Thiết kế mạch biến đổi nguồn 5vdc lên 12vdc

Đồ án mạch tơng tự GVHD: Lê Văn Chơng Nhn xét giáo viên hướng dẫn  Ngày… Tháng….năm 2010 Ký tên SVTH: NguyÔn Trung Kiên Lớp: 49K-ĐTVT Trang Đồ án mạch tơng tự GVHD: Lê Văn Chơng Nhn xột ca giỏo viên  Ngày….tháng…năm 2010 Ký tên SVTH: Nguyễn Trung Kiên Lớp: 49K-ĐTVT Trang Đồ án mạch tơng tự GVHD: Lê Văn Chơng MụC LụC Lời mở đầu Trang 03 Cơ sở lý thuyết Trang 05 I Định nghĩa tổng quát Trang 05 Định nghĩa bội áp Trang II Các biến đổi DC-DC Trang 05 Bộ biến đổi giảm áp Trang Bộ biến đổi tăng áp Trang Bộ biến đổi đảo áp Trang Thiết kế tính tốn mạch biến đổi nguồn 5VDC lên 12VDC Trang 13 I Thiết kế khối tạo xung Trang II Thiết kế tính tốn cho tồn mạch Trang Thiết kế mạch nguyên lý Trang Tính tốn linh kiện Trang Kết luận chung Trang SVTH: Ngun Trung Kiªn – Líp: 49K-ĐTVT Trang Đồ án mạch tơng tự GVHD: Lê Văn Chơng LI M U Trong lnh vc k thut đại ngày nay, việc chế tạo chuyển đổi nguồn có chất lượng điện áp cao, kích thước nhỏ gọn cho thiết bị sử dụng điện cần thiết Quá trình xử lý biến đổi điện áp chiều thành điện áp chiều khác gọi trình biến đổi DC-DC Một nâng điện áp biến đổi DC-DC có điện áp đầu lớn điện áp đầu vào Bộ biến đổi DC-DC tăng áp hay sử dụng mạch chiều trung gian thiết bị biến đổi điện công suất vừa đặc biệt hệ thống phát điện sử dụng lượng tái tạo (sức gió, mặt trời) Cấu trúc mạch biến đổi vốn không phức tạp vấn đề điều khiển nhằm đạt hiệu suất biến đổi cao đảm bảo ổn định mục tiêu công trình nghiên cứu Thêm vào đó, biến đổi đối tượng điều khiển tương đối phức tạp mô hình có tính phi tuyến Dưới ứng dụng điện tử tương tự sống hàng ngày “ Thiết kế mạch biến dổi nguồn 5VDC lên 12VDC” đồ án Em hi vọng sau hoàn thành đồ án giúp em củng cố lại kiến thức mà em đà tích lũy đợc suốt thời gian häc tËp vµ víi íc mong nã sÏ lµ mét điểm tựa cho em sau trờng Trong trình làm đồ án em đà đợc hớng dẫn tận tình thầy Lê Văn Chơng Mặc dù đà cố gắng nhng lĩnh vực em, nên không tránh khỏi thiếu sót nội dung phơng pháp trình bày Em mong đợc bảo hớng dẫn thầy cô ý kiến đóng góp bạn để đề tài em đợc hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viờn thc hin NGUYễN TRUNG KIÊN Phần Cơ sở lý thuyết SVTH: Nguyễn Trung Kiên Lớp: 49K-ĐTVT Trang Đồ án mạch tơng tự GVHD: Lê Văn Chơng I NH NGHA TNG QUÁT: I.2 Định nghĩa bội áp: Đây trình biến đổi điện áp chiều U v từ giá trị sang giá trị khác thấp cao hơn, có dấu ngược lại Nó thường dùng để tạo cao áp chiều công suất nhỏ 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 biến đổi DC-DC kiểu chuyển mạch: dùng tụ điện chuyển mạch, dùng điện cảm chuyển mạch Giải pháp dùng điện cảm chuyển mạch có ưu mạch công suất lớn Các biến đổi DC-DC cổ điển dùng điện cảm chuyển mạch bao gồm: buck (giảm áp), boost (tăng áp), buck-boost/inverting (đảo dấu điện áp) Hình 1.1 thể sơ đồ nguyên lý biến đổi Với cách bố trí điện cảm, khóa chuyển mạch, diode khác nhau, biến đổi thực mục tiêu khác nhau, nguyên tắc hoạt động dựa tượng trì dịng điện qua điện cảm Hình 1.1 Các biến đổi DC-DC