Thiết kế bộ nguồn chiếu sáng led ứng dụng trong smart home

LỜI NÓI ĐẦU Mục tiêu của luận văn là thiết kế bộ nguồn cho đèn LED Downlight ứng dụng trong smart home, hướng tới làm chủ công nghệ thiết kế bộ nguồn cho các loại đèn LED cũng như phương

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

ĐOÀN VĂN DƯƠNG

THIẾT KẾ BỘ NGUỒN CHIẾU SÁNG LED ỨNG DỤNG TRONG SMART HOME

Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS TẠ CAO MINH

HÀ NỘI - 2017

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan luận văn thạc sỹ: “Thiết kế bộ nguồn cho chiếu sáng LED ứng dụng trong smart home” do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của PGS TS Tạ

Cao Minh Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế

Để hoàn thành luận văn này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

Học viên

Đoàn Văn Dương

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH VẼ iii

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU v

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vi

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CHIẾU SÁNG LED ỨNG DỤNG TRONG SMART HOME 2

1.1 Giới thiệu về đèn LED 2

1.1.1 Lịch sử của đèn LED 2

1.1.2 Nguyên lý phát sáng của LED 2

1.1.3 Tính năng ưu việt của bóng đèn LED 3

1.2 Sản phẩm LED chiếu sáng 3

1.3 Ứng dụng LED chiếu sáng trong smart home 4

1.4 Yêu cầu thiết bị nguồn chiếu sáng LED 6

Chương 2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH LỰC 7

2.1 Lựa chọn cấu hình bộ nguồn 7

2.1.1 Các cấu hình biến đổi DC/DC 7

2.1.2 Lựa chọn cấu hình bộ biến đổi DC/DC 10

2.1.3 Cấu hình Flyback 10

2.2 Tính toán và thiết kế mạch lực 14

2.2.1 Mô hình trạng thái trung bình Flyback DCM 14

2.2.2 Tính toán và thiết kế các phần tử 15

Chương 3 MÔ HÌNH HÓA VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 21

3.1 Mô hình hóa dùng phương pháp tín hiệu nhỏ 22

3.2 Tổng hợp mạch điều khiển 24

3.2.1 Tính toán thông số bộ điều khiển 24

3.2.2 Xây dựng mạch điều khiển 27

Chương 4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐÈN TỪ XA 29

4.1 Các phương thức điều khiển đèn từ xa 29

4.1.1 Điều khiển từ xa sử dụng cảm biến 29

4.1.2 Điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại (IR) 29

4.1.3 Điều khiển từ xa bằng sóng vô tuyến (RF) 30

4.1.4 Điều khiển từ xa cao cấp 30

4.2 Phương thức điều khiển đèn qua Bluetooth 31

4.3 Thiết kế hệ thống điều khiển đèn qua Bluetooth 31

4.3.1 Thiết bị cần thiết 31

4.3.2 đồ ết nối 35

4.3.3 Thiết ế phần mềm điện thoại 36

4.3.4 L p tr nh rduino 36

Chương 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 37

5.1 Mô phỏng phần điều khiển từ xa bằng Proteus 37

5.2 Mô phỏng phần công suất bằng phần mềm PSIM 38

5.1.1 đồ mô phỏng 38

5.1.2 Bài toán mô phỏng 41

Chương 6 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 44

6.1 Thực nghiệm bộ nguồn 44

6.1.1 đồ mạch thực nghiệm 44

6.1.2 Kết quả thực nghiệm 44

6.2 Thực nghiệm kết hợp bộ điều khiển từ xa và bộ nguồn 46

KẾT LUẬN 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

PHỤ LỤC 51

P.1 Code chương trình Matlab 51

P.2 Code chương trình Arduino 51

P.3 Lập trình điện thoại android apk 52

P.4 Mạch in 53

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Nguyên lý phát sáng của LED 2

