Nghiên cứu ưng dụng của ic 555 điều chế độ rộng xung pwm

TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LƯC ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LƯC ĐỒ Á N CÔ NG NGHỆ 1 2 3 4 Nghiên cứu ứng dụng của IC 555 điều chế độ rộng xung PWM TRƯỜNG ĐHSPKT.

TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ- ĐỘNG LƯC ĐỒ Á N CÔ NG NGHỆ Nghiên cứu ứng dụng IC 555 điều chế độ rộng xung PWM TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ- ĐỘNG LƯC ĐỒ Á N CƠ NG NGHỆ Lời nói đầu Ngày nay, phát triển mạnh mẽ khoa học cơng nghệ, sống người có thay đổi ngày tốt hơn, với trang thiết bị đại phục vụ cơng cơng nghiệp hố, đại hố đất nước Đặc biệt góp phần vào phát triển ngành kĩ thuật điện tử góp phần khơng nhỏ nghiệp xây dựng phát triển đất nước Những thiết bị điện,điện tử phát triển mạnh mẽ ứng dụng rỗng rãi đời sống sản suất Từ thời gian đầu phát triển KTS cho thấy ưu việt ngày tính ưu việt ngày khẳng định thêm Những thành tựu biến tưởng chừng khơng thể thành có thể, góp phần nâng cao đời sống vật chất tinh thần cho người Để góp phần làm sáng tỏ hiệu ứng dụng thực tế môn học chúng em sau thời gian học tập thầy cô giáo khoa giảng dạy kiến thức chuyên nghành, đồng thời giúp đỡ nhiệt tình thầy Lê Trí Quang với lỗ lực thân, em “Nghiên cứu ưng dụng IC 555 điều chế độ rộng xung PWM“ thời gian, kiến thức kinh nghiệm chúng em cịn có hạn nên khơng thể tránh khỏi sai sót Em mong giúp đỡ & tham khảo ý kiến cảu thầy bạn nhằm đóng góp phát triển thêm đề tài Hưng yên, tháng 12 năm 2011 Sinh viên thực hiện: Lê Văn Sơn TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ- ĐỘNG LƯC ĐỒ Á N CƠ NG NGHỆ CHƯƠNG :I KHÁI NIỆM PWM PWM mà ứng dụng nhiều điều khiển Lấy điển hình mà thường hay gặp điều khiển động băm xung áp, điều áp Sử dụng PWM điều khiển nhanh chậm động hay cao cịn dùng để điều khiển ổn định tốc độ động Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải PWM cịn tham gia điều chế mạch nguồn : boot, buck, nghịch lưu pha pha PWM gặp nhiều thực tế mạch điện điều khiển Điều đặc biệt PWM chuyên dùng để điều khiển phần tử điện tử cơng suất có đường đặc tính tuyến tính có sẵn nguồn chiều cố định Như PWM ứng dụng nhiều thiết bị điện điện tử Điều mà dân điện điện tử dễ dàng nhận PWM nhân tố mà đội Robocon sử dụng để điều khiển động hay ổn định tốc độ động cơ.Bài viết nói lên phương pháp điều khiển PWM thông số PWM 1.1) PWM(Pulse Width Modulation) Phương pháp điều chế PWM có tên tiếng anh Pulse Width Modulation phương pháp điều chỉnh điện áp tải hay nói cách khác phương pháp điều chế dựa thay đổi độ rộng chuỗi xung vuông dẫm đếm thay đổi điện áp Các PWM biến đổi có tần số khác độ rộng sườn dương hay sườn âm Hình 1.1 Đồ thị dạnh xung điều chế PWM TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ- ĐỘNG LƯC ĐỒ Á N CƠ NG NGHỆ Hình 1.2: - Sơ đồ nguyên tắc điều khiển tải dùng PWM Hình (1.2) đồ thị dạng xung điều khiển PWM Với độ rộng xung đầu tương ứng tính % Tùy thích điều khiển 1.2 ) Nguyên lý PWM Đây phương pháp thực theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn có tải cách có chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng cắt Phần tử thực nhiện vụ mạch van bán dẫn Xét hoạt động đóng cắt van bán dẫn dung van đóng cắt Mosfet Giản đồ xung Hình :1.3 Sơ đồ xung van điều khiển đầu TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ- ĐỘNG LƯC ĐỒ Á N CƠ NG NGHỆ Hình(1.3) mạch nguyên lý điều khiển tải PWM giản đồ xung chân điều khiển dạng điện áp đầu dùng PWM * Nguyên lý : Trong khoảng thời gian - t ta cho van G mở toàn điện áp nguồn Ud đưa tải Còn khoảng thời gian to - T cho van G khóa, cắt nguồn cung cấp cho tải Vì thay đổi từ T ta cung cấp toàn , phần hay khóa hồn tồn điện áp cung cấp cho tải + Cơng thức tính giá trị trung bình điện áp tải : Gọi t1 thời gian xung sườn dương (khóa mở ) cịn T thời gian sườn âm dương, Umax điện áp nguồn cung cấp cho tải ==> Ud = Umax.( t1/T) (V) hay Ud = Umax với D = t1/T hệ số điều chỉnh tính % tức PWM Như ta nhìn hình đồ thị dạng điều chế xung ta có : Điện áp trung bình tải : + Ud = 12.20% = 2.4V ( với D = 20%) + Ud = 12.40% = 4.8V (Vói D = 40%) + Ud = 12.90% = 10.8V (Với D = 90%) 1.3) Các cách để tạo PWM để điều khiển Để tạo PWM có hai cách thông dụng : Bằng phần cứng phần mền Trong phần cứng tạo phương pháp so sánh từ trực tiếp từ IC dao động tạo xung vuông : 555, LM556 Trong phần mền tạo chip lập trình Tạo phần mền độ xác cao tạo phần cứng Nên người ta hay sử dụng phần mền để tạo PWM 1.3.1) Tạo phương pháp so sánh Để tạo phương pháp so sánh cần điều kiện sau : + Tín hiệu cưa : Xác định tần số PWM + Tín hiệu tựa tinshieuej xác định mức cơng suất điều chế (Tín hiệu DC) Xét sơ đồ mạch sau : TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ- ĐỘNG LƯC ĐỒ Á N CƠ NG NGHỆ Hình 1.4 Tạo xung vuông cách so sánh Với tần số xác định f = 1/(ln.C1.(R1+2R2) nên cần điều chỉnh R2 thay đổi độ rộng xung dễ dàng Ngồi 555 cịn nhiều IC tạo xung vuông khác 1.3.2) Tạo xung vuông phần mền Đây cách ưu cách để tạo xung vuông Với tạo phần mền cho độ xác cao tần số PWM Với lại mạch đơn giản nhiều Xung tạo dựa xung nhịn CPU Lấy đoạn ví dụ tạo PWM 8501 : TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ- ĐỘNG LƯC ĐỒ Á N CÔ NG NGHỆ CHƯƠNG II : IC 555 -Nguyên tắc, ứng dụng 2.1: Tìm hiểu IC555 Hình2.1:HìnhảnhIC555 IC555 loại linh kiện phổ biến với việc dễ dàng tạo xung vng thay đổi tần số tùy thích, với sơ đồ mạch đơn giản,điều chế độ rộng xung Nó ứng dụng hầu hết vào mạch tạo xung đóng cắt mạch dao động khác.Đây linh kiện hãng CMOS sản xuất Sau bảng thơng số 555 có thị trường : + Điện áp đầu vào : - 18V ( Tùy loại 555 : LM555, NE555, NE7555 ) + Dòng điện cung cấp : 6mA - 15mA + Điện áp logic mức cao : 0.5 - 15V + Điện áp logic mức thấp : 0.03 - 0.06V + Công suất lớn : 600mW * Các chức 555: + Là thiết bị tạo xung xác + Máy phát xung + Điều chế độ rộng xung (PWM) + Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng thu phát hồng ngoại) TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ- ĐỘNG LƯC ĐỒ Á N CÔ NG NGHỆ 2.2 : Giới thiệu, sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý, chân 555 IC thời gian 555 du nhập vào năm 1971 cơng ty Signetics Corporation dịng sản phẩm SE555/NE555 gọi máy thời gian loại có Nó cung cấp cho nhà thiết kế mạch điện tử với chi phí tương đối rẻ, ổn định mạch tổ hợp cho ứng dụng cho đơn ổn không ổn định Từ thiết bị làm với tính thương mại hóa 10 năm qua số nhà sản suất ngừng sản suất loại IC cạnh tranh lý khác Tuy công ty khác lại sản suất dịng Các dạng hình dáng chân 555 thực tế: Hình a, Hình b, Hình 2.2 Các dạng hình dáng chân 555 Hình