` BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CAO THẮNG KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN MÔN HỌC NGÀNH ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP ĐỀ TÀI BỘ CHUYỂN ĐỔI HẠ ÁP GVHD HỒ VĂN THỚI SVTH Phạm Lĩ.
` BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CAO THẮNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - ĐỒ ÁN MÔN HỌC NGÀNH ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP ĐỀ TÀI:BỘ CHUYỂN ĐỔI HẠ ÁP GVHD : HỒ VĂN THỚI SVTH : Phạm Lĩnh CĐ Đ-ĐT20ĐTF Bùi Xuân Hiếu CĐ Đ-ĐT20ĐTF Lê Thế Quang Minh CĐ Đ-ĐT20ĐTF LỜI CẢM ƠN ` Sau thời gian tìm hiểu chuyển đổi hạ áp DC-DC Nhóm thực đề tài học tập tiếp thu nhiều kiến thức, để nâng cao trình độ hiểu biết thân Đặc biệt với dẫn dắt thầy HỒ VĂN THỚI mơn ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP giúp nhóm thực đề tài hồn thành xong đồ án điều khiển cơng nghiệp tiến độ Nhưng nhóm cịn mắc nhiều thiếu xót đồng thời đồ án cịn nhiều hạn chế Nhóm thực đề tài mong quan tâm bảo thầy cô môn ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP để tiếp thu nhiều kiến thức đồng thời củng cố lại kiến thức giảng dạy Nhóm thực đề tài xin chân thành cảm ơn.! ` NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Về tinh thần thái độ làm việc sinh viên: Kết đạt đồ án: Những hạn chết đồ án: TP, HCM ngày… tháng …năm 2022 Giáo viên hướng dẫn (GV ký ghi rõ họ tên) MỤC LỤC Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH HẠ ÁP 1.1 Khái niệm mạch Buck .1 ` 1.2 Phương pháp điều khiển 1.3 Ứng dụng mạch Buck Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Nguyên lý hoạt động 2.2 Các loại linh kiện .4 2.2.1 Diode 2.2.2 Điện trở 2.2.3 Tụ điện .4 2.2.4 cuộn cảm 2.2.5 Mosfet 2.2.6 Vi mạch lái IR2181 2.2.7 Nguồn .9 2.3 Vi điều khiển 10 Chương 3: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TỐN 3.1 Sơ đồ khối 12 3.1.1 Khối nguồn 12 3.1.2 Khối lọc 12 3.1.3 Khối lái 14 3.1.4 Khối điều khiển độ rộng xung .4 3.1.5 Khối chuyển mạch 17 3.2 Sơ đồ nguyên lí 18 3.3 Vẽ mạch in 18 Chương 4:KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ ` Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH HẠ ÁP Tìm hiểu chuyển đổi hạ áp (buck converter): Mạch Buck gọi mạch Buck hạ áp tên tiếng Anh đầy đủ Buck Converter Đây chuyển đổi DC-DC phổ biến nay, thực nhiệm vụ chuyển đổi điện áp cao sang điện áp thấp cực hiệu Buck giúp chuyển đổi lượng cách hiệu thơng qua mà nói kéo dài tuổi thọ pin, giảm sinh nhiệt trình vận hành cho phép xây dựng tiện ích nhỏ Mạch Buck mạch cực đơn giản với Mosfet bên cao bật tắt Một vi điều khiển sử dụng vịng phản hồi kín thực nhiệm vụ điều khiển điện áp đầu Hàm truyền DC phương trình có liên quan đến điện áp đầu vào, điện áp đầu mạch chu kỳ làm việc Ta có cơng thức tính sau: Vout = Vin * D Trong đó: Vout biểu thị chi điện áp đầu mạch Vin biểu thị cho điện áp đầu vào mạch Buck D chu kỳ làm việc % thời gian Mosfet bật trình vận hành Trong cấu tạo mạch Buck cịn có cuộn cảm tự điện kết nối để tạo thành lọc Nhiệm vụ mà lọc thông thấp đảm nhận làm mịn hoạt động chuyển mạch Mosfet thực tạo điện áp DC mượt mà êm 1.1 Khái niệm mạch buck Mạch Buck gọi mạch Buck hạ áp tên tiếng Anh đầy đủ Buck Converter Đây chuyển đổi DC-Dc phổ biến nay, thực nhiệm vụ chuyển đổi điện áp cao sang điện áp thấp cực hiệu nhé! Buck giúp chuyển đổi lượng cách hiệu thông qua mà nói kéo dài tuổi thọ pin, giảm sinh nhiệt trình vận hành cho phép xây dựng tiện ích nhỏ 1.2 Phương pháp điều khiển Khi PWM mức thấp, công tắc S tắt khơng cịn phần vòng lặp dòng điện Cực dương cuộn cảm L trở thành điện âm L đảo ngược cực trì chiều dịng điện Đường dẫn dòng điện từ D, đến L phóng điện thời gian này, sau đến tải Tại thời gian này, nguồn lượng C giúp phân phối nhu yếu tải 1.3 Ứng dụng mạch Buck ` ∗ Ứng dụng sạc pin Mạch Buck đồng cách tốt nhất, giải pháp tuyệt vời để làm giảm nóng lên thiết bị q trình sạc điện Thơng thường, công dùng để sạc cho thiết bị di động dùng cơng Micro USB Nó cho phép dòng điện 5V chạy qua Các mạch sạc nằm bên thiết bị di động thường dùng mạch Buck hạ áp số cịn tích hợp thêm điều khiển pin thông minh ∗ Ứng dụng hệ thống lượng mặt trời • Trong hệ thống pin mặt trời, biến đổi DC/DC kết hợp chặt chẽ với MPPT MPPT sử dụng biến đổi DC/DC để điều chỉnh nguồn điện áp vào lấy từ nguồn pin mặt trời, chuyển đổi cung cấp điện áp lớn phù hợp với tải Các biến đổi DC/DC thường chia làm loại có cách ly loại không cách ly Loại cách ly sử dụng máy biến áp cách ly điện tần số cao kích thước nhỏ để cách ly nguồn điện chiều đầu vào với nguồn chiều tăng hay giảm áp cách điều chỉnh hệ số biến áp Loại thường sử dụng cho nguồn cấp chiều sử dụng khoá điện tử Phổ biến mạch dạng cầu, nửa cầu • Được dùng điều khiển động chiều Các loại biến đổi DC/DC thường dùng hệ PV gồm: Bộ giảm áp (buck) - Bộ tăng áp (boost) - Bộ đảo dấu điện áp (buck – boost) Việc chọn lựa loại DC/DC để sử dụng hệ PV tuỳ thuộc vào yêu cầu ắc quy tải điện áp dãy panel mặt trời Bộ giảm áp buck định điểm làm việc có cơng suất tối ưu điện áp vào vượt điện áp biến đổi, trường hợp thực cường độ xạ ánh sáng xuống thấp Bộ tăng áp boost định điểm làm việc tối ưu với cường độ ánh sáng yếu Hệ thống làm việc với lưới dùng Boost để tăng điện áp cấp cho tải trước đưa vào biến đổi DC/AC Bộ Buck – boost vừa tăng, vừa giảm áp 2.2.1.1 Các loại biến đổi DC/DC Mạch Buck Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ` 2.1 Nguyên lý hoạt động *Nguyên lý hoạt động mạch giảm áp : Buck Converter với hoạt động – Khi PWM cao Khi PWM trạng thái cao,công tắc S dẫn trạng thái bão hòa ( sụt áp thấp ) D phân cực ngược phần vòng lặp dòng điện Dòng điện từ , đến kênh , sau nạp cuộn cảm L phần nạp tụ C đầu cuối đường dẫn dịng đến tải(tải trở) Sơ đồ tương đương mạch Buck công tắc ON Lúc này, L sạc phía cực dương cuộn cảm nơi có điện cao Dịng điện L tăng tuyến tính Buck Converter Hoạt động – Khi PWM thấp Khi PWM mức thấp, công tắc S tắt khơng cịn phần vòng lặp dòng điện Cực dương cuộn cảm L trở thành điện âm L đảo ngược cực trì chiều dịng điện Đường dẫn dòng điện từ D, đến L phóng điện thời gian này, sau đến tải Tại thời gian này, nguồn lượng C giúp phân phối nhu yếu tải Sơ đồ tương đương mạch Buck cơng tắc OFF Dạng sóng điện áp đầu vào (vI) đầu ra(vO): ` Dạng sóng dịng điện đầu vào (iI) đầu (iO): 2.2 Các loại linh kiện 2.2.1 Diode Diode hay gọi Điốt hay điốt bán dẫn linh kiện điện tử thụ động phi tuyến, cho phép dịng điện qua theo chiều mà khơng theo chiều ngược lại, sử dụng tính chất chất bán dẫn Ký hiệu hình dạng diode 2.2.2 Điện trở Điện trở linh kiện điện tử thụ động mạch điện có biểu tượng R Nó đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất cản trở dịng điện vật liệu Ký hiệu hình dạng điện trở 2.2.3 Tụ điện Tụ điện ( tiếng anh capacitor) linh kiện điện tử thụ động cấu tạo hai cực đặt song song ngăn cách lớp điện mơi, tụ điện có tính chất cách điện chiều cho dòng điện xoay chiều qua nhờ ngun lý phóng nạp ` Ký hiệu hình dạng tụ điện 2.2.4 cuộn cảm Cuộn cảm (hay cuộn từ, cuộn từ cảm) loại linh kiện điện tử thụ động tạo từ dây dẫn điện với vài vịng quấn, sinh từ trường có dịng điện chạy qua Cuộn cảm có độ tự cảm (hay từ dung) L đo đơn vị Henry (H) Ký hiệu hình dạng cuộn cảm 2.2.5 Mosfet Transitor MOSFET (Metal Oxide bán dẫn hiệu ứng trường) thiết bị bán dẫn sử dụng rộng rãi công tắc điện tử khuếch đại tín hiệu điện tử MOSFET linh kiện có chân gồm: chân nguồn (S), chân cổng (G), chân máng (D) Phần thân MOSFET thường kết nối với chân nguồn, làm cho trở thành linh kiện chân giống bóng bán dẫn hiệu ứng trường MOSFET loại bóng bán dẫn phổ biến sử dụng mạch tương tự kỹ thuật số MOSFET có loại: kênh N kênh P, loại kênh N thường có cấu tạo ký hiệu hình bên dưới: • G: Cực cổng, cực điều khiển • S: Cực nguồn • D: Cực máng MOSFET điều khiển đóng ngắt xung điện áp đặt vào cực cổng (G) ` Khi điện áp dương đặt lên hai cổng G S dịng điện dẫn từ cực D tới cực S( Mosfet kênh N) Mosfet có điện trở cực G với cực S cực G với cực D vơ lớn, cịn điện trở cực D cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch cực G cực S (UGS) Khi điện áp UGS = điện trở RDS lớn, điện áp UGS > hiệu ứng từ trường làm cho điện trở RDS giảm, điện áp UGS lớn điện trở RDS nhỏ MOSFET có điện trở dẫn điện lớn nên công suất tổn hao dẫn điện lớn Hiện nay, hoạt động Mosfet chia thành chế độ : • Chế độ Cut-off chế độ ngưỡng giới hạn • Chế độ bão hịa (Saturation) • Chế độ tuyến tính (chính Linear/Ohmic Region) Trong phần nầy ta xét tới chế độ bão hồ: Ở chế độ bão hịa này, cực máng đảm bảo điện áp giữ ổn định, dù điện áp cực máng cực nguồn có muốn tăng lên Cơ chế diễn điện áp chạy cực máng cực nguồn vượt định mức cho phép Trong trường hợp này, thiết bị hoạt động tương tự cơng tắc khép kín với dịng điện bão hịa Ưu điểm Mosfet • Mosfet cung cấp hiệu cao hoạt động điện áp thấp • Sự vắng mặt dòng điện cực cổng gate dẫn đến trở kháng đầu vào cao tạo tốc độ • • • • • • • chuyển mạch cao Mosfet hoạt động cơng suất thấp khơng cần có dịng điện Mosfet có trở kháng đầu vào cao nhiều so với JFET Chế tạo sản xuất Mosfet dễ dàng nhiều JFET Có tốc độ hoạt động cao nhiều so với JFET Sở hữu khả tùy biến kích thước vơ cao Mosfet khơng có diode cổng Điều giúp cho hoạt động với điện áp cổng dương âm Mosfet có mức tiêu thụ điện thấp phép nhiều thành phần diện tích bề mặt chip Nhược điểm Mosfet • Lớp oxit mỏng làm cho Mosfet dễ bị hỏng điện tích tĩnh điện 10 ` Đặc tính thơng số kỹ thuật IR2101 Kênh thiết kế cho hoạt động bootstrap Hoạt động đầy đủ đến +600 V Chịu điện áp thoáng qua âm dV/dt miễn dịch Phạm vi cung cấp ổ đĩa cổng từ 10 đến 20 V Khóa giảm áp Tương thích đầu vào logic 3,3 V, V 15 V Độ trễ lan truyền phù hợp cho hai kênh Đầu pha với đầu vào (IR2101) lệch pha với đầu vào (IR2102) Sơ đồ khối chức IR2101 12 ` 2.2.7 Bộ chuyển đổi nguồn 12v Bộ chuyển đổi nguồn điện có tên tiếng anh adapter phận dùng để biến đổi, hay chuyển đổi nguồn điện thiết bị điện từ điện áp cao (220V) xuống mức điện áp thấp (24V) nhằm sử dụng phù hợp với hệ thống thiết bị điện Bộ chuyển đổi nguồn (adapter) chúng sử dụng phổ biến nhiều nghành nghề khác đặc biệt ngành nghề điện tử… Ký hiệu hình dạng nguồn Chức chuyển đổi adapter • Các thiết bị điện tử hoạt động cách ổn định adapter cung cấp nguồn điện thích hợp • Sạc pin cho laptop chức adapter mà bạn khơng thể khơng biết đến 13 ` • Cũng tùy thuộc vào thiết bị điện tử mà adapter có cơng suất phù hợp Và dự án đồ án điện tử công nghiệp ta sử dụng adepter 12V-2A 2.3 Vi điều khiển STM32F103C8T6 Vi điều khiến STM32F103C8T6 Stm32f103 thuộc họ F1 với lõi ARM COTEX M3 STM32F103 vi điều khiển 32 bit, tốc độ tối đa 72Mhz dùng cho driver để điều khiển 14 ` ứng dụng, điều khiển ứng dụng thông thường, thiết bị cầm tay thuốc, máy tính thiết bị ngoại vi chơi game, GPS bản, ứng dụng cơng nghiệp, thiết bị lập trình PLC, biến tần, máy in, máy quét, hệ thống cảnh báo, thiết bị liên lạc nội bộ… • • o o • o o o o o • o • o o o • o o • o o o o • o o o o o • ARM 32-bit Cortex M3 với clock max 72Mhz Bộ nhớ: 64 kbytes nhớ Flash(bộ nhớ lập trình) 20kbytes SRAM Clock, reset quản lý nguồn Điện áp hoạt động 2.0V -> 3.6V Power on reset(POR), Power down reset(PDR) programmable voltage detector (PVD) Sử dụng thạch anh từ 4Mhz -> 20Mhz Thạch anh nội dùng dao động RC mode 8Mhz 40khz Sử dụng thạch anh 32.768khz sử dụng cho RTC Trong trường hợp điện áp thấp: Có mode :ngủ, ngừng hoạt động hoạt động chế độ chờ o Cấp nguồn chân Vbat pin để hoạt động RTC sử dụng lưu trữ data nguồn cấp ADC 12 bit với kênh cho Khoảng giá trị chuyển đổi từ – 3.6V Lấy mẫu nhiều kênh kênh Có cảm biến nhiệt độ nội DMA: chuyển đổi giúp tăng tốc độ xử lý khơng có can thiệp q sâu CPU kênh DMA Hỗ trợ DMA cho ADC, I2C, SPI, UART timer timer 16 bit hỗ trợ mode IC/OC/PWM timer 16 bit hỗ trợ để điều khiển động với mode bảo vệ ngắt input, dead-time watdog timer dùng để bảo vệ kiểm tra lỗi sysTick timer 24 bit đếm xuống dùng cho ứng dụng hàm Delay… Hỗ trợ kênh giao tiếp bao gồm: I2C(SMBus/PMBus) USART(ISO 7816 interface, LIN, IrDA capability, modem control) SPIs (18 Mbit/s) CAN interface (2.0B Active) USB 2.0 full-speed interface Kiểm tra lỗi CRC 96-bit ID Chương 3: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TỐN 15 ` 3.1 Sơ đồ khối Khối_tạo xung(PWM) Nguồn 3.3Vdc Khối chuyển mạch Khối lái Bộ lọc Nguồn LC Nguồn 12Vdc 3.1.1 Khối nguồn Nguồn 12V 2A cung cấp nguồn điện hoạt động ổn định cho mạch hạ áp Nguồn 3.3Vdc ta sử dụng từ nguồn cổng usb máy tính cấp trực tiếp vào stm32 3.1.2 Khối lọc Nhiệm