Hình 1.2 Sản phẩm LED chiếu sáng 4

Hình 1.3 Ứng dụng LED chiếu sáng trong smart home 5

Hình 2.1 Phân loại cấu hình bộ biến đổi DC-DC 7

Hình 2.2 Cấu hình các bộ DC-DC không cách ly 7

Hình 2.3 Cấu hình bộ biến đổi Forward & Push-Pull 8

Hình 2.4 Cấu hình bộ biến đổi Flyback 9

Hình 2.5 Cấu hình Half-Bridge và Full-Bridge 9

Hình 2.6 Các trạng thái đóng cắt 12

Hình 2.7 Các phần tử chính mạch lực bộ nguồn LED 15

Hình 2.8 Lõi Ferrite EE 17

Hình 2.9 Mạch bảo vệ RCD 19

Hình 3.1 Cấu trúc các mạch vòng điều khiển 21

Hình 3.2 Cấu trúc điều khiển peak current 21

Hình 3.3 Mô hình tải đầu ra dạng LED 23

Hình 3.4 Cấu trúc điều khiển phản hồi dòng 24

Hình 3.5 Đồ thị Bode của hàm truyền đối tượng 25

Hình 3.6 Đồ thị Bode của đối tượng khi có bộ điều khiển 27

Hình 3.7 Cấu trúc mạch bù loại 2 27

Hình 3.8 Đồ thị Bode của hệ khi bộ điều khiển thực tế 28

Hình 4.1 Chiếu sáng LED trong smart home 29

Hình 4.2 Ký hiệu Bluetooth 31

Hình 4.3 Mạch Arduino UNO 32

Hình 4.4 Cấu hình chân mạch Arduino UNO 32

Hình 4.5 Module Bluetooth HC05 33

Hình 4.6 Smart phone Android 35

Hình 4.7 Mạch Arduino UNO Bluetooth HC05 35

Hình 4.8 Thiết kế phần mềm trên điện thoại 36

Hình 4.9 Lập trình Arduino 36

Hình 5.1 Sơ đồ mô phỏng Arduino trên Proteus 37

Hình 5.2 Giao diện và chương trình ứng dụng trên smart phone 38

Hình 5.3 Sơ đồ mạch lực sử dụng UC3844 38

Hình 5.4 Sơ đồ cấu tạo UC3844 39

Hình 5.5 Mạch đo dòng peak qua van 39

Hình 5.6 Mạch tạo điện áp dòng đặt đầu ra 40

Hình 5.7 Mạch điều khiển và cách ly 40

Hình 5.8 Đáp ứng dòng điện và điện áp qua LED khi đầu vào 220VAC 41

Hình 5.9 Đáp ứng dòng điện qua LED khi đầu vào 85VAC 42

Hình 5.10 Đáp ứng dòng điện qua LED khi đầu vào 256VAC 42

Hình 6.1 Mạch thực nghiệm 44

Hình 6.2 Dạng dòng điện đầu ra 44

Hình 6.3 Điện áp đầu ra 45

Hình 6.4 Điện áp van trên cực GS 45

Hình 6.5 Điện áp van trên cực DS 46

Hình 6.6 Mạch nguồn 7805 cho Arduino 46

Hình 6.7 Mạch tạo điện áp đặt cho BĐK 46

Hình 6.8 Sơ đồ điều khiển ON/OFF LED 47

Hình 6.9 Sơ đồ điều chỉnh độ sáng LED 47

Hình 6.10 Thực nghiệm bộ điều khiển từ xa và bộ nguồn 48

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 1.1 So sánh chi phí các loại bóng đèn với cùng thời gian sử dụng 3

Bảng 2.1 Bảng so sánh các cấu hình DC/DC 10

Bảng 2.2 Chú thích các ký hiệu phân tích mạch Flyback 11

Bảng 2.3 So sánh giữa chế độ dòng liên tục (CCM) và dòng gián đoạn (DCM) 13

Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật chíp LED LUXEON-T-LXH8-FW50 15

Bảng 2.5 Thông số đầu vào và lựa chọn tính toán 15

Bảng 2.6 Thông số lõi EE22 17

Bảng 2.7 Thông số của MOSFET IRF 820 18

Bảng 2.8 Thông số Diode SF18 19

Bảng 2.9 Thông số Diode SF58 20

Bảng 3.1 Thông số giá trị linh kiện bộ điều khiển 28

Bảng 4.1 Thông số mạch Arduino UNO 32

Bảng 4.2 Cấu hình chân kết nối Bluetooth 35

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

LỜI NÓI ĐẦU

Mục tiêu của luận văn là thiết kế bộ nguồn cho đèn LED Downlight ứng dụng trong smart home, hướng tới làm chủ công nghệ thiết kế bộ nguồn cho các loại đèn LED cũng như phương thức điều khiển ứng dụng smart home đang dần được phổ biến hiện nay Tiến tới thực hiện được một sản phẩm demo điều khiển LED thông qua smart phone Trong 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 về chiếu sáng LED ứng dụng trong smart home, đặt ra bài toán và mục tiêu của luận văn này

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

bộ nguồn phù hợp, tính toán và thiết kế các linh kiện, phần tử quan trọng của bộ biến đổi

- Chương 3: Mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển cho bộ nguồn LED đảm bảo an toàn cho người sử dụng

- Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển đèn từ xa: Lựa chọn phương thức điều khiển phù hợp, xây dựng chương trình phần mềm ứng dụng trên smart phone

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

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

- Chương 6: Kết quả thực nghiệm : Kiểm tra tính đúng đắn thiết kế và hoạt động của bộ nguồn và bộ điều khiển từ xa thông qua thực nghiệm

Do thời gian có hạn cũng như sự hạn chế về mặt kiến thức và thực nghiệm, luận văn chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy, em kính mong nhận được những lời nhận xét, đánh giá và góp ý của các thầy cô để em khắc phục và hoàn thiện các phần còn thiếu sót của bản luận văn, tạo tiền đề cho sự ra đời của một sản phẩm hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

