Tìm hiểu nguyên lý ổn dòng của mạch buck converter

Tìm hiểu nguyên lý ổn dòng của mạch buck converter.

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 2

CHƯƠNG I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

1 Tìm hiểu nguyên lý ổn dòng của mạch buck converter 3

2 Tìm hiểu về IC UC3842 5

3 Thiết kế và tính toán mạch nguyên lý nguồn ổn dòng sử dụng UC3842 11

CHƯƠNG II : PHẦN THỰC NGHIỆM 20

1 Tìm hiểu và lắp ráp mạch thử IC UC3842 20

2 Hoàn thiện mạch ổn dòng sử dụng IC UC3842 21

3 Kết quả thực nghiệm 23

CHƯƠNG III : KẾT LUẬN 25

LỜI MỞ ĐẦU.

Ngày nay, trong hầu hết các ngành kinh tế, kĩ thuật, nhất là các ngành côngnghiệp đều áp dụng kĩ thuật tự động hoá Có thể nói, tự động hoá đã làm thayđổi diện mạo nhiều ngành sản xuất, dịch vụ ở nhiều nước đã xuất hiện nhữngnhà máy không có người, văn phòng không có giấy Khắp nơi đã bắt gặpnhững thuật ngữ như Thương mại điện tử, Chính phủ điện tử, Máy thông minh,Thiết bị thông minh

ngày nay Điện tử công suất đã giữ một vai trò quan trọng trong kỹ thuật điệnnói chung Môn học Điện tử công suất đã trở thành môn học bắt buộc đối vớisinh viên các ngành kỹ thuật điện, Tự động hoá

Điện tử công suất là công nghệ biến đổi điện năng từ dạng này sang dạngkhác trong đó các phần tử bán dẫn công suất đóng vai trò trung tâm

Bộ biến đổi điện tử công suất còn được gọi là bộ biến đổi tĩnh (staticconverter) để phân biệt với các máy điện truyền thống (electric machine) biếnđổi điện dựa trên nguyên tắc biến đổi điện từ trường Điện tử công suất đượcứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện đại Có thể kể đếncác ngành kỹ thuật mà trong đó có những ứng dụng tiêu biểu của các bộ biếnđổi bán dẫn công suất như truyền động điện, giao thông đường sắt, nấu luyệnthép, gia nhiệt cảm ứng, điện phân nhôm từ quặng mỏ, các quá trình điện phântrong công nghiệp hóa chất, trong rất nhiều các thiết bị công nghiệp và dân dụngkhác nhau Trong những năm gần đây công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫncông suất đã có những tiến bộ vượt bậc và ngày càng trở nên hoàn thiện dẫn đếnviệc chế tạo các bộ biến dổi ngày càng nhỏ gọn, nhiều tính năng và sử dụngngày càng dễ dàng hơn

Trong thời gian thực tập tại trường ĐHBK Hà Nội với nội dung :“ Thiết kếnguồn DC-DC ổn dòng có điện áp đầu vào 24 V-DC, đầu ra có dòng điện I=350(mA), P=7 W“ Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Trung Kiên đã hướngdẫn tận tình và tạo mọi điều kiện để em hoàn thành thực tập với kết quả tốt nhất

Hà nội ,ngày 09 tháng 04 năm 2011.

Hà Thế Tài

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1 Tìm hiểu về nguyên lý ổn dòng của mạch buck converter.

* Nguyên lý làm việc của mạch buck converter.

Hình 1: mạch nguyên lý buck converter

*/ Buck converter là bộ biến đổi mà điện áp đầu ra nhỏ hơn điện áp đầu vào hay

còn được gọi là bộ biến đổi giảm áp ( step-down converter) Hình 1 là sơ đồnguyên lý của buck converter, Mosfet hoạt động như một công tắc(van) nó đóngcắt bằng xung điều khiển ( xung vuông ) với một bộ điều khiển tạo ra xung điềukhiển có tần số đóng cắt lớn cấp cho mosfet.Ở đây ta sử dụng bộ điều chế PWM( Pulse Width Modutlation)

