§å ¸n m¹ch t¬ng tù

GVHD: Lª V¨n Ch ¬ng

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn

...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
Ngày…. Tháng….năm 2010
Ký tên

Líp: 49K-§TVT

Trang 1


§å ¸n m¹ch t¬ng tù

GVHD: Lª V¨n Ch ¬ng

Nhận xét của giáo viên

...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
Ngày….tháng…năm 2010

Ký tên

Líp: 49K-§TVT

Trang 2


§å ¸n m¹ch t¬ng tù

GVHD: Lª V¨n Ch ¬ng

MôC LôC
Lời mở đầu ..........................................................................................Trang 03
Cơ sở lý thuyết .................................................................................... Trang 05
I. Định nghĩa tổng quát ................................................................... Trang 05
1. Định nghĩa về bội áp................................................................ Trang
II. Các bộ biến đổi DC-DC ............................................................ Trang 05
1. Bộ biến đổi giảm áp ................................................................ Trang
2. Bộ biến đổi tăng áp ................................................................. Trang
3. Bộ biến đổi đảo áp .................................................................. Trang

Thiết kế và tính toán mạch biến đổi nguồn 5VDC lên 12VDC ....... Trang 13
I. Thiết kế khối tạo xung ................................................................. Trang
II. Thiết kế và tính toán cho toàn mạch ........................................... Trang
1. Thiết kế mạch nguyên lý ......................................................... Trang
2. Tính toán các linh kiện ............................................................ Trang

Kết luận chung .................................................................................... Trang

Líp: 49K-§TVT


Trang 3


Đồ án mạch tơng tự

GVHD: Lê Văn Ch ơng

LI M U
Trong lnh vc k thut hin i ngy nay, vic ch to ra cỏc b
chuyn i ngun cú cht lng in ỏp cao, kớch thc nh gn cho cỏc thit
b s dng in l ht sc cn thit. Quỏ trỡnh x lý bin i in ỏp 1 chiu
thnh in ỏp mt chiu khỏc gi l quỏ trỡnh bin i DC-DC. Mt b nõng
in ỏp l mt b bin i DC-DC cú in ỏp u ra ln hn in ỏp u vo.
B bin i DC-DC tng ỏp hay c s dng mch mt chiu trung gian ca
thit b bin i in nng cụng sut va c bit l cỏc h thng phỏt in s
dng nng lng tỏi to (sc giú, mt tri). Cu trỳc mch ca b bin i vn
khụng phc tp nhng vn iu khin nhm t c hiu sut bin i cao
v m bo n nh luụn l mc tiờu ca cỏc cụng trỡnh nghiờn cu. Thờm vo
ú, b bin i l i tng iu khin tng i phc tp do mụ hỡnh cú tớnh
phi tuyn.
Di õy l mt trong nhng ng dng ca in t tng t trong cuc
sng hng ngy ú l Thit k mch bin di ngun 5VDC lờn 12VDC trong
bi ỏn ny. Em hi vọng rằng sau khi hoàn thành đồ án này nó sẽ giúp em
củng cố lại kiến thức mà em đã tích lũy đợc trong suốt thời gian học tập và với ớc mong nó sẽ là một điểm tựa cơ bản cho em sau khi ra trờng.
Trong quá trình làm đồ án em đã đợc sự hớng dẫn tận tình của thầy Lê
Văn Chơng. Mặc dù đã cố gắng hết sức nhng là một lĩnh vực mới đối với em,
nên không tránh khỏi những thiếu sót về nội dung và phơng pháp trình bày. Em
rất mong đợc sự chỉ bảo hớng dẫn của thầy cô và ý kiến đóng góp của các bạn
để đề tài của em đợc hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viờn thc hin

Lớp: 49K-ĐTVT

Trang 4


§å ¸n m¹ch t¬ng tù

GVHD: Lª V¨n Ch ¬ng

PhÇn 1
C¬ së lý thuyÕt
I. ĐỊNH NGHĨA TỔNG QUÁT:
I.2. Định nghĩa về bội áp:
Đây là quá trình biến đổi điện áp một chiều U v từ giá trị này sang các giá trị
khác thấp hơn hoặc cao hơn, hoặc có dấu ngược lại. Nó thường dùng để tạo ra
cao áp một chiều công suất nhỏ trong các thiết bị điện tử lưu động.Ví dụ: vợt bắt
muỗi, dùi cui điện...
II. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC (DC-DC converter)
Có hai cách để thực hiện các bộ biến đổi DC-DC kiểu chuyển mạch: dùng
các tụ điện chuyển mạch, và dùng các điện cảm chuyển mạch. Giải pháp dùng
điện cảm chuyển mạch có ưu thế hơn ở các mạch công suất lớn.
Các bộ biến đổi DC-DC cổ điển dùng điện cảm chuyển mạch bao gồm: buck
(giảm áp), boost (tăng áp), và buck-boost/inverting (đảo dấu điện áp). Hình 1.1
thể hiện sơ đồ nguyên lý của các bộ biến đổi này. Với những cách bố trí điện
cảm, khóa chuyển mạch, và diode khác nhau, các bộ biến đổi này thực hiện
những mục tiêu khác nhau, nhưng nguyên tắc hoạt động thì đều dựa trên hiện
tượng duy trì dòng điện đi qua điện cảm.