chuyển mạch điện cảm II.1 Bộ biến đổi giảm áp (buck converter) SVTH: Ngun Trung Kiªn – Líp: 49K-ĐTVT Trang Đồ án mạch tơng tự GVHD: Lê Văn Chơng S nguyờn lớ c bn ca mạch buck: Hình 1.2 Sơ đồ ngun lí mạch giảm áp (buck) Nguyên lí hoạt động: Đây kiểu biến đổi nguồn cho điện áp đầu nhỏ so với điện áp đầu vào tức Vin (T1/T)×Vin = Vout Giá trị D = T1/T thường gọi chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle) Như vậy, Vout = Vin×D D thay đổi từ đến (không bao gồm giá trị 1), D×Vin = (1 − D)×Vout Khi D = 0.5, Vin = Vout Với trường hợp khác, < V out < Vin < D < 0.5, < Vin < Vout 0.5 < D < (chú ý xét độ lớn, SVTH: Ngun Trung Kiªn – Lớp: 49K-ĐTVT Trang 13 Đồ án mạch tơng tự GVHD: Lê Văn Chơng chỳng ta ó bit Vin v Vout ngược dấu) Như vậy, biến đổi tăng áp hay giảm áp, lý mà gọi biến đổi buck-boost Xét loại toán thường gặp trường hợp trên, tức là: cho biết phạm vi thay đổi điện áp ngõ vào V in, giá trị điện áp ngõ V out, độ dao động điện áp ngõ cho phép, dòng điện tải tối thiểu I out,min, xác định giá trị điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch phạm vi thay đổi chu kỳ nhiệm vụ, để đảm bảo ổn định điện áp ngõ Phạm vi thay đổi điện áp ngõ vào giá trị điện áp ngõ xác định phạm vi thay đổi chu kỳ nhiệm vụ D: Dmin = Vout/(Vin,max + Vout), Dmax = Vout/(Vin,min + Vout) Lý luận tương tự với biến đổi buck, độ thay đổi dòng điện cho phép lần dòng điện tải tối thiểu Trường hợp xấu ứng với độ lớn điện áp trung bình đặt vào điện cảm khóa (van) ngắt đạt giá trị lớn nhất, tức D = Dmin Như đẳng thức dùng để chọn chu kỳ (tần số) chuyển mạch điện cảm L giống biến đổi buck: (1 − Dmin)×T×Vout = Lmin×2×Iout,min Cách chọn tụ điện ngõ cho biến đổi khơng khác so với trường hp trờn SVTH: Nguyễn Trung Kiên Lớp: 49K-ĐTVT Trang 14 Đồ án mạch tơng tự GVHD: Lê Văn Chơng PHẦN II THIẾT KẾ VÀ TÍNH TỐN MẠCH BIẾN ĐỔI NGUỒN 5V DC LÊN 12V DC Áp dụng nguyên lí chuyển đổi DC trên, phạm vi đồ án ta thiết kế tính tốn mạch biến đổi từ điện áp chiều 5V lên điện áp chiều 12V Yêu cầu thông số mạch biến đổi sau: - Điện áp vào 5VDC - Điện áp 12VDC - Sai số điện áp Vrip=100mV - Dòng tải cực tiểu Iout,min=100mA Với yêu cầu vậy, em sử dụng mạch boost để tăng điện áp Mạch boost hoạt động theo chu kì xung đưa vào đóng ngắt tranzito Sơ đồ khối mạch 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 xung để đóng ngắt transistor cách nhịp nhàng Có nhiều phương án tạo xung vuông dùng mạch đa hài, dùng IC 555, dùng mạch dao động nghẹt… Trong đồ án, em lựa chọn mạch dao động dùng IC 555 mạch tương đối đơn giản, cần IC 555 cựng vi SVTH: Nguyễn Trung Kiên Lớp: 49K-ĐTVT Trang 15 Đồ án mạch tơng tự GVHD: Lê Văn Chơng linh kiện khác tạo đầu xung chữ nhật đáp ứng yêu cầu toán Giới thiệu IC 555: IC thời gian 555 du nhập vào năm 1971 công ty Signetics Corporation dòng 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 khơng 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 dòng IC 555 sử dụng phổ biến mạch tạo xung, đóng cắt mạch dao động khác Cấu tạo nguyên lý hoạt động IC555: 