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.. - Khi transitor dẫn
Trang 1IV 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
Trang 2- 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
N V
p
m dc
2 5 , 0 )
1 (
-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
N V
p
S dc
2 5 , 0 )
1
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 )
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
Trang 3động, 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
E dt.108
( 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 =
dB Ae
x T
V dl
10 ) 2 / 8 , 0 )(
1
min
Với dB =
xAc N
x Ton V
p dc
8
10 ) )(
1
(2-19)
Chọn số vòng dây thứ cấp :
-Số vòng dây thứ cấp được chọn từ :
Vm = (Vdc-1) -0,5(Vdc - 1 )
p
m
N
N
- 0,5]
T
Ton
2
VS1 = [(Vdc - 1 )
1
2
p
S
N
N
T
Ton
2
VS2 = [(Vdc - 1 )
1
2
p
S
N
N
T
Ton
2
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
dc
V P
(2-20)
Trang 4 Tính toán dòng điện sơ cấp hiệu dụng và tiết diện dây dẫn :
Irms = Ipft D = Ipft 0 , 4
-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 0,986 56
, 1
dc
P V
P
Tính toán dòng gợn sóng đỉnh thứ cấp và kích cỡ dây :
IS(rms) = Idc D = Idc 0 , 4 = 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
0
L
Ton
= (V1 - V0 )
0
L Ton
N0= V1(2Ton/T) thì Ton =
1
0
2V
T V
N0 = V1 (2Ton/T ) thì Ton =
1
0
2V
T V
-NS sẽ được chọn 0,8172 khi Vdc , V1 là nhỏ nhất
min 1
0
2 2
8 , 0
V
T V T
T on hay V1min = 1,25V0
dI =
0
0
0 )(0,8 /2) 25
, 1 (
L
T V
V
= 2Idcmin
Và L0 =
min
0 05 , 0
dc
I
T V
V1
Vo Lo
Ns Ns D1
Trang 5Nếu dòng Idcmin =
10
1
Ion
Vậy : L0 =
n
I
T V
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 =
dI V
x R
x
r /
10 80 10
0
C0 =
r
V
dI
c10 ) 80
* 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
Trang 6- 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
Trang 7V0mr =
Np
Nm
V dc 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
Nm
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
T
T V Np
Nm
V dcmin 1 d onmax
T
T V Np
N
dc
max 1
T
T V Np
N
dc
max 2
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
dc
V
P
4 Thiết kế biến áp công suất :
Trang 8a) 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
dB Ae
x T
V dc
10 ) 22 / 8 , 0 (
min
-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 :
T
T V Np
Nm
V dcmin 1 d onmax
T
T V Np
N
dc
max 2
V S1 =
T
T V Np
N
dc
max 1
d) Tính toán dòng điện gợn sóng sơ cấp :
Irms(p) = 3,12 0,4
min 0
dc
V P
Irms(p) =
min 0
79 , 1
dc
V
P
e) Tính toán kích cỡ dây :
Irms(sec) = Idc 0 , 4
Trang 9= 0,632.Idc
f) Bộ lọc ngõ ra :
Cuộn cảm :
dI = 2Idcmin =
1
max 0
(
L
T V
V dk on
Hay L1 =
min
max 0 min
2
) (
dc
on dk
I
T V
Nhưng V0 = Vdkmin dkmin Tonmax/T
Với Tonmax = 0,8T/2
Nên L1 =
Ion
T
V0
3
Tụ điện ngõ ra :
Như ở phần ( 4 - 2)
Ta có : C0 = 65 x 10-6/R0
C0 = 65 x 10-6
r
V
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
Trang 10n i 1 1
1max 1
n i
t
2 2
n i
n i 2 2max
n i 22min
t T
DT 0
1min 1
n 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 = 1
L
V S
.t + I1min
-i1 tăng từ I1min đến I1max dòng gia tăng bằng :
-Điện áp ngược tại D là :VDngược = -
1
2 V V n
n
S
Vậy ta có :
L
Vs D
D n
n R
V s
1 2
2
1
2
2 ) 1
Vậy điều kiện để có dòng liên tục là :