1

‘ong, phan hồi Vòng phản hỏi trong củng là

~| B4 điều khiên dang $5

Hình 3.1 Cấu trúc các mạch vòng, diễu khiển

© Vòng áp: Bán chất là một bộ hạn chế điện áp đâu ra, đám bio LED khong bi qua

điện áp khi hoạt động

© Vòng dòng: Tác động nhanh, kiểm soát được dòng qua van đề bảo vệ van, có 3

cách làm là:

-_ Diễu khiển đòng trung bình qua van

-_ Điền khiển đòng tức thời (biên đổi có ngưỡng)

-_ Điều khiển đòng peak qua van

Trang luận văn này ta đùng phương pháp điều khiển đông peak qua van, khi đó bộ điều khiển đồng đưa ra giá trị đồng điện peak qua van cho mach véng peak current bért

trong Phương pháp điêu khiến dang peak qua van có ưu điểm:

- Dòng phản hỏi là đồng qua van (điện ở phân hỏi mã ấp với van)

-_ Tác động nhanh, kiếm soát được đồng qua văn nên có khả năng bảo vệ van

- Dé thie hién bằng kĩ thuật tương tụ, dược tích hợp trong TƠ dược đừng phố biển trong các bộ nguồn DC-DC

in van, được tạo ra sau bộ điều khiên dòng,

Hình 3.2 Câu trúc điều khiển peak current

21

Chương 3 Mô hình hóa vả thiết kẻ bộ điều khiến

3.1 Mô hình hóa dùng phương pháp tín hiệu nhỏ

Sử dụng phương pháp luyến tính hóa xung quanh điểm làm việc la có

BQ

v.(O} =V, +¥,(t)

Trang đó các giá tril, D V,, V [a cdc gia trị thuộc thành phân một chiên DC, cn

các giá trị (1), a(t), vị (/), v, (0) là thành phân biển thiên của các giá trị tương ứng

Từ phương trình (2.10), ápp dựng khai triển Taylor cho hàm đa biển: