Đề tài Thiết kế mạch xung áp một chiều không đảo chiều, điều chỉnh điện áp 0 - 12VDC U V =24V, I max=5A

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦN: ĐỒ ÁN Sinh viên: Nguyễn Văn Trường - 87483 Đỗ Ngọc Hiếu – Trương Hải Nam - Nhóm (Lớp): DTD61DH Giảng viên: Ths Vũ Ngọc Minh HẢI PHÒNG 12/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦN: ĐỒ ÁN Đề tài: Thiết kế mạch xung áp chiều không đảo chiều, điều chỉnh điện áp - 12VDC; U V =24V, I max=5A Sinh viên: Nguyễn Văn Trường - 87483 Đỗ Ngọc Hiếu – Trương Hải Nam - Nhóm (lớp): DTD61DH Giảng viên: Ths Vũ Ngọc Minh HẢI PHỊNG 12/2022 Lời nói đầu Như biết ứng dụng Điện tử công suất truyền động điện – điều khiển tốc độ động lĩnh vực quan trọng ngày phát triển Các nhà sản xuất không ngừng cho đời sản phẩm công nghệ phần tử bán dẫn công suất thiết bị điều khiển kèm Do thực đồ án chúng em cố gắng cập nhật kiến thức nhất, công nghệ lĩnh vực điều khiển phần tử bán dẫn công suất Với yêu cầu thiết kế băm xung chiều không đảo chiều để phục vụ mục đích đưa ra, chúng em cố gắng tìm hiểu phương án công nghệ cho thiết kế vừa đảm bảo yêu cầu kĩ thuật, yêu cầu kinh tế Với hi vọng đồ án điện tử công suất thiết kế kĩ thuật áp dụng thực tế nên chúng em cố gắng mô tả cụ thể, tỉ mỉ tính tốn cụ thể thơng số sơ đồ mạch Tuy nhiên trình độ hiểu biết chúng em cịn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi sai sót Chúng em mong nhận phê bình, góp ý thầy để giúp chúng em hiểu rõ vấn đề đồ án ứng dụng thực tế để đồ án chúng em hoàn thiện Trong trình làm đồ án chúng em nhận giúp đỡ, hướng dẫn thầy Vũ Ngọc Minh Chúng em xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH XUNG ÁP MỘT CHIỀU 1.1: GIỚI THIỆU VỀ BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP Để cắt điện áp nguồn người ta thường dùng khóa điện tử cơng suất chúng có đặc tính tương ứng với khóa lý tưởng, tức khóa dẫn điện (đóng) điện trở khơng có đáng kể, cịn khóa bị ngắt (mở ra) điện trở vơ lớn (điện áp tải khơng) Trên hình 1.1 sơ đồ nguyên lý sơ đồ đường cong điện áp Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý đường cong điện áp Các băm áp chiều thường gặp băm áp nối tiếp Trong phần thiết kế quan tâm nhiều đến loại băm áp Trong khoảng thời gian ÷ t1, khóa K đóng lại, điện áp tải U R có giá trị điện áp nguồn (U R = E) Cịn khoảng t1 ÷ t2 khóa K mở điện áp U R = Như giá trị trung bình điện áp tải là: t1 Ud= U I dt= U ∫ T CK T CK (1.1) t1 Nếu coi γ = T thì: ck U d =γ U (1.2) Trong đó: - U d: điện áp tải chiều - U 1: điện áp nguồn cấp chiều - t 1: khoảng thời gian đóng khóa K - T ck: chu kì đóng cắt khóa K - γ: độ rộng xung điện áp Như biến đổi xung áp có khả điều chỉnh ổn định điện áp phụ tải Nó có ưu điểm bản:  Hiệu