Báo cáo môn nguồn điện đề tài thiết kế mạch boost sử dụng ic555

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ  - BÁO CÁO MÔN NGUỒN ĐIỆN Đề tài: Thiết kế mạch boost sử dụng IC555 Họ tên sinh viên: Nguyễn Hữu Bắc Mã sinh viên: 191404086 Lớp: Điện tử tin học công nghiệp 2-K60 Giảng viên hướng dẫn: Phạm Thanh Huyền Hà Nội, 11/2022 i MỤC LỤC Lời giới thiệu .2 I.Phân tích nhiệm vụ 1.1 Đề tài 1.2 Mục đích nghiên cứu 1.2 Phạm vi nghiên cứu 1.4 Nội dung nghiên cứu II.TÌM HIỂU MẠCH BOOST 2.1 Cấu tạo sơ đồ nguyên lý 2.2 Nguyên lý hoạt động 2.3 Ứng dụng III TÌM HIỂU IC555 3.1 Cấu tạo thông số kỹ thuật IC 555 3.2 Chức hoạt động 3.1 Chức hoạt động chân 3.1 Ứng dụng IC555 mạch boost IV TÍNH TỐN LỰA CHỌN LINH KIỆN .8 V MÔ PHỎNG .11 VI THIẾT KẾ MẠCH NGUYÊN LÝ VÀ MẠCH IN 17 6.1 Vẽ mạch nguyên lý Altium 17 6.2 Vẽ mạch in Altium 18 VII KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 18 7.1 Mạch in boost converter 18 7.2 Nguồn đầu vào 18 7.2 Kết đo 20 VIII KẾT LUẬN 20 LỜI GIỚI THIỆU Trong lĩnh vực kỹ thuật 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 với mạch biến đôi phổ biến buck converter, boost converter, flyback converter học học phần Nguồn điện Trong học phần với yêu cầ u thiết kế mạch điện tử công suất, em lựa chọn đề tài: “Thiết kế mạch DC DC boost converter(5VDC -> 12VDC) sử dụng IC555” Em xin chân thành cảm ơn thầy Đào Đức Thịnh tận tình dạy em lý thuyết mạch Do cịn việc hạn chế trình độ ngoại ngữ, chun môn thiếu kinh nghiệm làm nên báo cáo em cịn nhiều khiếm khuyết, sai sót Em mong nhận nhiều ý kiến đóng góp lời khun hữu ích từ thầy thấy rõ điều cần nghiên cứu bổ sung, giúp cho việc xây dựng đề tài đạt đến kết hoàn thiện tạo tiền đề cho em sau I.PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ 1.1 Đề tài Thiết kế mạch DC-DC boost converter sử dụng IC 555 yêu cầu kỹ thuật: Vin=5(V) Vout=12(V) Rtải=50(Ohm) ΔVcVc Vc = 5% 1.2 Mục đích nghiên cứu Giúp sinh viên nắm vững thiết kế sử dụng biết áp dụng vào thực tiễn Làm quen với phần mềm mô thiết kế làm mạch thật 1.3 Phạm vi nghiên cứu Dựa kiến thức học học phần nguồn điện Tìm hiểu phần mềm thiết kế mơ mạch điện qua môn khác như: thiết kế điện tử, vi xử lý, … 1.4 Nội dung nghiên cứu Bao gồm: TÌM HIỂU MẠCH BOOST TÌM HIỂU IC 555 TÍNH TỐN LỰA CHỌN LINH KIỆN MƠ PHỎNG THIẾT KẾ MẠCH NGUYÊN LÝ VÀ MẠCH IN KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM KẾT LUẬN II.TÌM HIỂU MẠCH BOOST 2.1 Cấu tạo sơ đồ nguyên lý Mạch tăng áp(DC-DC boost converter) chuyển đổi nguồn DC sang DC có chức tăng điện áp (trong giảm dòng điện) từ đầu vào(nguồn cung cấp) đến đầu (tải) Nguồn cho mạch tăng áp đến từ nguồn DC phù hợp nào, chẳng hạn pin lion, pin mặt trời, chỉnh lưu máy phát điện chiều Hình 1: Sơ đồ nguyên lý mạch boost 2.2 Nguyên lý hoạt động Khi Mosfet dẫn (kích vào chân S) lúc điện áp L Văn, lúc diode D ngắt bị phân cực ngược cắt mạch tải khỏi nguồn đồng thời dòng cuộn dây L xuất tăng dần từ giá trị ban đầu Imin lúc dịng qua tải trì nhờ tụ C đóng vai trị nguồn (Tụ C phóng) Đến thời điểm ta cho Mosfet ngắt lúc cuộn dây L xuất điện áp tự cảm chống