vụ mà lọc thơng thấp đảm nhận làm mịn hoạt động chuyển mạch Mosfet thực tạo điện áp DC mượt mà êm - Xác định điều kiện để dòng điện qua tải liên tục: 16 ` Dịng liên tục có nghĩa, Imin Với : = D( –T ) = 0,5.12 –= (A) Nên : = T.R = 20 = 62,5 Các gợn điện áp phóng hiển thị hình dạng Giá trị điện áp tụ tối thiểu tối đa xảy thời điểm dịng tụ trở thành khơng Giá trị đỉnh-đỉnh gợn điện áp tụ đưa ra: = =>0,1 = =>C =9,375 () - Xác định dòng điện: Dựa vào dạng sóng, giá trị dịng điện trung bình qua cuộn dây sau: Mà : = 0,5*12=0,6 (A) = = 0,3 (A) Điện áp dòng điện đặt DIODE : = =12V = *(1-D) = 0,3.( 1-0.5 ) = 0.15 (A) 3.1.3 Khối lái Ở ta sử dụng vi mạch lái IR2101 Cổng LIN nhận xung pwm tạo từ vi điều khiển nâng mức điện áp xung từ vi điều khiển lên 12V để việc điều khiển mosfet thuận lợi 17 ` 3.1.4 Khối tạo xung PWM Khối điều khiển độ rộng xung (PWM) loại tín hiệu tạo từ vi mạch kỹ thuật số vi điều khiển định thời 555.Nhưng mạch sử dụng IC555 phức tạp điều khiển nhiều thiết bị nên đề tài nầy ta chọn sử dụng STM32F103C8T6 để làm mạch đơn giản hết ta lập trình dễ dàng Ta có : 18 ` Thời gian chu kỳ T, với: T=+ Và tần số chuyển mạch là: F= = Hệ số chu kỳ làm việc: D== D biến thiên từ đến (không bao gồm giá trị 1) Chúng ta tiến hành lập trình cho STM32F103C8T6 qua phần mềm STM32cubeMX Keilc Ta khởi tạo Timer1 cài đặt Channel để truyền xung PWM Sử dụng thạch anh nội (internal clock) Cài đặt thông số cho chia trước = 35 Cài đặt cho kỳ xung = 99 19 ` Cài đặt thạch anh với tần số 72MHz Lưu đồ giải thuật: Bắt đầu chương trình Gọi hàm HAL_TIM_PWM_STAR Gọi hàm HAL_TIM_SET_COMPARE Xuất xung PWM 20 ` 3.1.5 Khối chuyển mạch Khối nầy tiếp nhận xung PWM từ khối lái có vai trị cơng tắt đóng ngắt với tần số chuyển mạch lớn Điện áp dòng điện đặt khoá S = = 12 V = * D= 0.3*0.5 = 0.15 (A) Nên ta lựa chọn Mosfet IRF540 Thông số kỹ tḥt • Phân cực bóng bán dẫn: Kênh N • Điện áp xả đến nguồn Vds : 100V • Dòng xả vào nguồn Id : 28A • Điện trở trạng thái (điện trở nguồn) Rds : 0,077Ω • Phạm vi nhiệt độ hoạt động: -55˚C đến 175˚C • Điện áp nguồn cổng Vgs : ± 20V • Cơng suất tiêu tán tối đa: 150W • Điện áp tối đa cần thiết để dẫn: 2V đến 4V 21 ` 3.2 Sơ đồ nguyên lí tổng thể 3.3 Sơ đồ mạch in 22 ` Chương 4: KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ 4.1 Kết thi cơng Hình a Mặt mạch thi cơng Hình b Mặt mạch thi cơng 4.2 Kết đo đạt Hình a Đo áp tải Hình b Đo áp nguồn Dạng sóng nguồn vào 23 ` Dạng sóng nguồn Dạng sóng pwm 24 ` Dạng sóng cổng Lo mạch lái 4.3 Nhận xét 25 ` Khi mạch khơng có tải Vout = 12v Trong q trình thi cơng linh kiện mạch có dấu hiệu hư hỏng ic 2101, mosfet đẫn đến mạch hoạt động được.Trong lúc đo xung nhận xét thấy mạch bị nhiễu mạch lái khiến cho việc điện áp tải không ổn định.Việc lựa chọn tải cho mạch phải hợp lý tải có cơng xuất lớn lơn cơng xuất mạch bị sụt áp hoạt động không ổn định 4.4 Tổng kết Mạch không hoạt động lý thuyết mô tính tốn có nhiều sai sót lúc thi cơng mạch Các linh kiện khơng đáp ứng để mạch hoạt động tốt Việc lựa chọn linh kiện mạch cần phải chuẩn thực tế lựa chọn cuộn cảm lớn đến 10 lần giá trị tính phần lý thuyết 26