Học viên

Đoàn Văn Dương

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CHIẾU SÁNG LED

ỨNG DỤNG TRONG SMART HOME 1.1 Giới thiệu về đèn LED

1.1.1 Lịch sử của đèn LED

LED (viết tắt của Light Emitting Diode, có nghĩa là điốt phát quang) là các điốt

có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại Cũng giống như điốt, LED

được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫn loại n

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

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

LED xanh da trời làm được phát minh đầu tiên do Shuji Nakamura của công ty Nichia Corporation vào năm 1994 Sự ra đời của LED xanh da trời cộng với LED hiệu suất cao nhanh chóng dẫn đến sự ra đời LED trắng đầu tiên Năm 2006, Nakamura được trao giải thưởng công nghệ thiên niên kỷ cho phát minh này[9]

Hiệu suất, công suất của LED ngày càng tăng đi cùng với giá thành hạ theo thời gian Sự phát triển LED nói chung đã đóng góp cho sự phát triển song song giữa các công nghệ bán dẫn, khoa học vật liệu và 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 của LED

LED dựa trên công nghệ bán dẫn,

hoạt động của LED giống với nhiều loại

bán dẫn khác Khối bán dẫn loại p chứa

nhiều loại lỗ trống tự do mang điện tích

dương nên khi ghép với khối bán dẫn n

(chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống

này có xu hướng chuyển động khuyếch

tán sang khối n Cùng lúc khối p lại

nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ

khối n chuyển sang Kết quả là khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối n tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống) Ở biên giới hai

Ánh sáng

Hình 1.1 Nguyên lý phát sáng của LED

bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng

có xu hường kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó)

Tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát ra khác nhau (tức màu sắc của LED sẽ khác nhau) Mức năng lượng (và màu sắc của LED) hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên tử chất bán dẫn LED thường thì điện áp phân cực thuận khoảng 1,5V đến 2,5V; còn đối với LED siêu sáng thì điện áp phân cực thuận có thể lên tới 5V

Khi LED hoạt động bình thường thì cường độ dòng điện từ 10mA đến 50mA, còn với LED siêu sáng thì cường độ dòng điện có thể lên tới hơn 1A tùy vào cấu tạo thiết kế

1.1.3 Tính năng ưu việt của bóng đèn LED

Đèn LED có nhiều ưu điểm so với nguồn sáng sợi đốt và huỳnh quang , bao gồm mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn, tuổi thọ dài hơn, kích thước nhỏ hơn và giá thành ngày càng giảm Tính đến năm 2017, đèn LED chiếu sáng trong nhà với giá bằng hoặc rẻ hơn so với các nguồn đèn huỳnh quang cùng độ sáng Chúng cũng hiệu quả hơn đáng kể

về năng lượng và có ít mối quan tâm về môi trường liên quan đến việc xử lý chúng

Bảng 1.1 So sánh chi phí các loại bóng đèn với cùng thời gian sử dụng[9]

Nhận thấy rằng việc sử dụng LED với cường độ và thời gian sử dụng lớn thì sẽ mang lại hiệu quả về kinh tế lớn hơn so với các loại bóng đèn thông thường

1.2 Sản phẩm LED chiếu sáng

Bên cạnh LED có nhiều màu sắc phong phú như: đỏ, xanh lá, xanh da trời, màu hổ

Đèn sợi đốt Đèn halogen Đèn compact LED

phách ứng dụng trong quảng cáo, trang trí, đèn giao thông, tivi… thì 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 Tùy thuộc vào các nhu cầu ứng dụng chiếu sáng cụ thể và đặc điểm của khu vực chiếu sáng, bao gồm cả mức tiêu thụ năng lượng,

mà đèn LED chiếu sang được chia ra nhiều loại

 Đèn LED Downlight được ứng dụng trong chiếu sáng hành lang hay tủ trưng bày sản phảm, các không gian nhỏ với mức công suất nhỏ trong khoảng 3 ÷ 15W

 Đèn LED Tube ứng dụng cho chiếu sáng văn phòng, nhà ở với ánh sáng trắng tự nhiên sẽ mang lại không khí thoải mái khi làm việc cũng như trong sinh hoạt Bóng đèn loại này 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 triển lãm….với mức công suất trong khoảng 3÷ 25 W

 Đèn LED Street ứng dụng cho chiếu sáng đường, khu trung cư đô thị, ký túc xá…với mức công suất trong khoảng từ 100÷200W

 Đèn LED High Bay cho chiếu sáng trong các xưởng sản xuất, khu thể 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 chúng không cần thời gian khởi động như bóng đèn cao áp thông thường

Hình 1.2 Sản phẩm LED chiếu sáng (Downlight – Tube – Pannel – Street – High bay)

1.3 Ứng dụng LED chiếu sáng trong smart home

Từ những ưu việt kể trên nên đèn LED được ứng dụng rất nhiều trong chiếu sáng nói chung và trong smart home nói riêng, chúng được gọi là đèn LED thông minh Đèn LED thông 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 minh chiếm một vị trí cực kỳ quan trọng Hệ thống đèn LED cảm ứng thông minh quyết định phần ánh sáng cho toà nhà và có liên quan tới gần như tất cả mọi khu vực trong một toà nhà

Hệ thống đèn LED cảm ứng thông minh cấu tạo bởi hai phần, phần một là các đèn LED thông minh có nhiệm vụ phát sáng và các màu sắc khác nhau cho hệ thống Phần thứ hai

là nhóm các cảm biến của hệ thống đèn LED cảm ứng thông minh Các cảm biến này là các cảm biến hồng ngoại, cảm biến tiệm cận, cảm biến chuyển động và cả cảm biến ánh sáng có nhiệm vụ tiếp nhận các thông tin từ môi trường bên ngoài rồi gửi về hệ thống điều khiển trung tâm Điều khiển hệ thống đèn LED cảm ứng thông minh là hệ thống điều khiển trung tâm của cả toà nhà

Hình 1.3 Ứng dụng LED chiếu 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 thể quản lý cả hệ thống bằng ứng dụng ngay trên điện thoại di động, ta có thể kiểm tra hệ thống đèn LED cảm ứng thông minh của nhà mình bất kỳ lúc nào và bất

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

Hiện nay tại các Viện nghiên cứu, trường học, cũng như các công ty sản xuất đèn chiếu sáng đã có những nghiên cứu, phát minh, sản xuất ra các sản phẩm LED “Made in Vietnam”, điển hình như các công ty Rạng Đông, Philip,… Tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội dự án “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống chiếu sáng thông minh, tiết kiệm năng lượng sử dụng điốt phát quang (LED) và nguồn cấp điện pin mặt trời” do các nhà khoa học của trường thực hiện đã đã đem lại nhiều hy vọng cho các cơ sở sản xuất

Tắt bật, điều chỉnh cường độ màu sắc

LED chiếu sáng thông qua smart phone

panel pin mặt trời nhỏ trong việc tự chủ công nghệ, thay thế hàng nhập ngoại… Nhóm nghiên cứu đã cho ra đời hệ cắt phiến pin mặt trời, chế tạo bộ Laminator (hệ ép chân không gia nhiệt) để chế tạo panel pin mặt trời có công suất đến 150W, có khả năng ép 300kW panel pin mặt trời/năm; đèn LED có công suất chiếu sáng 5, 10 và 30W, hệ thống điện mặt trời 10kW với đèn LED hoạt động độc lập chiếu sáng nội và ngoại thất… Hiện nay, một phần hệ điện mặt trời và hệ chiếu sáng bằng modul LED được thực hiện tại Trường ĐH Bách khoa Hà Nội và Bộ KH&CN

1.4 Yêu cầu thiết bị nguồn chiếu sáng LED

Đèn LED sử dụng điện áp một chiều, chế độ hoạt động là ổn dòng (để có độ sáng luôn ổn định, không đổi), do đó không thể thiếu bộ nguồn (driver) để chuyển đổi nguồn điện Nếu bộ nguồn không ổn định, dòng qua LED không ổn định có thể làm LED hơi nhấp nháy Nếu bộ nguồn thiết kế không tốt, linh kiện sử dụng không tốt, có thể dễ gây cháy, nổ, hỏng đèn LED Các bộ nguồn sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến sự vận hành, tuổi thọ của đèn, cũng như tính tiết kiệm năng lượng mà nó mang lại, vì vậy chúng cần phải đảm bảo được các yêu cầu sau:

- Về mặt kích thước và trọng lượng: các bộ nguồn cần phải đảm bảo tính cơ động cao nên kích thước cần phải nhỏ gọn và trọng lượng bé

- Về mặt điều kiện làm việc: các bộ nguồn luôn phải được đóng kín nên yêu cầu

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

- Về các chế độ bảo vệ: các bộ nguồn cần phải đảm bảo các yêu cầu bảo vệ như

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

- Về chế độ làm việc: do mục đích cuối cùng luôn là ánh sáng được ổn định mà cường độ sáng của đèn luôn tỉ lệ với dòng điện qua nó (Luminous Flux- Forward Current ) Vì vậy, ta cần bộ nguồn có dòng đầu ra ổn định và độ đập mạch thấp ánh sáng phát ra ổn định và duy trì tuổi thọ của đèn LED

Với ứng dụng trong smart home, phù hợp với loại đèn LED Downlight hay Tube Nên để đơn giản cũng như cụ thể hóa việc thiết kế bộ nguồn luận văn đề xuất thiết kế bộ nguồn cho LED Downlight có thông số yêu cầu như sau:

Điện áp đầu vào xoay chiều 85-265VAC, 50÷60 Hz, tương ứng điện áp sau

cầu chỉnh lưu 120-375VDC

Công suất 10W, ổn dòng đầu ra 1A, độ đập mạch dòng 5%

Cách ly hoàn toàn, bảo vệ ngắn mạch và hở mạch

Có thể điều khiển từ xa bằng smart phone

Chương 2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH LỰC 2.1 Lựa chọn cấu hình bộ nguồn