lại giảm dòng II Điện áp tự cảm cộng với nguồn Vin có chiều dương đặt vào chân Anot diode làm diode dẫn lập tực nạp bổ xung cho tụ C Q trình lặp lặp có điện áp cấp cho tải Hình bên diễn tả rõ Hình 2: Nguyên lý hoạt động mạch boost 2.3 Ứng dụng Làm mạch desunfat bảo dưỡng ác quy, cấp nguồn cho thiết bị đòi hỏi điện áp cao cỡ vài chục Vơn nguồn cấp có điện áp thấp (1.5V hay 3V…) Nâng áp mạch nguồn xung TV,LED III.TÌM HIỂU IC 555 3.1 Cấu tạo thông số kỹ thuật IC 555 Cấu tạo IC NE555 gồm có OP – AMP dùng để so sánh điện áp, mạch lật transistor giúp xả điện Cấu tạo đơn giản coi mạch tích hợp hoạt động tốt có độ xác cao Hình 3: Sơ đồ chân Cấu tạo bên gồm có điện trở mắc nối tiếp để chia điện áp nguồn (Vcc) thành phần giúp tạo nên điện áp chuẩn Điện áp ⅓ Vcc nối với chân dương OP – AMP điện áp ⅔ Vcc lại nối với chân âm OP – AMP Trong trường hợp điện áp chân nhỏ ⅓ Vcc chân S= lúc FF kích hoạt Khi điện áp chân số mà lớn ⅔ Vcc chân R FF= FF reset Với đặc tính Ic 555 chân cấp nguồn hoạt động với dải điện áp từ 2.0 – 18V, với chuẩn đầu tương thích TTL cấp nguồn 5V với dịng điện rút ấp lên đến 200mA Thông số chuẩn IC 555 liệt kê sau: Với nguồn điện áp đầu vào nằm dải từ – 18V; Dòng điện tiêu thụ: – 15mA; Công suất tiêu thụ lớn (Pmax): 600mW; Điện áp logic đầu mức cao (mức 1): 0.5 – 15V; Điện áp logic đầu mức thấp (mức 0): 0.03 – 0.06V; 3.2 Chức hoạt động Trong số trường hợp điện áp mức ngưỡng (Threshold) điện áp kích (Trigger) ⅔ ⅓ so với điện áp nguồn Vcc Với mức độ điện áp bị thay đổi chân điều khiển áp (CONT) Khi điện áp chân số (TRIG) mức kích mạch Flip – Flop trạng thái Set (mức 1) làm cho gõ (OUT) mức cao (mức 1) Khi điện áp chân TRIG IC 555 mức kích đồng thời chân ngưỡng (THRES – chân 6) mức ngưỡng tự động mạch Flip – Flop bị reset mức từ làm cho đầu output xuống mức Ngoài ra, chân RESET (chân 4) xuống mức thấp mạch Flip – Flop bị reset khiến cho đầu (OUT) xuống mức Khi đầu mức lúc DISCH (chân 7) nối với GND Các chức IC 555 thường sử dụng để tạo xung, điều chế độ rộng xung (PWM), điều chế vị trí xung (PPM) hay sử dụng thu phát hồng ngoại 3.3 Chức hoạt động chân Chân (GND): Chân nối GND để giúp cung cấp dòng cho IC hay gọi mass chung Chân số (TRIGGER): Được biết đến chân đầu vào thấp so với điện áp so sánh sử dụng giống chân chốt tần số áp Mạch so sánh sử dụng Transistor PNP với điện áp chuẩn ⅔ Vcc Chân số (OUTPUT): Đây chân lấy tín hiệu logic đầu Trạng thái tín hiệu chân số xác định mức thấp (mức 0) mức cao (mức 1) Chân số (RESET): Dùng để lập định trạng thái đầu IC 555 Khi chân nối với Mass OUTPUT mức Cịn chân mức cao trạng thái đầu phụ thuộc theo mức áp chân số chân số Trong trường hợp, muốn tạo dao động thường chân nối trực tiếp với nguồn Vcc Chân số (CONTROL VOLTAGE): Chân sử dụng để làm thay đổi mức điện áp chuẩn IC 555 theo mức biến áp hay dùng điện trở nối với chân số GND Chân số (THRESHOLD): Là chân đầu vào để so sánh điện áp dùng chân chốt Chân số (DISCHAGER): Đây coi khóa điện tử chịu tác động điều khiển từ tầng logic chân Khi đầu chân OUTPUT mức khóa đóng ngược lại Chân số có nhiệm vụ tự nạp xả