Mạch chopper là gì
|
1. Đại cương về biến đổi DC - DC. 1.1. Khái quát về điều áp một chiều Định nghĩa: là bộ điều khiển dòng điện và điện áp một chiều khi nguồn cấp là 1 chiều. *Các phương pháp điều áp 1 chiều
Dòng điện và điện áp được tính: Id= ; Ud= . Rd Nhược điểm của phương pháp là hiệu suất thấp và không điều chỉnh liên tục khi dòng tải lớn
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.
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.
- 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. 1.2.3. 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:
- Không ngắn mạch ở nguồn áp. - Cho phép hở mạch nguồn áp.
- Không hở mạch nguồn dòng. - Cho phép ngắn mạch nguồn dòng. 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. Thông thường, người ta chia ổn áp một chiều ra làm 2 loại: - 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.
Trong bài thí nghiệm này ta khảo sát mạch ổn áp tuyến tính dạng nối tiếp. Sơ đồ khối như sau: - Công suất ổn áp (phần tử điều khiển): Thường là một transistor công suất lớn, hoạt động như một điện trở thay đổi. - So sánh(dò sai): 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. - Tạo điện áp 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. Q1: Công suất ; Q2: Thúc (kiểu darlington) ; Q3: So sánh Zener D: tạo điện thế chuẩn R3, R4,VR: Lấy mẫu C3: 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 - 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. - 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.
- 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.
Mạch dùng thực tập có dạng: ZC
a/ Giải thích vắn tắt nguyên lý hoạt động của mạch (khi vi và IL thay đổi) b/ Cấp vI = +18V, đo điện thế ngõ ra vo , chỉnh VR theo hai chiều. Nhận xét và giải thích. c/ Chỉnh VR để vo=+12V, cho vi thay đổi từ +15V +20V, đo vo, lập bảng theo mẫu sau và vẽ đồ thị V0 = f(vi). Nhận xét đồ thị vo=f(vi). Nhận xét. d/ Cấp vi=+18V, Đo vo khi thay đổi IL (bằng cách thay đổi RL) e/ Không mắc tụ C vào mạch, quan sát sóng dư ngõ ra. Lập lại thí nghiệm. Khi mắc tụ C vào mạch. Nhận xét và giải thích. f/ Giả sử không mắc Co vào mạch, vo bị ảnh hưởng gì? Giải thích?
* Trong mạch có 2 mass, một mass điện và 1 mass máy. Sinh viên khi làm thực tập phải thật cẩn thận, tránh bị điện giật. * Trong bài thực tập dùng SCR và E-MOSTFET kênh N với sơ đồ chân như sau: - Sơ đồ Sơ đồ nguyên lý băm áp một chiều nối tiếp giới thiệu như hình 3.1. theo đó phần tử chuyển mạch tạo các xung điện áp mắc nối tiếp với tải. Điện áp một chiều được điều khiển bằng cách điều khiển thời gian đóng khóa K trong chu kỳ đóng cắt. Trong khoảng thời gian 0t1 (hình b) khóa K đóng điện áp tải bằng điện áp nguồn (Ud = U1), trong khoảng thời gian t1 t2 khóa K mở thì điện áp tải bằng 0. Trị số trung bình điện áp 1 chiều được tính Ud = = Nếu coi γ = : Ud = γ.U1 f = 1/Tck Sơ đồ điển hình có dạng: Dòng điện được xác định bởi phương trình vi phân: U1 = Rd.i + Ld. Trong đó: I: dòng điện tải. Rd: điện trở tải Ld: điện cảm tải Ibđ: dòng điện ban đầu của chu kỳ đang xét (mở hay đóng khóa K); I XL: dòng điện xác lập của chu kỳ đang xét. Khi khóa K đóng ; khi khóa K mở IXL = 0 i = Ibd. + IXL . Hằng số thời gian điện tử của mạch: Td = Độ nhấp nhô được tính: Từ biểu thức thấy rằng, biên độ dao động dòng điện phụ thuộc vào bốn thông số: điện áp nguồn cấp (U1); độ rộng xung điện áp (γ); điện cảm tải (Ld) và chu kỳ chuyển mạch khóa K (Tck). Các thông số: điện áp nguồn cấp, độ rộng xung điện áp phụ thuộc vào yêu cầu điều khiển điện áp tải, điện cảm tải Ld là thông số của tải. Do đó để cải thiện chất lượng dòng điện tải ( giảm nhỏ I) có thể tác động vào Tck. Như vậy, nếu chu kỳ chuyển mạch càng bé (hay tần số chuyển mạch càng lớn ) thì biên độ đập mạch dòng điện càng nhỏ, chất lượng dòng điện 1 chiều càng cao. Do đố bộ điều khiển này thường được thiết kế với tần số cao hàng chục khz. Có thể minh họa bằng giản đồ dòng điện điện áp cho hai tần số khác nhau
Dùng Thyristor:(hình a) hoặc dùng Transistor Dùng Transistor trường (hình c). Dùng IGBT (hình d) Băm áp đảo chiều Sơ đồ như hình vẽ: Theo chiều chạy thuận, điều khiển T1, T3, dòng điện tải iT có chiều hướng xuống như hình vẽ, UAB > 0. Theo chiều chạy ngược, điều khiển T2, T4, dòng điện tải iN có chiều dưới lên như hình vẽ, UAB < 0.