Cấu hình chung của bộ nguồn sử dụng một mạch chỉnh lưu cầu Diode (AC/DC) để tạo ra một điện áp một chiều để từ đó ta sử dụng cấu hình DC/DC để tạo thành mạch nguồn cho LED

Hình 2.1 Phân loại cấu hình bộ biến đổi DC-DC

2.1.1 Các cấu hình biến đổi DC/DC

a Bộ biến đổi hông cách ly

Hình 2.2 Cấu hình các bộ DC-DC không cách ly[3]

Buck-Boost

Ưu điêm các bộ biến đổi Buck; Boost và Buck-Boost là cấu hình mạch đơn giản, hiệu suất chuyển đổi cao Nhược điểm là không có cách ly, tỉ số biến đổi điện áp hạn chế

Xét về mặt an toàn: dựa vào sơ đồ mạch ta có thể thấy các thành phần như van bán dẫn; cuộn cảm được nối trực tiếp vào nguồn, khi xảy ra sự cố ở phía nguồn (cầu diot bị đánh thủng, cháy van …) thì toàn bộ năng lượng từ nguồn sẽ dội về tải gây cháy hỏng LED, nguy hiểm cho người sử dụng Ngoài ra về mặt công nghệ, bài toán đặt ra trong phần 1.4 có điện áp đầu vào và ra chênh lệch lớn Do đó cấu hình không cách ly không đáp ứng được yêu cầu

b Bộ biến đổi cách ly

Như đã nói ở phần trên, bộ biến đổi có cách ly bao giờ cũng an toàn hơn với người sử dụng vì nguồn lưới đầu vào và nguồn đầu ra bộ biến đổi được cách ly về điện thông qua máy biến áp xung (thường dùng lõi ferrit) Với bộ biến đổi có cách ly, lại chia làm hai phương pháp điều khiển van: điều khiển khối xứng và điều khiển không đối xứng

 Bộ biến đổi cách ly điều khiển đối xứng

+ Cấu hình Forward & Push-Pull

Hình 2.3 Cấu hình bộ biến đổi Forward Push-Pull[3]

Ưu điểm chung của bộ biến đổi Forward & Push-Pull có tỉ số biến đổi áp lớn do

sử dụng biến áp, phù hợp công suất < 1kW Cấu hình Push-pull có hai van được nối với nhau và nối đất nên việc thiết kế khối khuếch đại xung điều khiển van dễ dàng hơn

Nhược điểm chung của hai bộ biến đổi này là sự mất cân bằng từ thông do có dòng một chiều chảy qua cuộn sơ cấp máy biến áp dẫn đến hiện tượng bão hòa mạch từ

Forward

Push-Pull

Mạch kích thước lớn do sử dụng cả biến áp và cuộn kháng, điện áp khi khóa trên van bằng hai lần điện áp vào (2Vin) vì vậy van đóng cắt được lựa chọn phải chịu được điện áp này dẫn đến giá cả tăng lên

+ Cấu hình Flyback

Hình 2.4 Cấu hình bộ biến đổi Flyback[3]

Ưu điểm: máy biến áp trong Fly-back dùng để loại bỏ dòng một chiều giữa đầu vào và ra Đầu ra của bộ Flyback có thể có nhiều cấp điện áp Đặc biệt vì chứa ít thành phần nên giá thành chế tạo một bộ Flyback là rẻ nhất so với những bộ biến đổi có cách ly

Nhược điểm: Tuy có rất nhiều ưu điểm nổi trội nhưng Fly-back cũng có nhược điểm cố hữu do cấu trúc của nó Vì chỉ dùng một van đóng cắt nên đương nhiên dòng chảy qua khi van dẫn và điện áp đặt lên van khi khóa cao hơn hẳn các cấu hình khác Muốn tăng công suất thì phải tăng kích thước lõi biến áp Vì vậy Fly-back có dải công xuất hạn chế chỉ < 200 W

 Bộ biến đổi cách ly điều khiển đối xứng

+ Cấu hình Half-Bridge và Full-Bridge

Hình 2.5 Cấu hình Half-Bridge và Full-Bridge[3]

Flyback

Half-Bridge

Full-Bridge

Ưu điểm: Half-Bridge & Full-Bridge khắc phục triệt để những nhược điểm của các cấu hình điều khiển không đối xứng Điện áp đặt trên van chỉ bằng điện áp vào (Vin) Vấn đề bão hòa mạch từ do dòng một chiều cũng được giải quyết khi mắc nối tiếp hai tụ với cuộn sơ cấp biến áp