Hình 1.1. Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch bằng điện cảm

II.1. Bộ biến đổi giảm áp (buck converter)

Líp: 49K-§TVT

Trang 5


§å ¸n m¹ch t¬ng tù

GVHD: Lª V¨n Ch ¬ng

1. Sơ đồ nguyên lí cơ bản của mạch buck:

Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lí mạch giảm áp (buck).
2. Nguyên lí hoạt động:
Đây là kiểu biến đổi nguồn cho điện áp đầu ra nhỏ hơn so với điện áp đầu
vào tức là VinMạch có cấu tạo nguyên lý đơn giản chỉ dùng một van đóng cắt nguồn điện
và phần lọc đầu ra. Điện áp đầu ra được điều biến theo độ rộng xung.
Khi " Switch On" được đóng tức là nối nguồn vào mạch thì lúc đó dòng điện
đi qua cuộn cảm và dòng điện trong cuộn cảm tăng lên, tại thời điểm này thì tụ
điện được nạp đồng thời cũng cung cấp dòng điện qua tải. Chiều dòng điện được
chạy theo hình vẽ.
Khi " Swith Off" được mở ra tức là ngắt nguồn ra khỏi mạch. Khi đó trong
cuộn cảm tích lũy năng lượng từ trường và tụ điện điện được tích lũy trước đó
sẽ phóng qua tải. Cuộn cảm có xu hướng giữ cho dòng điện không đổi và giảm
dần. Chiều của dòng điện trong thời điểm này như trên hình vẽ.

Quá trình đóng cắt liên tục tạo tải một điện áp trung bình theo luật băm xung
PWM. Dòng điện qua tải sẽ ở dạng xung tam giác đảm bảo cho dòng liên tục
qua tải. Tần số đóng cắt khá cao để đảm bảo triệt nhiễu công suất cho mạch.

Líp: 49K-§TVT

Trang 6


§å ¸n m¹ch t¬ng tù

GVHD: Lª V¨n Ch ¬ng

Van công suất thường sử dụng các van như Transitor tốc độ cao, Mosfet hay
IGBT...
Ở trạng thái xác lập, dòng điện đi qua điện cảm sẽ thay đổi tuần hoàn, với
giá trị của dòng điện ở cuối chu kỳ trước bằng với giá trị của dòng điện ở đầu
chu kỳ sau. Xét trường hợp dòng điện tải có giá trị đủ lớn để dòng điện qua điện
cảm là liên tục. Giản đồ thời gian dòng qua cuộn cảm như hình 1.3.
Vì điện cảm không tiêu thụ năng lượng (điện cảm lý tưởng), hay công suất
trung bình trên điện cảm là bằng 0, và dòng điện trung bình của điện cảm là
khác 0, điện áp rơi trung bình trên điện cảm phải là 0.
Gọi T là chu kỳ chuyển mạch (switching cycle), T1 là thời gian đóng khóa
(van), và T2 là thời gian ngắt khóa (van). Như vậy, T = T 1 + T2. Giả sử điện áp
rơi trên diode, và dao động điện áp ngõ ra là khá nhỏ so với giá trị của điện áp
ngõ vào và ngõ ra. Khi đó, điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi đóng khóa
(van) là (T1/T)×(Vin − Vout), còn điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt
khóa (van) là −(T2/T)×Vout.
T1

T2

t

itải
iL,min

t

Hình 1.3: Giản đồ thời gian dòng điện qua cuộn dây theo thời gian.
Điều kiện điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 có thể được biểu diễn là:
(T1/T)×(Vin − Vout) − (T2/T)×Vout = 0
hay
Líp: 49K-§TVT

Trang 7


§å ¸n m¹ch t¬ng tù

GVHD: Lª V¨n Ch ¬ng

(T1/T)×Vin − ((T1 + T2)/T)×Vout = 0 => (T1/T)×Vin = Vout
Giá trị D = T1/T thường được gọi là chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle). Như vậy,
Vout = Vin×D. D thay đổi từ 0 đến 1 (không bao gồm các giá trị 0 và 1), do đó 0
Với các bộ biến đổi buck, vấn đề thường được đặt ra như sau: cho biết phạm
vi thay đổi của điện áp ngõ vào V in, giá trị điện áp ngõ ra V out, độ dao động điện
áp ngõ ra cho phép, dòng điện tải tối thiểu I out,min, xác định giá trị của điện cảm,
tụ điện, tần số chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ, để đảm

bảo ổn định được điện áp ngõ ra.
Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra xác định
phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ D: Dmin=Vout/Vin,max, và Dmax = Vout/Vin,min.