suất cao tổn hao cơng suất biến đổi khơng đánh kể so với biến đổi liên tục;  Độ xác cao chịu ảnh hưởng nhiệt độ mơi trường, yếu tố điều chỉnh thời gian đóng khóa K mà khơng phải giá trị điện trở phần tử điều chỉnh thường gặp biến đổi liên tục;  Chất lượng điện áp tốt so với biến đổi liên tục;  Kích thước gọn, nhẹ Nhược điểm biến đổi xung áp là:  Cần có lọc đầu ra, làm tăng qn tính biến đổi làm việc hệ thống kín;  Tần số đóng cắt lớn tạo nhiễu cho nguồn thiết bị điều khiển Đối với biến đổi cơng suất trung bình (hàng chục kW) nhỏ (vài kW), người ta thường dùng khóa điện tử bóng bán dẫn lưỡng cực IGBT Trong trường hợp công suất lớn (vài trăm kW trở lên) người ta thường dùng GTO triristo Tùy thuộc đầu vào điện áp mà người ta chia ra: biến đổi xung áp có đảo chiều biến đổi xung áp không đảo chiều 1.1.1: Mạch xung áp chiều Các biên đổi xung áp chiều có vai trò đặc biệt quan trọng phạm vi ứng dụng ngày to lớn Nếu điện áp xoay chiều dùng máy biến áp để biến đổi điện áp điện áp chiều bắt buộc phải dùng biến đổi xung áp Các biến đổi xung áp dần loại trừ loại biến áp tần số thấp nguồn, dẫn đến kích thước thiết bị điện tử ngày nhỏ gọn Hai loại biến đổi xung áp chiều: băm xung áp (chopper) biến đổi nguồn DCDC Ưu điểm:  Sử dụng phần tử MOSFET, IGBT, đặt biệt MOSFET, với tần số đóng cắt cao, vài chục đến vài trăm kHz;  Nhờ tần số đóng cắt cao giảm độ đập mạch dòng điện, điện áp chiều, tiến tới lý tưởng;  Kích thước phần tử phản khác điện cảm, tụ điện giảm đáng kể, giảm kích thước biến đổi nói chung đến mức nhỏ;  Khơng dùng biến áp nguồn tần số thấp Giảm tổn hao, tiết kiệm sắt thép Nhược điểm:  Phát sinh nhiều vấn đề nghiên cứu Phần tử khóa điện tử V, van điều khiển hồn toàn (GTO, IGBT, MOSFET, BJT), mắc nối tiếp tải nguồn Diode D có vai trị quan trọng hoạt động sơ đồ, gọi diode khơng Diode dẫn dịng tải V khóa di Khi V thông iR + L dt = E di Khi V khóa iR + L dt = Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý Từ đến tx: V thông nối tải vào nguồn, Ut=E Từ tx đến T, V khóa lại, tải bị cắt khỏi nguồn, tải có tính cảm, dịng tải tiếp tục trì qua Điơt, Ut=0 Tải trở cảm + Chế độ dịng liên tục −T −ts −t E E e Q −1 Q iv = + e ; −T R R Q 1−e iD = −t x Q E 1−e e −T R Q 1−e −T −t x Q Ee −1 ∆ I= (e −T R Q 1−e −t x Q −t−t x Q ; (1.3) −1) + Chế độ dòng gián đoạn ( −t ) ( E E i V = 1−e Q ; i D = 1−e R R −tx Q )e −t x Q (1.4) Tải có sức phẩn điện động di Khi V thông iR + L dt = E - Ed di Khi V khóa iR + L dt = -Ed + Chế độ dòng liên tục −T−t x E−E d E e Q −1 −1 iv= + eQ −T R R 1−e Q ; tx Q −E E 1−e −1 iD = + e −T Ed R Q 1−e −t −t x Q (1.5) + Chế độ dòng gián đoạn iv= ( ) −t ( E−Ed ) 1−e Q ; R ( ) −Ed E E−Ed −tQ −t−t iD = + − e e Q R R R x x (1.6) Hình a, Dịng