Gọi T là một chu kỳ chuyển mạch,t1 là thời gian van đóng mạch (on-time) và

t2 là thời gian van mở mạch ( off-time) T=t1+t2 Hệ số (giữa thời gian đóng

mạch ( on-time) và chu kỳ chuyển mạch T ) được gọi là chu kì nhiệm vụ ( duty cycle) ( H2)

+/ trong khi on-time của van thì điện áp V1 bằng Vin, Điot D sẽ bị phân cựcngược và khóa lại,khi đó dòng điện Iv sẽ qua cuộn cảm và cuộn cảm L sẽ nạpnăng lượng ( giữ lại thành phần xoay chiều ) Khi van off-time thì cuộn cảm Lphóng điện chống lại sự giảm đột ngột dòng điện trong mạch và tiếp tục dẫndòng điện đi qua tải ,đi qua Rs và diode, kết quả điện áp V1 bằng 0 Trong thờigian van off-time thì điện áp V1 bằng 0 nhưng dòng điện IL vẫn không giảm về

0.Đây được gọi là chế độ continuous mode.

+/ ở chế độ này điện áp ra phụ thuộc vào thời gian đóng và mở của van

Vout= *Vin

+/ dòng điện qua cuộn cảm có dạng xung tam giác giá trị trung bình của nóđược xác định bởi tải Độ dao động dòng điện IL = Imax-Imin ,phụ thuộc vào L,

và nó có thể tính toán nhờ định luật Faraday

V=L => ∆i= *V*∆t => ∆IL= (Vin-Vout)*t1= Vout(T-t1)

Với Vout= *Vin và chọn tần số f cho chế độ continuous mode ta có :

∆IL= (Vin-Vout)* (*)

*/ tính toán giá trị cho cuộn cảm L

- tính chọn cuộn cảm có một vấn đề xảy ra là nếu chọn ∆IL rất nhỏ thì cuộn cảm

L phải có giá trị rất lớn để có độ đập mạch tốt Và để tạo ra cuộn cảm có giá trịlớn thì sẽ nặng và đắt Nếu chọn ∆IL nhỏ thì dòng điện điều khiển đóng mostfet

sẽ rất lớn Bởi vậy người ta thường lấy ∆IL=10%Iout.

L= ( Vin-Vout)*

Hình 2: đồ thị điện áp và dòng điện của mạch buck converter

+/ Để điều khiển sự đóng mở của van thì ta có nhiều cách tạo ra xung vuôngđiều khiển nhưng thông dụng nhất và ta sử dụng ở đây đó là giữ nguyên chu kì

T và thay đổi thời gian mở xung t1

+/ Nguyên tắc ổn dòng sử dụng buck converter là ta tạo ra thời gian đóng và

mở van ( hay độ rộng xung điều khiển vào mostfet) sao cho khi dòng điện tăngcao vượt giá trị ngưỡng thì ta phải đóng van lại ngắt dòng điện qua van,khi đóthì cuộn cảm L sẽ phóng điện qua tải (Load)và Rs và điốt => dòng không tănglên mà cũng không giảm về 0 Khi dòng giảm xuống giá trị Imin thì ta phải mởvan cho dòng điện qua van vừa nạp phần xoay chiều lên cuộn cảm và tăng dòngđiện không cho giảm quá giá trị ngưỡng Để làm được điều này ta sử dụng ICUC3842

2.Tìm hiểu về IC UC3842

- Họ UC 1842/3/4/5 cung cấp tối ưu nhất cho các thiết bị off-line và cố định tần

số ở chế độ ổn định dòng điện ( current mode) của các bộ biến đổi DC to DCvới số phần tử ở mạch ngoài là ít nhất Mạch bên trong có phần khóa khi dướiđiện áp, dòng khởi động nhỏ hơn 1mA, bộ so sánh sai lệch dòng điện

Hình 3: sơ đồ cấu trúc IC UC3842.