Nhược điểm: Cả hai cấu hình có cấu trúc cồng kềnh do sử dụng cả biến áp và cuôn kháng Hai tụ trong cấu hình Half-bridge được thay thế bằng hai van bán dẫn trong cấu hình Full-Bridge, vì vậy tổn thất công suất của Full-bridge lớn hơn Half-bridge, luật điều khiển van cũng phức tạp hơn để tránh hiện tượng trùng dẫn

2.1.2 Lựa chọn cấu hình bộ biến đổi DC/DC

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

Bảng 2.1 Bảng so sánh các cấu hình DC/DC

Không cách ly

Cách ly

Điều khiển không đối xứng

Điều khiển đối xứng

Khi lựa chọn cấu hình chúng ta cần xem xét đến các yếu tố về mặt công nghệ (công suất, hiệu suất, kích thước, trọng lượng) cũng như mặt kinh tế và đặc biệt là mức

độ an toàn với người sử dụng

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

có điện áp đầu vào và đầu ra chênh lệch lớn thì việc sử dụng các cấu hình buck, boost, buck-boost cơ bản là không phù hợp Thêm vào đó, các cấu hình này không cách ly gây mất an toàn, vì vậy cần sử dụng cấu hình có cách ly

Trong các cấu hình có cách ly, để phù hợp với yêu cầu kích thước nhỏ gọn, đồng thời công suất của mạch cần thiết kế không cao nên cấu hình Half-Bride và Full-Brigde là không phù hợp Cấu hình Forward, Push-Pull ngoài một biến áp thì cần có thêm một cuộn cảm đầu ra nên cấu trúc phức tạp và giá thành cao hơn so với Flyback Do đó, tổng kết lại ta sẽ lựa chọn cấu hình Flyback.

2.1.3 Cấu hình Flyback

a Nguyên lý làm việc

Bộ biến đổi Flyback là một bộ biển đổi cách ly trên cơ sở của cấu hình bộ biến đổi Boost trong đó máy biến áp vừa có chức năng như cuộn cảm trong mạch Buck-Boost vừa

Buck-có chức năng máy biến áp Do đó để phân tích mạch ta tách biến áp thực thành 2 thành phần chứa cuộn cảm Lm và một biến áp xung lý tưởng Đặc điểm quan trọng của bộ biến đổi Flyback là pha (cực tính) của biến áp xung được biểu diễn bởi các dấu chấm trên các cuộn sơ cấp và thứ cấp ngược nhau như hình 2.6

Bảng 2.2 Chú thích các ký hiệu phân tích mạch Flyback

gian van dẫn trong một chu kỳ

gian diode dẫn trong một chu kỳ

NP Số vòng dây cuộn sơ cấp MBA is Dòng qua van S

NS Số vòng dây cuộn thứ cấp MBA iD Dòng qua diode D

i1,v1 Dòng, áp trên cuộn sơ cấp f Tần số đóng cắt

i2,v2 Dòng, áp trên cuộn thứ cấp T Chu kỳ đóng cắt

Trong bộ biến đổi Flyback, van S mắc nối tiếp với cuộn sơ cấp máy biến áp Máy biến áp được sử dụng để dự trữ năng lượng trong suốt chu kỳ van dẫn, đồng thời cách ly giữa nguồn và tải Khi S dẫn, phía cuộn sơ cấp đánh dấu chấm có điện thế dương hơn so với phía không đánh dấu chấm, Diode D bị phân cực ngược, máy biến áp trở thành cuộn dây Cuộn dây này có điện cảm của máy biến áp Lm và dự trữ năng lượng từ hóa từ nguồn Vi Vì vậy, dòng từ hóa Im trong cuộn sơ cấp máy biến áp tăng tuyến tính từ giá trị ban đầu I1 tới Ipeak Khi D khóa, tải được cung cấp năng lượng từ tụ C như mạch boost Khi S bắt đầu khóa, Im tiếp tục chảy theo chiều cũ Im gây ra điện thế âm tại điểm có dấu chấm của cuộn sơ cấp máy biến áp so với điểm không có chấm Điều này làm Diode D dẫn và giữ điện áp trên cuộn thứ cấp máy biến áp bằng với điện áp ra Năng lượng dự trữ trong cuộn sơ cấp chuyển qua cuộn thứ cấp, cung cấp ra tải và nạp cho tụ C

Quan hệ điện áp vào ra:

.1

Việc điều khiển mạch thông qua đóng cắt khóa chủ động khóa S và bị động khóa

D Xét trong một chu kỳ làm việc mạch trải qua 3 trạng thái như sau

Trạng thái 1: 0< t ≤ DT (S ON – D OFF) Trong khoảng thời gian này khóa S

ON, cuộn dây Lm được nối với điện áp nguồn khi đó cuộn dây sẽ được nạp năng lượng, dòng điện i(t) tăng lên i(t)=L dV dt m( i / ) Do kết cấu biến áp xung, cuộn sơ cấp và thứ cấp được đấu nối ngược cực tính nhau nên trong khoảng thời gian D thì điện áp bên

sơ cấp dương thì điện áp bên thứ cấp sẽ mang tính âm, do đó diode D khóa không dẫn Vì vậy trong khoảng thời gian này thì dòng tải đầu ra sẽ được duy trì thông qua năng lượng được tích trữ trên tụ điện đầu ra C