điện cho mạch R-C Chân số (Vcc): Đây nguồn cấp cho IC 555 hoạt động Chân cung cấp với mức điện áp dao động từ – 18V 3.4 Ứng dụng IC 555 mạch boost Có thể sử dụng IC để tạo xung với tần số xác định hệ số chu kỳ (góc dẫn) dễ dàng điều chỉnh Sau sơ đồ mạch nguyên lý mạch tạo dãy xung dùng IC 555 Cơng thức tính tốn mạch trên: + Ton=0.693*(R2+R3)C1 + Toff=0.693*R3C1 + T=Ton+Toff=0.693*(R2+2R3)C1 + Tần số dãy xung đầu tính tương đối theo biểu thức: F= 1.44 (R2+2R3)C1 Hình 4: Mạch tạo xung IC555 IV TÍNH TỐN LỰA CHỌN LINH KIỆN Trong Hình ta có mạch tạo xung từ IC555 có giá trị Điện trở R2 R3 10K 39K, giá trị tụ điện C1 1.5nF Vì vậy, R2 = 18K; R3 = 39K 1.5nF Hoặc viết R1=18000 Ohms; R2=39000 Ohms, C1=1.5* 10−9 FaradThời gian (Ton) khoảng thời gian mà xung trì mức cao (5V) sóng đầu Điều tính Thời gian (Ton) = 0.693*(R2+R3)*C1 = 0.693*(18000+39000)*1.5*10−9 = 6*10−5 s=60 µs  Ton = 60 µs Thời gian (Toff) khoảng thời gian mà xung mức thấp (0v) sóng đầu Nó tính Thời gian thấp (Toff) = 0,693*R3*C1 = 0,693*39000*1.5*10−9 = 4*10−5 s= 40µs  Toff = 40µs Chu kỳ (T) tổng Ton Toff T = 0,693*(R2 + 2*R3)*C1 = 0,693*(18000 + 2*39000)*1.5*10−9 = 10*10−5 s= 100µs  T = 100µs Như biết tần số nghịch đảo thời gian Có số ứng dụng định điều khiển động servo xung phải tần số định để mạch điều khiển đáp ứng Tần số tính Tần số (F) là: 1.44 F=  1.44 (R2+2R3)C1 = F= (18000+ 2∗39000)∗1.5∗10−9 = 10000(Hz)=10(kHz) F = 10kHz Tính tốn lựa chọn Cuộn cảm (L), Tụ điện (C), Diode MOSFET Sau tính toán mạch tạo xung thu tần số F=10000(Hz) +)Chọn cuộn cảm L Vin Ta có hệ số biến đổi D= 1− Vout = 1− 12 = 0.58 Để mạch hoạt động chế độ dòng liên tục : 2 2F 2∗10000 Lmin=(1−D) ∗D∗R = (1−0.58) ∗0.58∗51 = 6.2*10−4=620(μH)H) Chọn L=150(μH)H) +)Chọn tụ (C) Chọn ΔVcVc=¿5% Vc= 0.05*12=0.6(V) =>C> => C > 19(μH)F) D R∗F∗1.2 0,58 =  Chọn tụ C= 22(μH)F) +)Chọn Diode(D) Ta có: 51∗10000∗1.2 Vi∗D∗T ΔVcIL= Vi∗D = L L∗F 5∗0,58 680∗10−6∗10000 ¿ Vout IL= =0.42 ( A) 12 = R (1−D) 51(1−0.58) =0.56 (A) Dịng ước tính qua diode: ID= (1−D ) IL = (1−0.58)∗0.56=¿ 0.2352(A) ΔVcIL 0.42 IDmax=ILmax=IL+ = 0.57+ =0.783(A)  Chọn diode 1N4007 có tốc độ đóng cắt nhanh giúp cho mạch điện hoạt động tốt +)Chọn MOSFET MOSFET : bạn cần chọn MOSFET chịu điện áp đầu tối đa, điện áp đánh thủng phải cao điện áp đầu tối đa chuyển đổi  Chọn IRFZ44N – MOSFET kênh N Các linh kiện sử dụng cho mạch : IC555 IRFZ44N – MOSFET kênh N Cuộn cảm 680uH Điện trở 18k Điện trở 39k Điện trở 51 Ohm Điốt IN4007 Tụ điện 0.01uF Tụ điện 1.5nF Tụ điện 22uF 10 V MÔ PHỎNG Sử dụng phần mềm Psim Hình 5: Mạch mơ Psim 11 Kết mô Giá trị Vout 12 Hình : Kết Vout Giá trị IL 13 Hình : Kết IL Giá trị ID 14 Hình : Kết ID Giá trị IS 15 Hình : Kết IS Đại lượng Giá trị trung bình Giá trị max Vout(V) 12.053954 12.312656 11.630066 IL(A) 0.62970372 0.76586277 0.33185979 ID(A) 0.26260348 0.79130014 IS(A) 0.36710024 0.77869099 Bảng 1: Kết mô Psim 16 Giá trị VI THIẾT KẾ MẠCH NGUYÊN LÝ VÀ MẠCH IN 4.1 Vẽ mạch nguyên lý Altium Hình 10 : Sơ đồ mạch nguyên lý (thiết kế Altium) 4.2 Vẽ mạch PCB lớp Altium Từ sơ đồ nguyên lý ta vẽ, dây lớp PCB 17