- Nguyên lý băm áp song song. - Tổn hao công suất khi băm áp song song. - Băm áp có hoàn trả năng lượng về nguồn. Sơ đồ:
; Ud = 0 Và khóa k hở: iT = ; Ud = Rd
Trường hợp tổng quát Khi điều chỉnh, chu kỳ xung điện áp không đổi. Khi đó, cứ tăng t1 thì giảm t2 và ngược lại. Khi cần giảm điện áp tải, cần tăng t1 và giảm t2, công suất tổn hao trong biểu thức tăng Do đó, băm áp song song không thích hợp khi tải nhận năng lượng từ lưới. Trường hợp này chỉ xét khi tải có sức điện động (ví dụ cấp điện một chiều về nguồn tải thuần trở) Xét trường hợp khi tải điện cảm và có sức điện động (ví dụ động cơ làm việc ở chế độ hạ tải)
Trong trường hợp tải làm việc cả chế độ nhận năng lượng và trả năng lượng, sơ đồ phối hợp nối tiếp và song song được sử dụng. Khi nhận năng lượng và trả năng lượng từ lưới, điều khiển KN. Khi trả năng lượng về lưới, điều khiển KS. - Băm áp tích lũy điện cảm. - Băm áp tích lũy điện dung. Khi bộ băm nằm giữa nguồn áp với tải nguồn áp, phần tích lũy năng lượng phải là điện cảm Hoạt động Khi T dẫn: iN = iT = iL , iR = iD = 0, UD = -(U+UR), U = L.di/dt, iL tăng tuyến tính Khi D dẫn: iN = iT = 0, iL = iR = iD, UD = -(U+UR), UR = - L.di/dt, iL giảm tuyến tính. Trị số trung bình dòng điện nguồn: IN = γIL Trị số trung bình dòng tải: IR = (1-γ)IL. Bỏ qua tổn hao ta có: UR.IR = UN.IN hay: = = - Sơ đồ và hoạt động. - Các biểu thức cơ bản. - Sơ đồ động lực. Trong khoảng 0t1 transistor dẫn có dòng điện iT chạy qua cuộn dây; diode khóa và chịu một điện áp bằng điện áp nguồn. Trong khoảng thời gian t1t2 transistor khóa, cuộn dây xả năng lượng qua tải bằng dong iD. Dòng điện này đồng thời nạp cho tụ C. Khi transistor dẫn lại, tụ xả qua tải để duy trì dòng điện trên tải. Coi điện dung của tụ lớn, dòng điện iC qua tải bây giờ gần như không đổi Các biểu thức cơ bản Khi T dẫn, diode chịu một điện áp: UD = UN + UC = UN +Utải Khi T khóa, nó chịu một điện áp: UT = UN + UC = UN +Utải Các giá trị dòng điện iN = Id ; IL = IN + Id = Id Ud = UC = E0 - ; Nếu coi R0 = 0, ta có: Ud = E0; UN = E0 - Id
Utải = γU1
Sơ đồ khối - Khâu tạo tần số; có nhiệm vụ tạo điện áp tưa răng cưa Urc với tần số theo ý muốn người thiết kế. Tần số của các bộ điều áp một chiều thường chọn khá lớn ( hàng chục KHz). Tần số này lớn hay bé là do khả năng chịu tần số của van bán dẫn. Nếu van đọng lực là Thyristor tần số của khâu tạo tần số khoảng 1-5 KHz. Nếu van động lực là transistor lưỡng cực, trường, IGBT tần số có thể hàng chục kHz. - Khâu so sánh: có nhiệm vụ xác định thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển. Tại thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển thì phát lệnh mở hoặc khóa van bán dẫn. - Khâu tạo xung, khuếch đại: có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở van bán dẫn. Một xung đượccoi là phù hợp để mở van là xung có đủ công suất (đủ dòng điện và điện áp điều khiển), cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực được sử dụng. Các khâu cơ bản
R1 =R2 = R ; T= 2RCl.ln3 = 2RC.1,1 = 2,2.RC
f= Mạch dao động bằng IC 566
3.6.5.2.1. Mạch khuếch đại cho điều áp một chiều bằng Thyristor Sơ đồ mạch Sơ đồ mạch khuếch đại (tiếp)
Video liên quan |
