BIẾN ĐỔI DC-DC (DC-DC converter) A. MỤC TIÊU - Trình bày được nhiệm vụ và chức năng từng khối của bộ biến đổi DC - DC. - Lắp ráp được bộ biến đổi DC - DC không cách ly. - Lắp ráp được bộ ổn áp tuyến tính khả điều chỉnh.
- Kiểm tra, sửa chữa được những hư hỏng trong mạch biến đổi DC - DC theo đúng yêu cầu kỹ thuật. - Sử dụng đúng chức năng các loại mạch biến đổi DC - DC đáp ứng từng thiết bị điện điện tử thực tế B. Đại cương về biến đổi DC - DC. Khái quát về điều áp một chiều Bộ biến đổi DC-DC là bộ điều khiển dòng điện và điện áp một chiều khi nguồn cấp là 1 chiều.
Các phương pháp điều áp 1 chiều - Điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện trở. - Điều khiển liên tục bằng cách mắc nối tiếp với tải 1 Transistor. - Điều khiển bằng băm áp (xung áp). Điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện trở Sơ đồ Hình 3.
Điều áp bằng mắc nối tiếp điện trở 67 Dòng điện và điện áp được tính: U U I = 1 ;U = 1 .R d R +R d R +R d f d f d Nhược điểm của phương pháp là hiệu suất thấp và không điều chỉnh liên tục khi dòng tải lớn 3. Điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một transistor a. Điều áp bằng mắc nối tiếp transistor Dòng điện và điện áp được tính: IC = ßIB ; UT = U1 – IC.Rd Điện áp qua Rd: Ud = Ic.Rd = ßIB Rd Nhược điểm của phương pháp là tổn hao trên transistor lớn, phát nhiệt nhiều làm transistor dễ hỏng. Điều khiển bằng băm áp (băm xung) Băm áp một chiều là bộ biến đổi điện áp một chiều thành xung điện áp.
Điều chỉnh độ rộng xung điện áp, điều chỉnh được trị số trung bình của tải. Điều áp bằng băm xung Các bộ băm áp một chiều có thể thực hiện theo sơ đồ mạch nối tiếp) phần tử nối tiếp đóng cắt với tải) hoặc theo sơ đồ mạch song song. Nguồn cấp trong băm xung 1 chiều Nguồn áp: là nguồn mà dạng sóng và giá trị điện áp của nó không phụ thuộc vào dòng điện)kể cả giá trị cũng như tốc độ biến thiên). Đặc trưng cơ bản của nguồn áp là điện áp không đổi và điện trở trong nhỏ để sụt áp trong nguồn nhỏ.
Nguồn dòng: là nguồn mà dạng sóng và giá trị dòng điện của nó không phụ thuộc vào điện áp của nó (kể cả giá trị cũng như tốc độ biến thiên). Đặc trưng cơ bản của nguồn dòng là dòng điện không đổi và điện trở lớn để sụt dòng trong nguồn nhỏ. Tính thuận nghịch của nguồn Nguồn có tính thuận nghịch - Điện áp có thể không đảo chiều (acquy) hay đảo chiều (máy phát điện một chiều) - Dòng điện thường có thể đảo chiều - Công suất p = u.i có thể đổi chiều khi một trong hai đại lượng u, i đảo chiều. Cải thiện đặc tính của nguồn - Nguồn áp thường có Ro, Lo, khi có dòng điện R0i, L(di/dt) làm cho điện áp trên cực thay đổi.
Để cải thiện đặc tính của nguồn áp người ta thường mắc song song với nguồn 1 tụ. - Tương tự, nguồn dòng có Z0 = ∞. Khi có biến thiên du/dt làm cho dòng điện thay đổi. Để cải thiện đặc tính nguồn dòng người ta mắc nối tiếp với nguồn 1 điện cảm.
- Chuyển đổi nguồn áp thành nguồn dòng và ngược lại: Hình 3. Chuyển đổi qua lại nguồn II. Sơ lược về lý thuyết ổn áp Mạch ổn áp một chiều còn được gọi là mạch biến đổi DC-DC, đây là một mạch biến đổi từ điện áp một chiều này thành điện áp một chiều khác. Sơ đồ khối bộ ổn áp Thông thường, ổn áp được phân thành 2 loại: - Ổn áp tuyến tính.