Hình 2.6 Các trạng thái đóng cắt[3]

Van S dẫn D không dẫn, Van S không dẫn D dẫn, Van S, D không dẫn

Trạng thái 2: DT < t ≤ (D+D1)T (S OFF – D ON) Trong khoảng thời gian này thì khóa S OFF ngắt cuộn dây L ra khỏi lưới, do tính chất dòng điện trong cuộn cảm không thể biến đổi đột ngột đo đó dòng điện i(t) được khép vòng qua cuộn sơ cấp của biến áp lý tưởng Vì vậy đã làm đảo dấu điện áp bên sơ cấp Điện áp bên thứ cấp dương

do đó Diode D thông nên năng lượng tích trữ trên cuộn cảm ở khoảng thời gian trước được phòng ra nạp tụ và dòng tải







Trạng thái 3: (D+D1)T T (S OFF – D OFF) Nếu sau trạng thái 2 mà vẫn còn năng lượng tích trữ trên biến áp thì sẽ có trạng thái thứ 3 này Trong khoảng thời gian này khi năng lượng trên cuộn cảm đã được phóng hết thì khóa D được khóa lại Khi đó dòng tải lại được duy trì trong thông qua năng lượng được tích trữ trên tụ điện đầu ra C

và 2 như đã phân tích ở trên

- Chế độ dòng gián đoạn (DCM) tức là quá trình làm việc trong một chu kỳ đóng cắt thì dòng điện từ hóa luôn về 0 Vì thế, trong chế độ này mạch hoạt động với cả 3 trạng thái như đã phân tích ở trên

Bảng 2.3 So sánh giữa chế độ dòng liên tục (CCM) và dòng gián đoạn (DCM)

Tổn hao trên van khóa, cuộn thứ cấp, lõi từ MBA lớn………

Điện áp trên van khóa MOSFET lớn

Để chọn được cấu hình cũng như chế độ phù hợp với yêu cầu bài toán đặt ra ta sẽ

đi tìm hiểu các ưu, nhược điểm của các chế độ như đã được tổng hợp trên bảng 2.3 Trên thực tế còn có chế độ ở giữa CCM và DCM được gọi là chế độ dòng biên giới Chế độ này hoạt động tương đương với chế độ DCM nhưng đối với bài toán có đầu vào là dải rộng thì để đảm bảo hoạt động ở chế độ này thì tần số chuyển mạch của ta sẽ bị thay đổi lớn sẽ làm khó khăn trong quá trình điều khiển chuyển mạch và đơn giản hóa cấu trúc mạch Vì vậy, trong luận văn này ta tạm thời không xét đến chế độ dòng ở biên giới này

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

+ Với công suất nhỏ 9W, thiết kế nhỏ gọn thì DCM có tổn hao không quá lớn, giá trị điển cảm và biến áp xung nhỏ so với CCM

+ Điện áp chênh lệch đầu vào (120~375VDC) và ra (9V) thì DCM đáp ứng tốt hơn so với 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 gian 0 t DT

Trong khoảng thời gian van dẫn DT, dòng điện qua cuộn sơ cấp của máy biến áp tăng

dần bắt đầu từ 0 với sườn tang (v i (t)/L m) cho đến cuối của quá trình này thì dòng điện qua cuộn cảm (hay chính là dòng điện sơ cấp) đạt được giá trị lớn nhất i1pk:

Xét trong khoảng thời gian DT t (D D )T 1

Dựa vào quan hệ dòng điện giữa các cuộn của biến áp xung ta có giá trị đỉnh của dòng điện bên cuộn thứ cấp i2pk:

Mặt khác, đối với mạch hoạt động trong chế độ gián đoạn nên điện áp trung bình trên cuộn cảm trong mỗi chu kỳ là bằng 0 do đó ta có:

Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật chíp LED LUXEON-T-LXH8-FW50

Điện áp khi dòng định mức Vđm = 3,2 V

Dòng điện cực đại cho phép Imax =2,700 mA

Điện trở LED khi ON RLED = 0,9 Ω (+ Rshunt 0,1 Ω)

Bảng 2.5 Thông số đầu vào và lựa chọn tính toán Điện áp đầu vào DC Max (ứng 265VAC) Vi,max = 265√ =375 V

Điện áp đầu vào DC Min (ứng 85VAC) Vi,min = 85√ = 120 V

Độ đập mạch điện áp ra ΔVo = ΔIoRLED = 0,05.1.0,9 = 0,045 V

Tính toán và thiết kế biến áp xung

 Tính giá trị điện cảm sơ cấp

Xét trong điều kiện trạng thái làm việc ổn định thì giá trị trung bình trong một chu

kỳ sẽ tương đương với giá trị trung bình làm việc của mạch

 Thiết kế biến áp xung theo phương pháp hệ số hình dáng Kg[5]