*/

Các đặc tính cơ bản của UC3842

1 Tối ưu hóa cho ngoại vi và bộ biến đổi DC-DC

2 Dòng khởi động thấp cỡ < 1(1mA)

3 Tự động cấp phản hồi bù

4 Sẽ khóa với trễ khi chưa đạt điện áp

5 Tăng tải theo đặc tính đáp ứng

6 Triệt tiêu xung kép

7 Dòng cao khuếch đại ở đầu ra

8 Sai lệch cường độ dòng điện thấp

9 Hoạt động với tần số tới 500 KHz

- Họ UC384x có 3 loại : loại 8 chân ; loại 14 chân và loại 20 chân

Hình 4: sơ đồ kết nối các chân của họ IC UC384X

*/

Cấu trúc của UC3842 và chức năng của các chân

*/ Chân 1 :( COMP) chân 1 là chân nhận điện áp so sánh, điện áp chân 1 tỉ lệ

thuận với điện áp ra, thông thường thì ta không đấu trực tiếp điện áp phản hồi

mà đấu vào chân 2 qua một điện trở R

Hình 5: sơ đồ mắc chân 1 và chân 2 của IC

*/

chân 2 :(VFB) đây là chân nhận điện áp hồi tiếp, có thể hồi tiếp so quang hoặc

hồi tiếp trực tiếp từ cuộn hồi tiếp sau khi đi qua cầu phân áp, điện áp hồi tiếp vềchân 2 tỷ lệ nghịch với điện áp ra, nếu một lý do nào đó làm điện áp đưa vềchân 2 tăng lên thì điện áp ra sẽ giảm thấp hoặc bị ngắt

*/ Chân 3 ( CURRENT SENSE ) : chân cảm biến dòng, chân này theo dõi điện

áp ở chân S của đèn Mosfet, nếu dòng qua Mosfet tăng => điện áp chân S sẽtăng => điện áp chân 3 sẽ tăng, nếu áp chân 3 tăng đến ngưỡng khoảng 0,6V thìdao động ra sẽ bị ngắt, điện trở chân S xuống mass khoảng 0,22 ohm , nếu điệntrở này tăng trị số hoặc bị thay trị số lớn hơn thì khi chạy có tải là nguồn bị ngắt

-điện áp tối đa phản hồi về chân 3 là 1,1(V) thường ta tính 1 V

- chú ý đối với chân này ta mắc thêm mạch RC như hình vẽ để giảm dòng điện

đi vào chân 3 khi khởi động tăng quá cao.( Hình 7)

Hình 6: sơ đồ mắc chân 3 của IC

Hình 7: dạng sóng ở chân 3 khi không có R-C và khi có R-C.

*/ chân 4 : chân này nối với mạch tạo dao động R-C , điện áp cấp cho mạch dao

động này lấy từ chân 8 ( voltage reference 5 V), người ta thường đưa xung dònghồi tiếp về chân 4 để đồng pha giữa tần số dòng với tần số dao động nguồn, điều

đó đảm bảo khi sò dòng hoạt động tiêu thụ nguồn thì Mosfet nguồn cũng mở đểkịp thời cung cấp, điều đó làm cho điện áp ra không bị sụt áp khi cao áp chạy

Hình 8: sơ đồ mắc chân số 4

*/ chân 5 : đây là chân nối đất ( mass)

*/ chân 6 : chân này là chân tạo ra xung điều khiển van ( xung vuông ), độ rộngcủa xung có thể thay đổi được để phù hợp với yêu cầu của mạch

5 4

2 1

chân 7 : ( VCC) đây là chân nhận điện áp cung cấp cho IC khoảng từ :

20(V-DC )đến 23 (V- 20(V-DC) Điện áp cấp cho chân 7 ban đầu được mắc từ nguồn quamột trở mồi Khi mạch làm việc thì nó được cấp từ một cuộn phụ đã được chỉnhlưu và lọc

5 4

2 1

*/ chân 8 : đây là chân tạo ra điện áp chuẩn 5V cấp cho mạch dao động R-C và

khi điện áp cấp cho chân 7 không đủ thì mạch dao động có thể bị ngắt do điện

áp chân 8 tạo ra không đủ 5V ( H7) Người ta thường thiết kế mạch bảo vệ bám

vào chân 8 khi điện áp không đủ cấp hoặc có vấn đề gì xảy ra trên mạch thì điện

áp cấp cho chân 7 sẽ thay đổi trên hoặc dưới ngưỡng cho phép khi đó chân 8 sẽmất áp chuẩn 5 (V)

3.Thiết kế và tính toán mạch nguyên lý nguồn ổn dòng sử dụng IC UC3842

a mạch nguyên lý nguồn ổn dòng điện áp vào 24 V-DC , dòng điện ra 350 mA Công suất 7 W.