- Ổn áp ngắt mở (switching regulator). Dù là loại nào, một mạch ổn áp cũng phải đạt 2 chức năng: - Ổn định điện áp ngõ ra khi điện áp ngõ vào thay đổi và khi dòng tải thay đổi. - Giảm đến mức thấp nhất sóng dư ở ngõ ra. Ổn áp tuyến tính Trong bài thí nghiệm này ta khảo sát mạch ổn áp tuyến tính dạng nối tiếp.
Sơ đồ khối như sau: Hình 3. Sơ đồ khối bộ ổn áp tuyến tính 70 - Công suất ổn áp: Thường là một transistor công suất lớn, hoạt động như một điện trở thay đổi. - So sánh: So sánh điện thế lấy mẫu và điện thế chuẩn để tạo thành điện thế điều khiển VDK để điều khiển mạch kích tạo dòng kích cho công suất. - Chuẩn: Tạo điện thế chuẩn Vref cho mạch so sánh (thường dùng zener).
- Lấy mẫu: Lấy một phần điện thế ngõ ra so sánh với điện thế chuẩn (điện thế lấy mẫu thay đổi theo điện thế ngõ ra vo). Nguyên tắc hoạt động: vo=vi-AV Giả sử khi vo thay đổi (vì lý do nào đó), điện thế lấy mẫu thay đổi theo trong khi điện thế chuẩn không đổi nên ngõ ra VDK của mạch so sánh thay đổi, điện thế VDK này điều khiển mạch kích và công suất thay đổi độ hoạt động (chạy mạnh/chạy yếu) để thay đổi AV sao cho vo ổn định. Ổn áp tuyến tính dùng zenner transistor Hình 3. Mạch ổn áp cơ bản dùng zener transistor Q1: Công suất ; Q2: Thúc (kiểu darlington) ;Q3: So sánh Zener D: tạo điện thế chuẩnR3, R4,VR: Lấy mẫu 71 C2: Giảm sóng dư ngõ ra Do dòng tải IL chạy thẳng và thường trực qua Q1 nên Q1 phải có công suất lớn và phải được giải nhiệt cẩn thận.
Mạch thường có một điện trở R công suất lớn để chia bớt dòng qua Q1 4. Ổn áp ngắt mở - Tuy có rất nhiều dạng, nhưng đa số đều dùng phương pháp biến điệu độ rộng xung. - Nguyên lý chung vẫn như mạch ổn áp tuyến tính nhưng thay mạch khuếch đại kích bằng một mạch dao động tạo sóng vuông. Tín hiệu ra của mạch dao động kích vào transistor công suất ổn áp (thường là BJT hoặc MOSFET công suất lớn), mức cao của xung vuông làm transistor bảo hòa, mức thấp làm transistor ngưng.
Như vậy công suất ổn áp hoạt động như một chuyển mạch (switch). - Dao động tạo xung vuông có thể là đa hài (công suất độc lập với mạch dao động) hoặc thông dụng hơn là dao động blocking (công suất tham gia vào mạch dao động) do cách ly được mass điện.8 Ổn áp ngắt mở 72 -` Khi chưa mắc tụ lọc ngõ ra, v0 có dạng xung với biên độ đỉnh bằng vi khi SW ở trạng thái ON và v0=0 khi SW ở trạng thái OFF. Trị trung bình của v0 là Ta thấy: Để thay đổi trị trung bình ngõ ra vo ta có thể: - Thay đổi thời gian SW ở trạng thái ON (Transistor dẫn bảo hòa) - Thay đổi tần số của mạch dao động (Tức thay đổi chu kỳ T) - Hoặc thay đổi cả hai Thực tế, để tiện việc thiết kế và kiểm soát, thường người ta giữ nguyên tần số dao động (thực tế trong máy thu hình, monitor máy tính…. Người ta dùng xung quét ngang đưa về để giữ cho tần số dao động bằng với tần số quét ngang), tín hiệu lấy mẫu chỉ làm thay đổi độ rộng của xung vuông tức thay đổi thời gian dẫn, ngưng của transistor công suất, tức Tx.