dạng 555 hình (a) hình (b) Loại chân hình trịn loại chân hình vng Nhưng thị trường Việt Nam chủ yếu loại chân vuông TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ- ĐỘNG LƯC ĐỒ Á N CƠ NG NGHỆ Hình 2.3 Hình phân tích 555 Nhìn hình 2.3 ta thấy cấu trúc 555 tương đương với 20 transitor , 15 điện trở diode phụ thuộc vào nhà sản xuất Trong mạch tương đương có : đầu vào kích thích , khối so sánh, khối điều khiển chức hay công suất đầu ra.Một số đặc tính 555 : Điện áp cung cấp nằm khoảng từ 3V đến 18V, dòng cung cấp từ đến mA Dòng điện ngưỡng xác định giá trị lớn R + R Để điện áp 15V điện trở R + R phải 20M Tất IC thời gian có tụ điện ngồi để tạo thời gian đóng cắt xung đầu Nó chu kì hữu hạn tụ điện (C) nạp điện hay phịng điện thơng qua điện trở R Thời gian xác định tính thơng qua điện trở R tụ điện C TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ- ĐỘNG LƯC ĐỒ Á N CƠ NG NGHỆ Hình2.4 Mạch nạp RC Mạch nạp RC hình 2.4B Giả thiết tụ điện ban đầu phóng điện.Khi mà đóng cơng tắc tụ điện bắt đầu nạp thông qua điện trở Điện áp qua tụ điện từ giá trị lên đến giá trị định mức vào tụ Đường cong nạp thể qua hình 2.4A.Thời gian tụ điện nạp đến 63.2% điện áp cung cấp hiểu thời gian số Giá trị số thời gian tính cơng thức đơn giản sau: t = R.C TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG N KHOA CƠ KHÍ- ĐỘNG LƯC ĐỒ Á N CƠ NG NGHỆ Hình 2.5: IC NE555 N gồm có chân + Chân số 1(GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân gọi chân chung + Chân số 2(TRIGGER): Đây chân đầu vào thấp điện áp so sánh dùng chân chốt hay ngõ vào tần số áp.Mạch so sánh dùng transitor PNP với mức điện áp chuẩn 2/3Vcc + Chân số 3(OUTPUT): Chân chân dùng để lấy tín hiệu logic Trạng thái tín hiệu xác định theo mức 1 mức cao tương ứng với gần Vcc (PWM=100%) mức tương đương với 0V mà thực tế mức ko 0V mà khoảng từ (0.35 ->0.75V) + Chân số 4(RESET): Dùng lập định mức trạng thái Khi chân số nối masse ngõ mức thấp Cịn chân nối vào mức áp cao trạng thái ngõ tùy theo mức áp chân 6.Nhưng mà mạch để tạo dao động thường hay nối chân lên VCC + Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn IC 555 theo mức biến áp hay dùng điện trở ngồi cho nối GND Chân không nối mà để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF tụ lọc nhiễu giữ cho điện áp chuẩn ổn định + Chân số 6(THRESHOLD) : chân đầu vào so sánh điện áp khác dùng chân chốt + Chân số 7(DISCHAGER) : xem chân khóa điện tử chịu điều khiển bỡi tầng logic chân Khi chân mức áp thấp khóa đóng lại, ngược lại mở Chân tự nạp xả điện cho mạch R-C lúc IC 555 dùng TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ- ĐỘNG LƯC ĐỒ Á N CƠ NG NGHỆ tầng dao động + Chân số (Vcc): Khơng cần nói biết chân cung cấp áp dịng cho IC hoạt động Khơng có chân coi IC chết Nó cấp điện áp từ 2V ->18V (Tùy loại 555 ,thấp NE7555) 2.4: Cấu tạo bên nguyên tắc hoạt động 2.4.1) Cấu tạo: Hình 2.6 Sơ đồ cấu tạo Hình(2.6): Sơ đồ cấu tạo ta thấy cấu trúc 555 gồm : OPAM, điện trở, transitor, FF ( FF RS): - OP-amp có tác dụng so sánh điện áp - Transistor để xả điện - Bên gồm điện trở mắc nối tiếp chia điện áp VCC thành phần Cấu tạo tạo nên điện áp chuẩn Điện áp 1/3 VCC nối vào chân dương Op-amp điện áp 2/3 VCC nối vào chân âm Op-amp Khi điện áp chân nhỏ 1/3 VCC, chân S = [1] FF kích Khi điện áp chân lớn 2/3 