liên tục b, Dịng gián đoạn Hình 1.3 đồ thị dòng điện liên tục gián đoạn tương ứng với công thức 1.2: GIỚI THIỆU CÁC THÀNH PHẦN TRONG MẠCH XUNG ÁP MỘT CHIỀU *Các van dùng mạch xung áp 1.2.1: Thyristor Thyristo phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp tiếp giáp p-n-p-n, tạo ba lớp tiếp giáp p-n Thyristor có ba cực anot, catot, cực điều khiển G Thyristor gồm có trạng thái: mở, khóa đóng Điều kiện để mở Thyristor cần có U AK > có tín hiệu xung đưa vào cực điều khiển Điều kiện để đóng đặt điện áp ngược lên A-K Hình 1.4 ký hiệu Thyristor Hình Ký hiệu 1.2.2: Tranzito Là phần tử bán dẫn có cấu trúc gồm ba lớp bán dẫn p-n-p n-p-n, tạo nên hai lớp tiếp giáp p-n Cấu trúc thường đưuọc gọi BJT, thể qua hình 1.5 Hình Cấu tạo ký hiệu transistor Hình 6: Quá trình độ transistor Hì nh 1.7: Mạch trợ giúp đóng mở thơng số 1.2.3: MOSFET MOSFET có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển điện áp với dòng điện điều khiển cực nhỏ Hình 1.8: Cấu tạo ký hiệu MOSFET 1.3: GIỚI THIỆU MẠCH XUNG ÁP 1.3.1: Mạch xung áp chiều khơng đảo chiều: Hình 1.10: Mạch xung áp chiều không đảo chiều Bộ biến đổi xung áp (hình trên) cho phép điều chỉnh điện áp (U t) lớn nhỏ điện áp vào (E) Van điện tử T đóng mở nhờ tín hiệu điều khiển UG Khi van dẫn điện, cuộn kháng K tích lượng định từ nguồn E (dòng nạp cho cuộn kháng dòng i L1) Tại thời điểm t1 van T bị khoá lại, sức điện động tự cảm cuộn kháng L trì dịng qua cuộn kháng theo chiều cũ, lượng tích trữ cuộn kháng nạp cho tải tụ C (dòng iL2) Khi van T lại dẫn điện, tụ C phóng điện qua tải trì cho điện áp tải phẳng, đồng thời cuộn kháng lại tích lượng Đồ thị điện áp dòng điện Tương ứng khoảng  t1, dòng qua van T iT = iL1 Trong khoảng t1  T, dòng qua diode ID = iL2 Điện áp cuộn kháng E van T dẫn van T khố có giá trị –U1 Hình 1.9: Đồ thị xung xung áp chiều không đảo chiều Khi van T dẫn, diode chịu điện áp ngược: UD = E + UC = E + Ut (1.7) Khi van T bị khoá, T có điện áp thuận: UT = E + UC = E + Ut (1.8) Hình 1.10 Sơ đồ thay xung áp R0 - Điện trở nguồn; RT - Điện trở van T; RD Điện trở diode Rt - Điện trở tải; Et - Nguồn tụ C tạo Giá trị điện trở tương đương sơ đồ thay là: ( 1.9) (1.10) Từ sơ đồ thay ta rút ra: (1.11) Trong đó: I0, IL, U1, E1, UR, It giá trị trung bình Đường cong Ut có điểm cực trị  Như thay đổi  ta thay đổi điện áp Để đảm bảo tăng điện áp lớn vào, điện trở nguồn R phải đủ nhỏ (xem công thức (1.10) Nếu coi R0 không đáng kể, từ (1.11) suy ra: (1.12) Có thể nhận thấy Ut < E0 <  < 0,5 Ut > E0 0,5 <  điện áp yêu cầu R2, R1 chọn thỏa mãn V out = 1,25x(1+ R2 ) R1 Chọn R1 = 1K V out = 12V  1,25 x (1+ R2 10 ) = 12  R2 = 8600Ω V out = 0V →Dùng khóa K 2.1.2: Mạch điều khiển Hình 2.2: mạch điều