2.1 Sơ đồ chân: NE 555 Hình 2.2: Sơ đồ chân IC định thời 555 2.2 Sơ đồ khi: SVTH: Nguyễn Trung Kiên Lớp: 49K-ĐTVT Trang 16 Đồ án mạch tơng tự GVHD: Lê Văn Chơng Hỡnh 2.3: Sơ đồ khối IC định thời 555 2.3 Sơ đồ ngun lí NE555: Hình 2.4 Sơ đồ ngun lí NE555 2.4 Chức chân 555  Chân số (GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân gọi chân chung  Chân số (TRIGGER): Đây chân đầu vào thấp điện áp so sánh dùng chân chốt hay ngõ vào tần so áp Mạch so sánh dùng transitor PNP với mức điện áp chuẩn 2/3Vcc  Chân số (OUTPUT): Chân chân dùng để lấy tín hiệu logic Trạng thái tín hiệu xác định theo mức “0” “1” “1” mức cao tương ứng với gần Vcc (PWM=100%) mức “0” tương đương với 0V mà thực tế mức “0” ko 0V mà khoảng từ (0.35 ->0.75V)  Chân số (RESET): Dùng lập định mức trạng thái Khi chân số nối masse ngõ mức thấp Còn chân nối vào mức áp cao trạng thái SVTH: Ngun Trung Kiªn – Lớp: 49K-ĐTVT Trang 17 Đồ án mạch tơng tự GVHD: Lê Văn Chơng ngừ tựy theo mc ỏp trờn chân Nhưng mà mạch để tạo dao động thường hay nối chân lên VCC  Chân số (CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn IC 555 theo mức biến áp hay dùng điện trở cho nối GND Chân khơng 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 tầng dao động  Chân số (Vcc): Không cần nói bít chân cung cấp áp dịng cho IC hoạt động Khơng có chân coi IC chết Nó cấp điện áp từ 2V → 18V 3.Thiết kế mạch tạo xung: 3.1 Sơ đồ ngun lí mạch tạo xung dung IC555 Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lí mạch tạo xung dùng IC 555 SVTH: Nguyễn Trung Kiên Lớp: 49K-ĐTVT Trang 18 Đồ án mạch tơng tự GVHD: Lê Văn Chơng Dng xung đầu mạch tạo xung: T T1 T2 Hình 2.4: Dạng xung đầu mạch tạo xung Cơng thức tính thơng số xung: + Chu kì xung (T): T=T1+T2 Trong đó: T – Chu kì xung (s) T1 – Thời gian tích cực xung (s) T2 – Thời gian xung (s) + Cơng thức tính T1 T2: T1 = 0.7×(R1+R2)×C1 T2 = 0.7×R2×C1 Suy ra: T 0.7( R1  R 2)C1 + Tần số xung (f): f  1,4  (Hz) T ( R1  R 2).C1 II THIẾT KẾ VÀ TÍNH TỐN CHO TỒN MẠCH: Thiết kế mạch ngun lí: u cầu tốn tăng điện áp DC từ 5V lên 12V, nên em sử dụng mạch boost để làm mạch biến áp Mạch boost điều khiển xung mạch tạo xung tạo Sơ đồ ngun lí tồn mạch hình 2.5 Chú ý giá trị Rd Rgs giá trị trở cuộn dây điện trở mặt tiếp giáp G-S tranzito thông Giá trị chúng thường nhỏ (khoảng 1Ω).) SVTH: Ngun Trung Kiªn Lớp: 49K-ĐTVT Trang 19 Đồ án mạch tơng tự GVHD: Lê Văn Chơng Hỡnh 2.5 S nguyờn lớ tồn mạch Tính tốn linh kiện cho mạch: Tính tốn cho mạch tạo xung  Tính tốn độ rộng xung: Như phân tích trên, ta có mối liên hệ điện áp điện áp vào là: Vout = Vin/(1 − D) (*) D - chu kì nhiệm vụ xung đóng ngắt tranzito => D = 1-Vin/Vout Yêu cầu đề tài điện áp vào Vin=5V, Vout=12V Suy mạch tạo xung tạo xung vng có chu kì nhiệm vụ D=1-5/12=7/12 D T1 0.7( R  R1) R  R1   T 0.7( R  R1) R  R1  R1  R  R1  R 12  R1 2 R Chọn R1=2K, R2=5K  Tính tốn tần số xung: Đối với mạch boost, xung liên hệ theo cơng thức: (1 − Dth)×T×(Vin,th − Vout) = Lmin×2×Iout,min (**) SVTH: Nguyễn Trung Kiên Lớp: 49K-ĐTVT Trang 20