VCC,chânR FF = [1] FF reset 2.4.2) Nguyên tắc hoạt động: TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ- ĐỘNG LƯC ĐỒ Á N CƠ NG NGHỆ Hình 2.7 Ngun tắc hoạt động • Ngun tắc hoạt động: Ba điện trở phân áp thành mức 1/3 điện áp nguồn 2/3 điện áp nguồn , vào chân comperator Khi cấp nguồn tụ điện nạp qua Ra Rb , thời gian nạp ấn định bàng điện trở Ra Rb , Điện áp tụ tăng lên , đạt mức 2/3 điện áp nguồn chân Comperator có mức logic Reset Flip Flop , làm chân Q đảo mức khiến transistor dẫn tụ xả qua Rb transistor (thời gian xả phụ thuộc vào Rb ) => chân out 555 mức Điện áp tụ giảm dần , giảm đến 1/3 điện áp nguồn Comperator mức logic , set FlipFlop làm chân out 555 mức từ nguyên tắc họat động , dễ dàng thấy điều chỉnh độ rộng xung , chu kỳ cách thay đổi Ra Rb địen dung tụ TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ- ĐỘNG LƯC ĐỒ Á N CƠ NG NGHỆ 2.4.3 ) Cơng thức tính tần số điều chế độ rộng xung 555 Hinh 2.8 Sơ đồ mạch ví dụ Nhìn vào sơ đồ mạch (hình 2.8) ta có cơng thức tính tần số , độ rộng xung + Tần số tín hiệu đầu : f = 1/(ln2.C.(R1 + 2R2)) + Chu kì tín hiệu đầu : t = 1/f + Thời gian xung mức H (1) chu kì : t1 = ln2 (R1 + R2).C TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ- ĐỘNG LƯC ĐỒ Á N CÔ NG NGHỆ + Thời gian xung mức L (0) chu kì : t2 = ln2.R2.C Như công thức tổng quát 555 Em lấy ví dụ nhỏ : để tạo xung dao động f = 1.5Hz Đầu tiên em chọn hai giá trị đặc trưng R1 C2 sau ta tính R1 Theo cách tính tốn ta chọn : C = 10nF, R1 =33k > R2 = 33k (Tính tốn theo cơng thức) 2.4.4 ) Các dạng mạch dao động từ 555 2.4.4.1) Mạch báo động âm dùng SCR Hình 2.9 ) Mạch báo động âm dùng SCR TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ- ĐỘNG LƯC ĐỒ Á N CƠ NG NGHỆ 2.4.4.2) Mạch báo nguồn điện Hình 2.10 Mạch báo nguồn điện 2.4.4.3) Cảnh báo điện Hình 2.11 Mạch cảnh báo điện TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ- ĐỘNG LƯC ĐỒ Á N CÔ NG NGHỆ 2.4.4.4) Dao IC 555 trog thí nghiệm âm Hình 2.11 Mạch dao IC 555 thi nghiệm âm 2.4.4.5) Mạch nhấp nháy LED Hình 2.12 Mạch nhấp nháy led TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ- ĐỘNG LƯC ĐỒ Á N CÔ NG NGHỆ CHƯƠNG III : Thiết Kế Mạch 3.1 PWM mạch thiết kê 555 Thực chất trình làm thay đổi độ rộng xung 555 thực chất làm thay đổi thời gian lạp xả tụ điện Thời gian nạp tương ứng với đầu mức độ cao, thời gian xả tụ điện tương ứng với thời gian mức độ thấp Như cần điều chỉnh số thời gian nạp xả điều chỉnh pwm Hình 3.1: Sơ đồ mạch Ở(hinh 3.1) linh kiện cần quan tâm là: C3, R1.R3 Trong linh kiện làm thay đổi tần số PWM đầu Ở ta dùng biến trở R3 để điều khiển điện trở dễ khiể thơng dụng để đo đạc tính tốn Như ta biết 555 IC dao động tạo xung vng có điều chỉnh tần số PWM Q trình dựa vào q trinhf phóng lạp tụ điện • Khi tụ nạp điện chân mức xung mức cao • Khi tụ xả điện chân ỏ múc xung đầu múc thấp Tần số dao động là: F = 1/ { ln2.C3(R1+R3)} Nhìn dụa vào cơng thức tính tân số ta thấy chir cần điều chỉnh giá trị R1, R3, C3 tần số đầu thay đổi em điều chỉnh R3 cho đơn giản TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ- ĐỘNG LƯC t1 ĐỒ Á N CÔ NG NGHỆ t2 T Hình 3.2: Sơ đồ xung Nhìn hình (3.2) ta thấy chu kỳ dao động T= t1+t2 (s) Như vấn đề thay xung sườn dươn tức thay đổi thời gian t1 Nếu t1 lớn chu kỳ điện áp trung bình nhỏ Và đảm bảo t1