Hình 11 : Sơ đồ mạch nguyên lý nguồn ổn dòng sử dụng nguyên lý buck

converter được xây dựng trên cả lý thuyết và thực nghiệm

Với các thông số của mạch như sau :

R1=10KΩ; R2= 20 KΩ; R3=2 KΩ

R4= 10 KΩ ; R5=100 KΩ ;

- Với dao động R-C ở mạch điều khiển ta chọn tần số là f=50KHz.

b.1 : tính chọn mosfet

- Để tính chọn được mosfet ta phải dựa vào các thông số là điện áp chịu đượccủa van khi van khóa và dòng điện mà van chịu được Ngoài ra còn dựa vàotần số đóng cắt của van, vì đây là phần tử công suất nên vấn đề làm mát cũng rấtquan trọng, thường thì những van có tần số đóng cắt lớn thì tổn thất công suấtcàng lớn Có nhiều các làm mát cho các van công suất như là : làm mát bằngnước ,làm mát quạt gió, làm mát tự nhiên

- Ở đây là mạch thì nghiệm với điện áp 24 V-DC, dòng It=350 mA nên các vanhầu hết đều chịu được, và thời gian làm việc ngắn nên ta chọn phương pháp làmmát tự nhiên

- Từ các thông số như trên ta chọn mosfet loại : IRF540

với các thông số kỹ thuật như sau :

b.2: tính chọn điot

Cũng như tính chọn mosfet, điot cũng là một phần tử công suất.Với thông số

mạch ta chọn loại : 1N1192A có các thông số kỹ thuật như sau :

b.3: tính toán và thiết kế cuộn cảm

- Do ở việt nam,các lõi cuộn cảm không có thông số kỹ thuật chính xác nên việctính chọn chính xác cuộn cảm là rất khó khăn, bởi vậy mà ta chỉ tính gần đúngrồi dùng thực nghiệm tạo ra cuộn cảm với số vòng dây chuẩn

* / Tính toán giá trị của cuộn cảm:

Giả thiết : Uin= const => dòng qua L có dạng tuyến tính

Giả thiết không có tổn hao công suất trên mạch ta có :

 Pin=Pout =P Uin*Iin = Uout*Iout =>Ura= = =20 (V)

*/ Thiết kế cuộn cảm :

-ta chọn lõi ferrite kiểu chữ E

Việc tính toán chính xác số vòng dây và lõi không tính được do lõi mua không

có hệ số từ thẩm bão hòa Bsat bởi vậy mà ta phải thực hiện bằng thực nghiệm.

- Lõi ferrite ở mạch là loại E5724 Có kích thước rộng là : 18.8 (mm)

- số vòng dây ta thực hiện bằng thực nghiệm sao cho độ đập mạch của dòng điện phù hợp với yêu cầu

- kích thước dây đồng : với giá trị mật độ dòng điện thông thường là 5A/mm2, thì với Iout= 350 mA,ta chọn dây có đường kính là : d=0.35 (mm).

b.4 tính chọn điện trở Rs

- để tính chọn được Rs ta phải dựa vào dòng điện phản hồi và điện áp phản hồi.-đối với chế độ current mode thì dòng điện phản hồi sẽ đi vào chân 3 của ICUC3842 ,điện áp tối đa đặt lên chân 3 là 1,1V và dòng điện tối đa đưa về phảnhồi dòng là I = 0,473.4 = 1,892A, do đó điện trở phản hồi dòng có giá trị là :

- điện áp cấp vào cho chân 7 của IC là khoảng 18 V- 23V với điện áp 24 V nên chọn có giá trị là :

R=U/I=6/10-3=6 KΩ

Do khi mắc tải sẽ gây sụt áp nên để có thể chỉnh được điện áp cấp cho IC ổn định thì thay vì ta sử dụng một trở có giá trị cố định thì ta sử dụng một biến trở

có thể chỉnh được : ở đây ta sử dụng biến trở có giá trị R4=10KΩ.Ω.

C.2 tính cấp điện áp so sánh và hồi tiếp cho chân 1 và chân 2.

Hình 14 :sơ đồ mạch phản hồi.

- áp vào chân 1 và chân 2 có giá trị: 2< U1,2 2,5 (V) Và dòng điện là 1mA

- tính chọn và thiết kế sao cho có thể tinh chỉnh được giá trị cấp cho hợp lý Ta cũng lấy điện áp cấp cho chân 1 và 2 như hình vẽ nên vào vẫn là 24V

- điện áp vào chân 1 là 2 V, 1mA => ta cần chọn giá trị của trở là :

R=U/I=(24-2)/10-3=22 KΩ

- cũng như cấp điện áp cho chân 7 ta không sử dụng trở có giá trị cố định

và sử dụng biến trở , ở đây ta sử dụng biến trở R2=20KΩ.Ω

Ta sẽ lắp thêm trở R3= 2 KΩ.Ω tạo cầu phân áp để chỉnh điện áp cho chân 1 dễ

hơn

- Để nguyên thiết kế như tính toán trên lý thuyết thì khi thực nghiệm biến trở bị cháy khi điều chỉnh giá trị, bởi vậy mà lắp thêm điện trở R1=10

KΩ vào mạch nối tiếp với biến trở R2= 20KΩ Khi đó thì việc tinh chỉnh

sẽ thực hiện được trên cả hai biến trở của mạch, mà không bị cháy

- vậy mạch dao động ta sử dụng RT=10 KΩ.Ω & CT=2 (µF).

C.4 tại chân 3 có một điện trở và tụ để giảm sự tăng đột biến của tín hiệu vào

chân 3 Ta chọn R=(1KΩ.Ω) và C=470 pF

C.5 trở mắc từ chân 2 qua chân 1 của IC ta chọn giá trị R= 100KΩ.Ω.

c.kết quả của quá trình thử nghiệm:

+/ IC tạo ra xung vuông tại chân 6 ( nhưng do hôm đó em không mang máy ảnh nên không chụp được hình ảnh để post ở đây ), xung đo được ở chân 6 gần vuông có thể do thiếu điện áp ở chân 7

+/ điện áp đo được ở chân 2 dao động trong khoảng từ 2,2 đến 2,7 V khi chỉnh biến áp 1KΩ

+/ xung đo được ở chân số 4 và số 3 là xung tam giác, tuy nhiên biên độ tại chân 3 nhỏ hơn ở chân 4, biên độ xung tại chân 3 khoảng 1V

+/ khi chỉnh biến trở 1KΩ & 5KΩ thì độ rộng của xung vuông cũng thay đổi

2 Hoàn thiện mạch ổn dòng sử dụng IC UC3842.

a sơ đồ nguyên lý:

với những tính toán ở trên ta có sơ đồ nguyên lý để lắp ráp như sau :

Hình 17 : sơ đồ nguyên lý mạch ổn dòng DC-DC, điện áp vào 24 V-DC,dòng

điện ra tải I t =350 mA.

b sản phẩm sau khi lắp ráp như hình sau :

Hình 18 : mạch sau khi lắp ráp hoàn chỉnh

3.KΩ.ết quả thực nghiệm :

- Điện áp ở chân 1 và chân 2 là 2V:

- Xung tạo ra ở chân 3 là xung tam giác.

CHƯƠNG III KΩ.ẾT LUẬN.

- Sau 6 tuần thực tập tại trường đại học bách khoa hà nội, dưới sự hướngdẫn tận tình của thầy Nguyễn Trung Kiên.Em đã đúc kết cho mình đượcmột số kiến thức cũng như là kinh nghiệm trong công việc thực tế, cũngnhư là phương thức làm việc nhóm,bố trí công việc cho từng người trongnhóm

- Qua việc thực nghiệm em nhận thấy việc tính toán lý thuyết và làm thực

tế tuy có khác rất nhiều nhưng lý thuyết vẫn là nền tảng rất cần thiết để tathực hiện trên thực tế

- Tuy trong thời gian thực tập em cũng đã cố gắng rất nhiều nhưng vẫnchưa đạt được kết quả mà thầy cũng như em mong muốn, nên em biếtmình sẽ phải cố gắng hơn trong những công việc tiếp theo

- Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Trung Kiên trongthời gian qua đã chỉ bảo và hướng dẫn em để em hoàn thành công việccủa mình