khiển Nguyên lý hoạt động: -Điện áp vào chân V ¿ vào XL4016, từ V ¿ điện áp qua cổng khuếch đại, qua khởi động start up qua điều chỉnh tích hợp bên IC -Điện áp từ V ¿ qua cực D mosfet kênh P kí hiệu PMOS Sau qua cổng khuếch đại điện áp qua cổng Latch sau có tín hiệu gửi đến driver tích hợp IC -Driver có nhiệm vụ trung gian để chuyển đổi tín hiệu Khi tín hiệu khuếch đại, tín hiệu cưa tín hiệu từ Osoillator gửi đến driver driver tạo xung với tần số đóng cắt thích hợp để mosfet hoạt động -Ở tần số đóng cắt thích hợp 180KHz CHƯƠNG 3: MƠ PHỎNG 3.1: Phần mềm mơ Proteus là phần mềm cho phép mô hoạt động mạch điện tử bao gồm phần thiết kế mạch viết chương trình điều khiển cho họ vi điều khiển MCS-51, PIC, AVR, …  Proteus phần mềm mô mạch điện tử Lancenter Electronics, mô cho hầu hết linh kiện điện tử thông dụng, đặc biệt hỗ trợ cho MCU PIC, 8051, AVR, Motorola.  Hình 3.1: Giao diện phần mềm proteus Phần mềm bao gồm chương trình: ISIS cho phép mơ mạch ARES dùng để vẽ mạch in Proteus công cụ mô cho loại Vi Điều Khiển tốt, hỗ trợ dịng VĐK PIC, 8051, PIC, dsPIC, AVR, HC11, MSP430, ARM7/LPC2000 giao tiếp I2C, SPI, CAN, USB, Ethenet, ngồi cịn mơ mạch số, mạch tương tự cách hiệu Proteus công cụ chuyên mô mạch điện tử   ISIS nghiên cứu phát triển 12 năm có 12000 người dùng khắp giới Sức mạnh mơ hoạt động hệ vi điều khiển mà không cần thêm phần mềm phụ trợ Sau đó, phần mềm ISIS xuất file sang ARES phần mềm vẽ mạch in khác.    Trong lĩnh vực giáo dục, ISIS có ưu điểm hình ảnh mạch điện đẹp, cho phép ta tùy chọn đường nét, màu sắc mạch điện, thiết kế theo mạch mẫu (templates)  Những khả khác ISIS là:  • Tự động xếp đường mạch vẽ điểm giao đường mạch; • Chọn đối tượng thiết lập thông số cho đối tượng dễ dàng; • Xuất file thống kê linh kiện cho mạch; • Xuất file Netlist tương thích với chương trình làm mạch in thơng dụng;  • Đối với người thiết kế mạch chun nghiệp, ISIS tích hợp nhiều cơng cụ giúp cho việc quản lý mạch điện lớn, mạch điện lên đến hàng ngàn linh kiện; • Thiết kế theo cấu trúc (hierachical design); • Khả tự động đánh số linh kiện 3.2: Hình mơ phần mềm Sử dụng Proteus, ta xây dựng hình 3.2 Hình 3.2: Mạch xung áp chiều khơng đảo chiều Xây dựng mạch hình, ta đo dạng tín hiệu hình 3.3 Hình 3.3: Tín hiệu 3.3: Mạch thực Dựa số liệu thông số cho, ta xây dựng mạch thực hình 3.4 Hình 3.4: Mạch thực Tài liệu tham khảo Điện tử công suất – Võ Minh Chính – Phạm Quốc Hải – Trần Trọng Minh Tính tốn thiết kế thiết bị điện tử cơng suất – Trần Văn Thịnh XL4016 datasheet XL4016 pdf, XL4016 Description, XL4016 Datasheet, XL4016 view ::: ALLDATASHEET ::: Diode Schottky MBR1545 MBR1545 pdf, MBR1545 Description, MBR1545 Datasheet, MBR1545 view ::: ALLDATASHEET :::