- Để ổn định vo, thí dụ khi vi cao người ta giảm Tx, khi vi giảm người ta tăng Tx. - Mạch thường được thiết kế ở tần số khá cao (hơn 10KHz) nên tụ lọc ngõ ra không cần lớn mà vẫn bảo đảm được việc giảm tối đa sóng dư (vo gần lý tưởng). - Để tạo ra nhiều loại điện áp khác nhau, nhất là cách ly được mass điện và mass máy (chống giật), người ta thường thiết kế bộ nguồn có biến áp xung. Tùy theo tần số hoạt động của mạch và số vòng cuộn sơ cấp, thứ cấp mà ta có được các điện áp khác nhau theo yêu cầu.
D B+ B1 - B2 OSC - SW D Hình 3. Sơ đồ mạch ổn áp ngắt mở III. Bộ băm tăng áp (boost) Sơ đồ 73 Hình 3. Sơ đồ mạch tăng áp boost Mạch điện này sẽ gồm 4 linh kiện điện tử cơ bản đó là cuộn dây L1, khóa chuyển mạch Mosfet ( có thể là BJT) ,diode D1 và tụ điện C1.
Chức năng của mạch này là biến đổi điện áp vào từ điện áp thấp thành điện áp ra cao hơn. Hoạt động Khi Mosfet dẫn (kích vào chân G) lúc này điện áp trở L1 = Vin (giả thiết van là lý tường tức khi thông dòng trở CE bằng 0) lúc này diode D1 ngắt do bị phân cực ngược và nó sẽ cắt mạch tải ra khỏi nguồn E đồng thời dòng trong cuộn dây L sẽ xuất hiện và tăng từ dần từ giá trị ban đầu là Imin nào đó, lúc này dòng qua tải được duy trì nhờ tụ C đóng vài trò là nguồn (Tụ C phóng) và đến thời điểm ta cho Mosfet ngắt lúc này trên cuộn dây L1 xuất hiện 1 điện áp tự cảm chống lại sự giảm dòng il. Điện áp tự cảm này cộng với nguồn Vin có chiều + đặt vầo chân Anot của diode làm diode dẫn ngay lập tực và nó nạp bổ xung cho tụ C. Quá trình như vậy cứ lặp đi lặp ra và có điện áp cấp cho tải.
Ngày nay các nhà sản xuất đã tích hợp sẵn những phần tử khóa chuyển mạch sẵn trong những IC chuyên dụng và những ic đó gọi là IC boost điển hình trong thực tế đó là IC LM27313. Sơ đồ mạch tăng áp boost dùng LM27313 74 Nguyên lý hoạt động: Nhìn vào sơ đồ trên các bạn thấy nó vẫn bao gồm những linh kiện cơ bản trong mạch boost đó là cuộn dây L1 ,diode D1, tụ điện C3 và khóa chuyển mạch nó tích hợp sẵn trong IC LM27313. Hai điện trở R2, R3 có nhiệm vụ lấy mẫy điện áp đầu ra đưa về chân feedback để khống chế dao động nếu điện áp ra bị tăng quá cao hoặc bị giảm quá thấp. Ứng dụng Mạch tăng áp boost thường được dùng làm mạch nguồn DC cần nguồn điện áp tăng so với nguồn đã có.
Ngoài ra mạch boost còn được dùng làm mạch desunfat bảo dưỡng ắc quy, cấp nguồn cho các thiết bị đòi hỏi điện áp cao cỡ vài chục Vôn nhưng nguồn cấp có điện áp thấp cỡ 1.Nâng áp trong các mạnh nguồn xung như TV, LED. Sơ đồ mạch giảm áp buck Mạch điện này cũng gồm 4 linh kiện điện cơ bản đó là: Khóa chuyển mạch điện tử, diode D1, cuộn dây L1 và tụ điện C1 Hoạt động Khi Transistor dẫn khi đó dòng qua transistor cũng chính là dòng qua L1 và nạp vào cho tụ điện và duy trì dòng qua tải.