T1

T2

t
itải

∆Ion

∆Ioff

t
Hình 1.4. Giản đồ thời gian tại biên của dòng tải liên tục và gián đoạn.
Thông thường, các bộ biến đổi buck chỉ nên làm việc ở chế độ dòng điện
liên tục qua điện cảm. Từ hình 1.4 ta có: tại biên của chế độ dòng điện liên tục
và gián đoạn, dòng qua cuộn cảm thay đổi một lượng ∆I = ∆I on + ∆Ioff và bằng 2
lần dòng điện tải (Itải).
Líp: 49K-§TVT

Trang 8


§å ¸n m¹ch t¬ng tù

GVHD: Lª V¨n Ch ¬ng

Như vậy, để dòng tải là liên tục thì độ thay đổi dòng điện cho phép bằng 2
lần dòng điện tải tối thiểu. Điện cảm phải đủ lớn để giới hạn độ thay đổi dòng
điện ở giá trị này trong điều kiện xấu nhất: khi D = D min, vì thời gian dòng điện
giảm là T2 lúc này là cực đại, với điện áp rơi không thay đổi là V out. Một cách cụ
thể, chúng ta có đẳng thức sau:
(1 − Dmin)×T×Vout = Lmin×2×Iout,min
Hai thông số cần được lựa chọn ở đây là Lmin và T. Nếu chúng ta chọn tần số
chuyển mạch nhỏ, tức là T lớn (T = 1/f, f là tần số chuyển mạch), thì L min cũng
cần phải lớn.
Thành phần xoay chiều của dòng điện qua điện cảm sẽ đi qua tụ điện ngõ ra.
Với dòng điện qua điện cảm có dạng tam giác, điện áp trên tụ điện ngõ ra sẽ là
các đoạn đa thức bậc hai nối với nhau (xét trong một chu kỳ chuyển mạch).
Lượng điện tích được nạp vào tụ điện khi dòng điện qua điện cảm lớn hơn dòng
điện trung bình sẽ là ΔI×T/2. Nếu biểu diễn theo điện dung và điện áp trên tụ
điện thì lượng điện tích này bằng C×ΔV. Trong đó, ΔI là biên độ của thành phần
xoay chiều của dòng điện qua điện cảm, còn ΔV là độ thay đổi điện áp trên tụ
khi nạp (cũng như khi xả, xét ở trạng thái xác lập). Như vậy, chúng ta có thể xác
định giá trị của tụ điện dựa vào đẳng thức sau:
ΔI×T/2 = C×ΔV
ΔI đã được xác định ở trên, bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu, và T đã được
chọn ở bước trước đó. Tùy theo giá trị độ dao động điện áp ngõ ra cho phép ΔV
mà chúng ta chọn giá trị C cho thích hợp.

Líp: 49K-§TVT

Trang 9


§å ¸n m¹ch t¬ng tù

GVHD: Lª V¨n Ch ¬ng

II.2. Bộ biến đổi tăng áp (boost converter)
1. Sơ đồ nguyên lí cơ bản mạch boost:

Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lí mạch tăng áp (boost)
2. Nguyên tắc hoạt động:
Kiểu dạng nguồn xung này cho điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào :
Vin < Vout
Mạch có cấu tạo nguyên lý khá đơn giản. Cũng dùng một nguồn đóng cắt,
dùng cuộn cảm và tụ điện. Điện áp đầu ra phụ thuộc vào điều biến độ rộng xung
và giá trị cuộn cảm L.
Khi "Swich On" được đóng lại thì dòng điện trong cuộn cảm được tăng lên
rất nhanh, dòng điện sẽ qua cuộn cảm qua van và xuống đất. Dòng điện không
qua diode và tụ điện phóng điện cung cấp cho tải. Ở thời điểm này thì tải được
cung cấp bởi tụ điện. Chiều của dòng điện như trên hình vẽ.
Khi "Switch Off" được mở ra thì lúc này ở cuối cuộn dây xuất hiện với 1
điện áp bằng điện áp đầu vào. Điện áp đầu vào cùng với điện áp ở cuộn cảm qua
diode cấp cho tải và đồng thời nạp cho tụ điện. Khi đó điện áp đầu ra sẽ lớn hơn
điện áp đầu vào, dòng qua tải được cấp bởi điện áp đầu vào. Chiều của dòng
điện được đi như hình vẽ!
Điện áp ra tải còn phụ thuộc giá trị của cuộn cảm tích lũy năng lượng và điều
biến độ rộng xung (điều khiển thời gian on/off). Tần số đóng cắt van là khá cao

Líp: 49K-§TVT

Trang 10


§å ¸n m¹ch t¬ng tù

GVHD: Lª V¨n Ch ¬ng

hàng Khz để triệt nhiễu công suất và tăng công suất đầu ra.Dòng qua van đóng
cắt nhỏ hơn dòng đầu ra.Van công suất thường là Transior tốc độ cao, Mosfet
hay IGBT... Diode là diode xung, công suất.
Trong nguồn Boot thì điện áp đầu ra lớn hơn so với điện áp đầu vào do đó
công suất đầu vào phải lớn hơn so vói công suất đầu ra. Công suất đầu ra phụ
thuộc vào cuộn cảm L. Hiệu suất của nguồn Boot cũng khá cao nên được dùng
nhiều trong các mạch nâng áp do nó truyền trực tiếp nên công suất của nó rất
lớn.
Nguồn boost có 2 chế độ:
- Chế độ không liên tục: Nếu điện cảm của cuộn cảm quá nhỏ, thì trong một
chu kỳ đóng cắt, dòng điện sẽ tăng dần nạp năng lượng cho điện cảm rồi giảm
dần, phóng năng lượng từ điện cảm sang tải. Vì điện cảm nhỏ nên năng lượng
trong điện cảm cũng nhỏ, nên hết một chu kỳ, thì năng lượng trong điện cảm
cũng giảm đến 0. Tức là trong một chu kỳ dòng điện sẽ tăng từ 0 đễn max rồi
giảm về 0.
- Chế độ liên tục: Nếu điện cảm rất lớn, thì dòng điện trong 1 chu kỳ điện
cảm sẽ không thay đổi nhiều mà chỉ dao động quanh giá trị trung bình.Chế độ
liên tục có hiệu suất và chất lượng bộ nguồn tốt hơn nhiều chế độ không liên tục,
nhưng đòi hỏi cuộn cảm có giá trị lớn hơn nhiều lần.
Gọi T là chu kỳ chuyển mạch (switching cycle), T1 là thời gian đóng khóa
(van), và T2 là thời gian ngắt khóa (van). Như vậy, T = T 1 + T2. Giả sử điện áp
rơi trên diode, và dao động điện áp ngõ ra là khá nhỏ so với giá trị của điện áp
ngõ vào và ngõ ra. Khi đó, điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi đóng khóa
(van) là (T1/T)×Vin, còn điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt khóa (van)
là (T2/T)×(Vin − Vout).
Điều kiện điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 có thể được biểu diễn
là:

(T1/T)×Vin + (T2/T)×(Vin − Vout) = 0
hay
Líp: 49K-§TVT

Trang 11


§å ¸n m¹ch t¬ng tù

GVHD: Lª V¨n Ch ¬ng
(T1/T + T2/T)×Vin − ( T2/T)×Vout = 0

hay

Vin = (T2/T)×Vout
Với cách định nghĩa chu kỳ nhiệm vụ D = T 1/T, T2/T = 1 − D, ta có Vin = (1

− D)×Vout, hay Vout = Vin/(1 − D). D thay đổi từ 0 đến 1 (không bao gồm các giá
trị 0 và 1), do đó 0 < Vin < Vout.
Tương tự như với bộ biến đổi buck, một trong những bài toán thường gặp là
như sau: cho biết phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào Vin, giá trị điện áp ngõ ra
Vout, độ dao động điện áp ngõ ra cho phép, dòng điện tải tối thiểu I out,min, xác định
giá trị của điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ
nhiệm vụ, để đảm bảo ổn định được điện áp ngõ ra.
Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra xác định phạm vi
thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ D: Dmin=1−Vin,max/Vout, và Dmax=1− Vin,min/Vout.
Lý luận tương tự như với bộ biến đổi buck, độ thay đổi dòng điện cho phép
sẽ bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu. Trường hợp xấu nhất ứng với độ lớn của
điện áp trung bình đặt vào điện cảm khi khóa (van) ngắt đạt giá trị lớn nhất, tức
là hàm số Vin/Vout×(Vin − Vout) đạt giá trị nhỏ nhất khi D thay đổi từ Dmin đến Dmax

(chú ý là hàm số này có giá trị âm trong khoảng thay đổi của D). Gọi giá trị của
D và Vin tương ứng với giá trị nhỏ nhất đó là Dth và Vin,th (giá trị tới hạn), đẳng
thức sau được dùng để chọn giá trị chu kỳ (hay tần số) chuyển mạch và điện
cảm:
(1 − Dth)×T×(Vin,th - Vout) = Lmin×2×Iout,min
Việc lựa chọn giá trị cho tụ điện ngõ ra hoàn toàn giống như đối với trường
hợp bộ biến đổi buck.

Líp: 49K-§TVT

Trang 12


§å ¸n m¹ch t¬ng tù

GVHD: Lª V¨n Ch ¬ng

II.3. Bộ biến đổi đảo áp (buck-boost converter)
1. Sơ đồ nguyên lí mạch buck-boost:

Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lí mạch đảo áp (buck-boost)
2. Nguyên tắc hoạt động:
Bộ biến đổi buck-boost hoạt động dựa trên nguyên tắc: khi khóa (van) đóng,
điện áp ngõ vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo
thời gian. Khi khóa (van) ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua
nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận. Tùy vào tỷ lệ giữa thời
gian đóng khóa (van) và ngắt khóa (van) mà giá trị điện áp ra có thể nhỏ hơn,
bằng, hay lớn hơn giá trị điện áp vào. Trong mọi trường hợp thì dấu của điện áp
ra là ngược với dấu của điện áp vào, do đó dòng điện đi qua điện cảm sẽ giảm
dần theo thời gian.

Với các giả thiết tương tự như các trường hợp trên, ở chế độ dòng điện qua
điện cảm là liên tục, điện áp rơi trung bình trên điện cảm sẽ bằng 0. Với cách ký
hiệu T = T1 + T2 như trên, điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi đóng khóa
(van) là (T1/T)×Vin, còn điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt khóa (van)
là − (T2/T)×Vout.
Điều kiện điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 có thể được biểu diễn:
(T1/T)×Vin − (T2/T)×Vout = 0
Như vậy:
(T1/T)×Vin = (T2/T)×Vout => D×Vin = (1 − D)×Vout
Khi D = 0.5, Vin = Vout. Với những trường hợp khác, 0 < V out < Vin khi 0 <
D < 0.5, và 0 < Vin < Vout khi 0.5 < D < 1 (chú ý là ở đây chỉ xét về độ lớn, vì
Líp: 49K-§TVT

Trang 13


§å ¸n m¹ch t¬ng tù

GVHD: Lª V¨n Ch ¬ng

chúng ta đã biết Vin và Vout là ngược dấu). Như vậy, bộ biến đổi này có thể tăng
áp hay giảm áp, và đó là lý do mà nó được gọi là bộ biến đổi buck-boost.
Xét cùng một loại bài toán thường gặp như những trường hợp trên, tức là:
cho biết phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào V in, giá trị điện áp ngõ ra V out, độ
dao động điện áp ngõ ra cho phép, dòng điện tải tối thiểu I out,min, xác định giá trị
của điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ
nhiệm vụ, để đảm bảo ổn định được điện áp ngõ ra.
Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra xác định
phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ D: Dmin = Vout/(Vin,max + Vout), và Dmax =
Vout/(Vin,min + Vout).

Lý luận tương tự như với bộ biến đổi buck, độ thay đổi dòng điện cho phép
sẽ bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu. Trường hợp xấu nhất ứng với độ lớn của
điện áp trung bình đặt vào điện cảm khi khóa (van) ngắt đạt giá trị lớn nhất, tức
là khi D = Dmin. Như vậy đẳng thức dùng để chọn chu kỳ (tần số) chuyển mạch
và điện cảm L giống như của bộ biến đổi buck:
(1 − Dmin)×T×Vout = Lmin×2×Iout,min
Cách chọn tụ điện ngõ ra cho bộ biến đổi này cũng không khác gì so với
những trường hợp trên.

Líp: 49K-§TVT

Trang 14


§å ¸n m¹ch t¬ng tù

GVHD: Lª V¨n Ch ¬ng

PHẦN II

THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH BIẾN ĐỔI
NGUỒN 5V DC LÊN 12V DC
Áp dụng nguyên lí các bộ chuyển đổi DC ở trên, trong phạm vi đồ án này ta
sẽ thiết kế và tính toán mạch biến đổi từ điện áp một chiều 5V lên điện áp một
chiều 12V. Yêu cầu về các thông số của mạch biến đổi như sau:
- Điện áp vào 5VDC
- Điện áp ra 12VDC
- Sai số điện áp ra Vrip=100mV
- Dòng tải cực tiểu Iout,min=100mA
Với yêu cầu như vậy, em sử dụng mạch boost để tăng điện áp. Mạch boost

hoạt động theo chu kì của xung đưa vào đóng ngắt tranzito. Sơ đồ khối của
mạch như sau:

ĐIỆN ÁP VÀO

MẠCH TẠO
XUNG

MẠCH BOOST

ĐIỆN ÁP RA

Hình 2.1. Sơ đồ khối mạch
I. THIẾT KẾ KHỐI TẠO XUNG:
Mạch tạo xung có nhiệm vụ tạo ra các xung để đóng ngắt transistor một
cách nhịp nhàng. Có nhiều phương án tạo xung vuông như dùng mạch đa hài,
dùng IC 555, dùng mạch dao động nghẹt… Trong đồ án, em lựa chọn mạch dao
động dùng IC 555 vì mạch này tương đối đơn giản, chỉ cần một IC 555 cùng với

Líp: 49K-§TVT

Trang 15


§å ¸n m¹ch t¬ng tù

GVHD: Lª V¨n Ch ¬ng

các linh kiện khác là có thể tạo ở đầu ra các xung chữ nhật đáp ứng yêu cầu bài
toán.

1. Giới thiệu về IC 555:
IC thời gian 555 được du nhập vào những năm 1971 bằng công ty
Signetics Corporation bằng 2 dòng sản phẩm SE555/NE555 và được gọi là máy
thời gian và cũng là loại có đầu tiên. Nó cung cấp cho các nhà thiết kế mạch
điện tử với chi phí tương đối rẻ, ổn định và những mạch tổ hợp cho những ứng
dụng cho đơn ổn và không ổn định. Từ đó thiết bị này được làm ra với tính
thương mại hóa. 10 năm qua một số nhà sản suất ngừng sản suất loại IC này bởi
vì sự cạnh tranh và những lý do khác. Tuy thế những công ty khác lại sản suất ra
những dòng này. IC 555 hiện nay được sử dụng khá phổ biến ở các mạch tạo
xung, đóng cắt hay là những mạch dao động khác

2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động IC555:
2.1. Sơ đồ chân:

NE
555

Hình 2.2: Sơ đồ chân của IC định thời 555
2.2. Sơ đồ khối:

Líp: 49K-§TVT

Trang 16


§å ¸n m¹ch t¬ng tù

GVHD: Lª V¨n Ch ¬ng

Hình 2.3: Sơ đồ khối của IC định thời 555

2.3. Sơ đồ nguyên lí NE555:

Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lí của NE555
2.4. Chức năng từng chân của 555
 Chân số 1 (GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân còn gọi là
chân chung.
 Chân số 2 (TRIGGER): Đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và
được dùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp. Mạch so sánh ở đây
dùng các transitor PNP với mức điện áp chuẩn là 2/3Vcc.

Líp: 49K-§TVT

Trang 17


§å ¸n m¹ch t¬ng tù

GVHD: Lª V¨n Ch ¬ng

 Chân số 3 (OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic.
Trạng thái của tín hiệu ra được xác định theo mức “0” và “1”. “1” ở đây là
mức cao nó tương ứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức “0” tương
đương với 0V nhưng mà trong thực tế mức “0” này ko được 0V mà nó trong
khoảng từ (0.35 ->0.75V) .
 Chân số 4 (RESET): Dùng lập định mức trạng thái ra. Khi chân số 4 nối
masse thì ngõ ra ở mức thấp. Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái
ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2 và 6. Nhưng mà trong mạch để tạo được
dao động thường hay nối chân này lên VCC.
 Chân số 5 (CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn
trong IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối

GND. Chân này có thể không nối cũng được nhưng mà để giảm trừ nhiễu
người ta thường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến
0.1uF các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định.
 Chân số 6(THRESHOLD) : là một trong những chân đầu vào so sánh điện
áp khác và cũng được dùng như 1 chân chốt.
 Chân số 7(DISCHAGER) : có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu
điều khiển bỡi tầng logic của chân 3. Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này
đóng lại, ngược lại thì nó mở ra. Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C lúc IC
555 dùng như 1 tầng dao động .


Chân số 8 (Vcc): Không cần nói cũng bít đó là chân cung cấp áp và dòng
cho IC hoạt động. Không có chân này coi như IC chết. Nó được cấp điện áp từ
2V → 18V .

3.Thiết kế mạch tạo xung:
3.1. Sơ đồ nguyên lí mạch tạo xung dung IC555

Líp: 49K-§TVT

Trang 18


§å ¸n m¹ch t¬ng tù

GVHD: Lª V¨n Ch ¬ng

Hình 2.3: Sơ
đồ nguyên lí
mạch

tạo

xung dùng IC
555
Dạng xung đầu ra của mạch tạo xung:
T
T1

T2

Hình 2.4: Dạng xung đầu ra của mạch tạo xung
Công thức tính các thông số của xung:
+ Chu kì xung (T):
T=T1+T2
Trong đó:
T – Chu kì xung (s)
T1 – Thời gian tích cực của xung (s)
T2 – Thời gian xung bằng 0 (s)
+ Công thức tính T1 và T2:
T1 = 0.7×(R1+R2)×C1
T2 = 0.7×R2×C1
Suy ra:

T = 0.7( R1 + 2 R 2)C1

+ Tần số xung (f):

Líp: 49K-§TVT

Trang 19


Đồ án mạch tơng tự

GVHD: Lê Văn Ch ơng
f =

1
1,4
=
(Hz)
T ( R1 + 2 R 2).C1

II. THIT K V TNH TON CHO TON MCH:
1. Thit k mch nguyờn lớ:
Yờu cu ca bi toỏn l tng in ỏp DC t 5V lờn 12V, vy nờn em s dng
mch boost lm mch bin ỏp. Mch boost iu khin bi xung do mch to
xung to ra. S nguyờn lớ ton mch nh hỡnh 2.5. Chỳ ý cỏc giỏ tr Rd v Rgs
l giỏ tr tr trong ca cun dõy v in tr mt tip giỏp G-S khi tranzito thụng.
Giỏ tr ca chỳng thng khỏ nh (khong 1).
L

Vin

D

Rd

0.1mH

1

Vout

DIODE-SC

3
8

U1

R

VCC

4

Q
DC

2

TR

10nF

TH

Q

2

C3

7
1

R2
GND

C2

2k

3

CV

1

5

R1

100uF

Rt
1k

5k

Rgs

6

1

555

C1
10nF
GND

Hỡnh 2.5. S nguyờn lớ ton mch

2. Tớnh toỏn cỏc linh kin cho mch:
Tớnh toỏn cho mch to xung
Tớnh toỏn rng xung:
Nh ó phõn tớch trờn, ta cú mi liờn h gia in ỏp ra v in ỏp vo l:
Vout = Vin/(1 D) (*)
D - chu kỡ nhim v ca xung úng ngt tranzito
=> D = 1-Vin/Vout
Lớp: 49K-ĐTVT

Trang 20


§å ¸n m¹ch t¬ng tù

GVHD: Lª V¨n Ch ¬ng

Yêu cầu của đề tài là điện áp vào là Vin=5V, Vout=12V. Suy ra mạch tạo xung
tạo ra xung vuông có chu kì nhiệm vụ D=1-5/12=7/12.
D=

T 1 0.7( R 2 + R1)
R 2 + R1
=
=
T
0.7( R 2 + 2 R1) R 2 + 2 R1
⇒

R1 + R 2
7
=
R1 + 2 R 2 12

⇒ 5R1 = 2 R 2

Chọn R1=2K, R2=5K
 Tính toán tần số xung:
Đối với mạch boost, xung liên hệ theo công thức:
(1 − Dth)×T×(Vin,th − Vout) = Lmin×2×Iout,min (**)
Dth - giá trị tới hạn của chu kì nhiệm vụ (độ rộng xung).
Ta có: Dth = D = 7/12; Vin,th = 5V; Iout,min = 100mA. Suy ra giá trị chu kì T và độ
tự cảm cực tiểu của cuộn dây Lmin phải thoả mãn đẳng thức (**) trên. Do đó ta
f =

có:

1 (1 − D ) × (Vout − Vin)
=
T
L min× 2 × Iout , min

Thay số ta có:
f =

(1 − 7 / 12) × (12 − 7)
10,5
=
−3
L min
L min× 2 ×100 ×10

Mặt khác, trong quá trình đóng/ngắt, transistor phải trải qua một giai đoạn
chuyển giữa hai trạng thái, và do đó sinh ra tổn thất công suất trên nó. Điều này
có nghĩa là khi tần số làm việc càng lớn (càng có nhiều lần đóng/ngắt linh kiện
trong một đơn vị thời gian) thì tổn thất chuyển mạch càng lớn, và đó là một
trong những lý do khiến tần số làm việc của mạch bị giới hạn. Nhưng việc nâng
cao tần số làm việc sẽ giúp giảm kích thước và khối lượng của các linh kiện, và
tăng mật độ công suất.
Chọn tần số xung nhịp ở giá trị trung bình f=10Khz thoả mãn các yêu cầu
trên. Từ đó ta có giá trị tụ C1:

Líp: 49K-§TVT

Trang 21

§å ¸n m¹ch t¬ng tù

GVHD: Lª V¨n Ch ¬ng
f =

Tính giá trị tụ C1:

1,4
( R1 + 2 R 2) × C1

1,4

1,4

=> C1 = ( R1 + 2 R 2) × f = (2 + 2 × 5) × 10 3 × 10 4 ≈ 10nF
Chọn giá trị tụ C1=10nF
Tính toán cho mạch biến áp:
 Tính toán cuộn cảm L:
Theo giả thiết, cuộn dây lí tưởng tức là điện trở trong rất nhỏ, có thể bỏ qua
được. Hơn nữa, dây quấn cần chịu được dòng cảm ứng qua cuộn dây. Do đó tiết
diện dây quấn phải lớn (R = ρl/S). Chọn đường kính dây quấn là 1mm
• Độ tự cảm của cuộn dây thoả mãn lớn hơn giá trị Lmin . Giá trị Lmin tính
toán như sau:
Lmin= 10,5/f = 10,5/10000 = 0,1(mH)
Giá trị cuộn dây này là giá trị nhỏ nhất để đảm bảo rằng dòng qua tải là liên tục
(giá trị tức thời luôn > 0). Do đó, chọn cuộn cảm có độ tự cảm L = 0.1mH
• Cách quấn cuộn cảm:
Với lõi không khí có độ từ thẩm μ=1. Ta có:

Hay

L = 4π × 10 −7 ×

N 2S
l

L = 4π × 10 −7 ×

N .S
d

Trong đó:
S - tiết diện ngang của cuộn dây ( m2)
N - số vòng quấn (vòng)
d - đường kính sợi dây quấn (m)
l - chiều dài cuộn dây (m). Ta có l=N.d
Thay giá trị L=0.1mH:
0.1× 10 −3 = 4 × 3.14 × 10 −7 ×

Líp: 49K-§TVT

N.S
d

Trang 22


§å ¸n m¹ch t¬ng tù

GVHD: Lª V¨n Ch ¬ng

⇒

N .S
= 80
d

Do đường kính sợi dây quấn đã chọn ở trên d=1mm. Chọn N=80 (vòng),
S=0.001(m2)=П.R2
• Đường kính lõi quấn dây:
R=

0.001
S
=
=1,7(cm)
3.14
3.14

Vậy cuộn dây quấn lõi không khí, đường kính dây quấn d=1mm; đường kính
vòng quấn là D=2R=3,4cm; quấn 80 vòng. Ta sử dùng dây đồng vì chúng rất
phổ biến.
 Tính toán tụ C:
Thành phần xoay chiều của dòng điện qua điện cảm sẽ đi qua tụ điện
ngõ ra. Với dòng điện qua điện cảm có dạng tam giác, điện áp trên tụ điện ngõ
ra sẽ là các đoạn đa thức bậc hai nối với nhau (xét trong một chu kỳ chuyển
mạch). Lượng điện tích được nạp vào tụ điện khi dòng điện qua điện cảm lớn
hơn dòng điện trung bình sẽ là ΔI×T/2. Nếu biểu diễn theo điện dung và điện áp

trên tụ điện thì lượng điện tích này bằng C×ΔV. Trong đó, ΔI là biên độ của
thành phần xoay chiều của dòng điện qua điện cảm, còn ΔV là độ thay đổi điện
áp trên tụ khi nạp (cũng như khi xả, xét ở trạng thái xác lập). Như vậy, chúng ta
có thể xác định giá trị của tụ điện dựa vào đẳng thức sau:
ΔI×T/2 = C×ΔV
ΔI đã được xác định ở trên, bằng hai lần dòng điện tải Iout,min. Với độ nhấp nhô
điện áp ra ∆V=100mV ta có:
C=

1 ∆I
1 2 × 0.1
T= ×
× 10 − 4 = 100µF
2 ∆V
2
0.1

Chọn giá trị tụ lọc ở đầu ra loại 100μF, 35V.
• Điốt ta sử dụng điốt Schottky, chọn loại 1N5820.
Sau khi tính toán, ta tiến hành ghép mạch theo sơ đồ nguyên lí như hình 2.5
Líp: 49K-§TVT

Trang 23


§å ¸n m¹ch t¬ng tù

GVHD: Lª V¨n Ch ¬ng

III. LẮP RÁP MẠCH THỰC TẾ:

Sau khi tính toán linh kiện ta tiến hành vẽ mạch in theo mạch nguyên lí.
Sau đây là sơ đồ mạch in, trong đó giá trị các linh kiện đã tính toán ở trên:
• Bottom View

• Top view

Líp: 49K-§TVT

Trang 24


Đồ án mạch tơng tự

GVHD: Lê Văn Ch ơng

KT LUN CHUNG
1.Nhận xét
Mch bin i ngun là thiết bị đợc ứng dụng rộng rãi trong thực tế, nó đợc
thiết dựa trên nguyên tắc hoạt động chung của nguồn xung.Trong bài tập đồ án
này em chỉ trình bày một trong các dạng của nguồn xung và trình bày một số
chức năng thông dụng của khóa mạch biến đổi điện áp từ 5V DC 12VDC. Do
kinh nghiệm thực tế và thời gian còn hạn chế, khả năng hiểu biết của em còn hạn
hẹp do đó trong khi thực hiện làm đồ án không tránh khỏi những thiếu sót nên
chúng em rất mong nhận đợc sự đánh giá chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy
cô và toàn thể các bạn để đề tài đợc hoàn thiện hơn.

2.Hớng phát triển
Ngày nay khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, đặc biệt là điện tử, không
những thế trình độ hiểu biết của con ngời ngày càng đợc nâng cao. Do ú mch
tng ỏp ngày càng đợc thiết kế đơn giản, hiệu quả, tuyệt đối đảm bảo an toàn

chất lợng.
Trong đề tài này em chọn giải pháp mch tng ỏp 5VDC lờn 12VDC vỡ nú đơn
giản, an toàn và cú nhiu ng dng trong thc t.

3. Đề xuất
Sách giáo khoa tài liệu các nguồn thông tin trong quá trình học tập, làm bài
tập, làm đồ án đối với sinh viên là rất quan trọng. Nó ảnh hởng trực tiếp đến chất
lợng học tập của sinh viên cũng nh ảnh hởng đến chất lợng đồ án. Nhng trong
quá trình học tập và làm đồ án thì chúng em thấy số lợng sách và tài liệu chuyên
ngành trong th viện nhà trờng còn rất hạn chế đặc biệt về sách chuyên ngành
không mang tính cập nhật để đáp ứng nhu cầu học tập, nghiên cứu của sinh viên.
Do vậy, em mong rằng th viện của nhà trờng có nhiều sách, tài liệu hơn để có thể
tìm hiểu và nghiên cứu sâu hơn.
Mặt khác em thấy rằng học đi đôi với hành. Song song với việc học lý thuyết
trên lớp thì việc nghiên cứu tài liệu cũng rất cần thiết. Nh vậy cần phải có đầy đủ
trang thiết bị để hỗ trợ em trong quá trình thực hành. Em thấy trang thiết bị trong

Lớp: 49K-ĐTVT

Trang 25