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

5 i,min

MLT=4,34 cm Chiều dài trung bình 1 vòng dây

Ac= 0.331 cm2 Diện tích mặt cắt Wa= 0.315 cm2 Diện tích cửa sổ lõi

Hình 2.8 Lõi Ferrite EE

- Tính toán số vòng cuộn sơ cấp:

6

pk m 1

g c

- Khi có hệ số từ tản ta hiệu chỉnh lại số vòng dây cuộn sơ cấp cho thích hợp:

52114,86

N N n

Tính chọn van

Giá trị dòng điện peak qua van chính là dòng peak qua cuộn sơ cấp:

Ipk = 1,04 A Điện áp peak trên van bằng 2 lần điện áp sau chỉnh lưu, Để hạn chế điện áp peak qua van ta sử dụng mạch snubber RCD để hạn chế giá trị này VDS = 450 V Vì vậy, ta sẽ chọn van điều khiển là van IRF 820

Bảng 2.7 Thông số của MOSFET IRF 820

Tính chọn mạch bảo vệ RCD

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

“snubber RCD” để hạn chế điện áp peak cho van như hình 2.9

Thực hiện phép đo điện cảm sơ cấp bằng phép đo ngắn mạch thứ cấp với máy đo RLC ta có điện cảm dò của cuộn sơ cấp:

Le = 10,28 µH

- Ta có năng lượng tích trữ trên điện cảm tản:

2

e pk e

L IW

2



Hình 2.9 Mạch bảo vệ RCD

- Công suất trên điện cảm tản:

e pk e

Bảng 2.8 Thông số Diode SF18 Giá trị dòng điện peak IFSM = 30 A Giá trị dòng điện trung bình IF = 1 A Thời gian phục hồi lớn nhất Trr = 30 ns Điện áp ngược lớn nhất VKA,max = 600 V

Chọn Diode đầu ra

Dựa vào quan hệ trên biến áp ta có giá trị dòng điện peak qua Diode

ID,pk = n.Ipk = 4,86 1,04 = 5,05 A

Giá trị dòng điện trung bình qua Diode:

ID,av = D1.ID,pk = 0,5 5,02 = 2,52 A Điện áp ngược đặt lên Diode:

Do là nguồn switching nên ta cần chọn Diode loại có thời gian phục hồi nhanh Do

đó, ta chọn Diode schottky SF58 có thông số như sau:

Bảng 2.9 Thông số Diode SF58 Dòng điện trung bình qua van IAV = 5,0 A Dòng điện peak qua van IFSM = 150 A

 Tụ điện đầu ra

Do mạch hoạt động trong chế độ DCM như phân tích nguyên lý hoạt động ở trên,

ta thấy tụ điện là kho tích trữ năng lượng để cung cấp cho tải trong khoảng thời gian D và (1-D-D1) Như vậy theo định luật bảo toàn năng lượng thì ta sẽ có:

22C V V P 1 D T

Chương 3 MÔ HÌNH HÓA VÀ THIẾT KẾ

BỘ ĐIỀU KHIỂN

Thiết kế bộ điều khiển ta sử dụng 2 vòng phản hồi Vòng phản hồi trong cùng là phản hồi dòng (chế độ current mode), vòng phản hồi ngoài là phản hồi áp như hình 3.1

Hình 3.1 Cấu trúc các mạch vòng điều khiển

Vòng áp: Bản chất là một bộ hạn chế điện áp đầu ra, đảm bảo LED không bị quá điện áp khi hoạt động

Vòng dòng: Tác động nhanh, kiểm soát được dòng qua van để bảo vệ van, có 3 cách làm là:

- Điều khiển dòng trung bình qua van

- Điều khiển dòng tức thời (biến đổi có ngưỡng)

- Điều khiển dòng peak qua van

Trong luận văn này ta dùng phương pháp điều khiển dòng peak qua van, khi đó bộ điều khiển dòng đưa ra giá trị dòng điện peak qua van cho mạch vòng peak current bên trong Phương pháp điều khiển dòng peak qua van có ưu điểm:

- Dòng phản hồi là dòng qua van (điện trở phản hồi mắc nối tiếp với van)

- Tác động nhanh, kiểm soát được dòng qua van, nên có khả năng bảo vệ van

- Dễ thực hiện bằng kĩ thuật tương tự, được tích hợp trong IC được dùng phổ biến trong các bộ nguồn DC-DC

Hình 3.2 Cấu trúc điều khiển peak current

is,peak: Dòng peak qua van

ic: Tín hiệu điều khiển dòng peak qua van, được tạo ra sau bộ điều khiển dòng

3.1 Mô hình hóa dùng phương pháp tín hiệu nhỏ

Sử dụng phương pháp tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc ta có:

là thành phần biến thiên của các giá trị tương ứng

Từ phương trình (2.10), ápp dụng khai triển Taylor cho hàm đa biến: