LỜI NÓI ĐẦU ...................................................................................................... 3 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ............................... 4 1.1.Tổng quan về điện tử công suất ................................................................... 4 1.2.Giới thiệu về động cơ điện một chiều .......................................................... 7 1.3.Điều chỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiều ....................................................... 9 CHƯƠNG II: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN VÀ THIẾT KẾ .......................... 15 2.1. Lựa chọn phương án thiết kế ..................................................................... 15 2.2. Sơ đồ khối ................................................................................................. 15 2.3.Sơ đồ nguyên lý .......................................................................................... 18 2.4.Lựa chọn, phân tích các thành phần có trong mạch ................................... 19 2.4.1. Điện trở .................................................................................................. 19 2.4.2. Tụ điện .................................................................................................... 20 2.4.3. IC NE555 ................................................................................................ 21 CHƯƠNG III: THI CÔNG SẢN PHẨM ......................................................... 27 3.1. Bảng vật tư, linh kiện ................................................................................ 27 3.2. Lắp ráp, đấu nối mạch ............................................................................... 29 3.2.1. Mạch PCB .............................................................................................. 29 3.2.2. Thi công.................................................................................................. 29 CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN ............................................................................... 32 4.1. Kiến thức ................................................................................................... 32 4.2. Hạn chế ...................................................................................................... 32 4.3. Hướng phát triển ...................................................................................... 32 LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................... 33
Giảng viên hướng dẫn : Th.S Hoàng Trung Hiệp Sinh viên thực : Bùi Thị Ngọc Lệ PH30871 Triệu Việt Hồng PH33098 Lê Xn Đạt PH41811 Nguyễn Chí Anh PH41835 Năm 2023 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 1.1.Tổng quan điện tử công suất 1.2.Giới thiệu động điện chiều 1.3.Điều chỉnh tốc độ động điện chiều CHƯƠNG II: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN VÀ THIẾT KẾ 15 2.1 Lựa chọn phương án thiết kế 15 2.2 Sơ đồ khối 15 2.3.Sơ đồ nguyên lý 18 2.4.Lựa chọn, phân tích thành phần có mạch 19 2.4.1 Điện trở 19 2.4.2 Tụ điện 20 2.4.3 IC NE555 21 CHƯƠNG III: THI CÔNG SẢN PHẨM 27 3.1 Bảng vật tư, linh kiện 27 3.2 Lắp ráp, đấu nối mạch 29 3.2.1 Mạch PCB 29 3.2.2 Thi công 29 CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN 32 4.1 Kiến thức 32 4.2 Hạn chế 32 4.3 Hướng phát triển 32 LỜI CẢM ƠN 33 LỜI NÓI ĐẦU Ngày với phát triển mạnh mẽ giới mặt, khoa học cơng nghệ nói chung ngành cơng nghệ kỹ thuật Điện Tử nói riêng có nhiều phát triển vượt bậc, góp phần làm cho giới ngày đại văn minh Sự phát triển kỹ thuật điện tử tạo hàng loạt thiết bị có đặc điểm với xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ linh hoạt hoạt động ổn định Đó yếu tố cần thiết làm cho suất, hiệu công việc tăng cao, hoạt động người giảm bớt Với phát triển vũ bão kỹ thuật điện tử , xâm nhập vào tất ngành khoa học – kỹ thuật khác đáp ứng nhu cầu người dân Sau em xin giới thiệu mạch điều chỉnh tốc độ động hiệuquả sử dụng IC555 Để góp phần nhỏ vào việc chúng em thực đề tài “ Thiết kế lắp ráp mạch điều chỉnh tốc độ động chiều sử dụng IC” Trong trình thực đề tài, chúng em nhận giúp đỡ tận tình Thầy Hồng Trung Hiệp bạn lớp, nhóm chúng em xin cảm ơn giúp đỡ cô bạn giúp nhóm em hồn thành đề tài thời hạn Chúng em xin chân thành cảm ơn !!! CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 1.1 Tổng quan điện tử công suất Điện tử công suất: Ứng dụng thành tựu kỹ thuật điện tử cơng nghiệp Với dịng điện lớn, điện áp cao Nhằm biến đổi lượng điện cho phù hợp với yêu cầu phụ tải công nghệ đặt Quá trình biến đổi lượng mạch thực phần tử bán dẫn công suất lớn Chỉnh lưu (Rectifier): biến đổi lượng xoay chiều thành lượng chiều (P~ → P= ) Nghịch lưu (Inverter): biến đổi lượng chiều thành lượng xoay chiều (P= → P~ ) Bộ biến đổi xung áp: có hai loại: BBĐXA chiều (cịn gọi băm xung chiều): P= → P= thay đổi giá trị BBĐXA xoay chiều (còn gọi điều áp xoay chiều ĐAXC): P~ → P~ thay đổi giá trị Biến tần: biến đổi lượng xoay chiều, thay đổi tần số không phụ thuộc f1 1.1.1 Đặc tính linh kiện điện tử công suất Phân loại Van không điều khiển: điôt Van bán điều khiển: tiristor triac Van điều khiển hoàn toàn: BJT MOSFET GTO IGBT a Diot D mở dẫn dòng (D+ ) ↔ UAK > D khóa cắt dịng (D- ) ↔ UAK < b Tiristor T khóa nhờ mạch lực ↔ UAK < IT < Idt • T mở nhờ mạch điều khiển ↔ UAK > IG ≠ c Triac d BJT – FET BJT phần tử điều khiển dòng bazơ FET phần tử điều khiển áp e GTO IGBT GTO IGBT UGE ≥ UGEM: trạng thái IGBT mở hồn tồn Cho tín hiệu IGBT bị khóa dịng 1.2 Giới thiệu động điện chiều Động điện chiều DC (được viết tắt cụm từ “Direct Current Motors”) loại động điều khiển dịng điện có hướng xác định Hay nói theo cách khác loại động hoạt động nguồn điện áp DC điện áp chiều Hình 1.1 Động điện chiều a Cấu tạo Rotor: phận chính, có cấu tạo trục quấn cuộn dây lại với Nhờ mà tạo nên nam châm điện Stator: có kết cấu giống với nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện Nhờ chúng hoạt động với cơng dụng tương đương Cổ góp (Commutator): phận nơi tiếp xúc có khả truyền điện tới cho cuộn dây rotor Số điểm tiếp xúc cổ góp tương ứng với số dây quấn phận Rotor Chổi than (Brushes): nơi tiếp xúc tiếp điện cho phận cổ góp Hình 1.2 Cấu tạo động DC b Nguyên lý hoạt động Hình 1.3 Nguyên lý hoạt động c Ứng dụng Loại động ứng dụng hầu hết lĩnh vực sống như: tivi, máy công nghiệp, máy in- photo, đài FM, ổ đĩa DC, công nghiệp giao thông vận tải thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục phạm vi lớn Đối với động DC nhỏ thường sử dụng công cụ, đồ chơi thiết bị gia dụng khác Trong công nghiệp, động DC ứng dụng băng tải bàn xoay việc sử dụng động DC công suất lớn ứng dụng phanh đảo chiều Động chiều ứng dụng nhiều ngành chế tạo Robot 1.3 Điều chỉnh tốc độ động điện chiều Về phương diện điều khiển tốc độ động điện chiều có nhiều ưu việt so với loại động khác, khơng có khả điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao dải điều chỉnh tốc độ rộng Để điều khiển tốc độ động điện chiều, có số phương án phổ biến sau đây: Sử dụng biến trở điều khiển (Rheostat): Đây phương án điều khiển tốc độ đơn giản Biến trở điều khiển kết nối vào mạch nguồn để điều chỉnh điện trở giảm tốc độ động điện chiều Tuy nhiên, phương án không hiệu mặt lượng, tổn thất nhiệt lớn Sử dụng biến áp tự động (Autotransformer): Biến áp tự động cung cấp bậc điều chỉnh tốc độ khác cách thay đổi điện áp đầu vào đến động Tuy nhiên, phương án gây tổn thất lượng hiệu suất không cao Sử dụng phương pháp phân chia xung PWM (Pulse Width Modulation): Phương pháp điều khiển tốc độ cách thay đổi thời gian tín hiệu xung cấp cho động Bằng cách điều chỉnh tỷ lệ thời gian xung cao thời gian xung thấp, ta kiểm sốt tốc độ động Sử dụng phương pháp điều khiển dòng điện: Điều khiển tốc độ động cách giảm dòng điện đầu vào Phương pháp thường sử dụng mạch điều khiển tổng hợp tín hiệu điện từ động điều chỉnh dịng điện thơng qua mạch điện tử Sử dụng biến tần (Inverter): Biến tần giải pháp đại phổ biến để điều khiển tốc độ động điện chiều Biến tần chuyển đổi điện xoay chiều thành điện điều chỉnh xoay chiều, cho phép điều chỉnh tốc độ cách hiệu linh hoạt Biến tần giúp tiết kiệm lượng giảm thiểu tổn thất 1.4 Các phương pháp điều chỉnh động tốc độ cho động DC Mạch điều khiển tốc độ động DC dùng Mosfet đơn giản Mạch điều khiển tốc độ động điện dùng IC555 10 203 25 104 01 50 1500 1,5KV C = 0,01 F C = 1500 pF U = 25V U = 50V U = 1,5KV 10µF 16V 100µF 50V C = 20.103 pF = 20 nF 1000µF 25V C = 10 F C = 1000 F U = 16V U = 25V 2.4.3 IC NE555 a Thông số + Điện áp đầu vào: - 18V (Tùy loại 555: LM555, NE555, NE7555) + Dòng tiêu thụ: 6mA - 15mA + Điện áp logic mức cao: 0.5 - 15V + Điện áp logic mức thấp: 0.03 - 0.06V + Công suất tiêu thụ (max) 600mW b Chức sơ đồ chân + Tạo xung + Điều chế độ rộng xung (PWM) + Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng thu phát hồng ngoại) 21 Hình dạng 555 hình hình Loại chân hình trịn loại chân hình vuông Nhưng thị trường Việt Nam chủ yếu loại chân vng Nhìn hình 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 Một số đặc tính 555 là: Điện áp cung cấp nằm khoảng từ 3V đến 18V, dòng cung cấp từ đến mA Tất IC thời gian cần tụ điện 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 thông qua điện trở R tụ điện C 22 Đường cong nạp tụ điện Mạch nạp RC hình Giả sử tụ 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 4A Thời gian tụ điện nạp đến 63.2% điện áp cung cấp hiểu thời gian số Giá trị thời gian tính cơng thức đơn giản sau: t = R.C 23 IC NE555 N gồm có 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 24 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 - Thời gian mức ngõ thời gian nạp điện, mức xả điện Nhìn vào sơ đồ mạch ta có cơng thức tính tần số, độ rộng xung Mức thời kì cao (T1) khoảng thời kì xung trì mức cao (5V) sóng đầu Điều tính là: Thời kì cao (T1) = 0,693 × (R1 + R2) × C1 = 0,693 × (10000 + 42000) × 0,00001 = 0,360 (giây) T1 = 360 (mili giây) Thời kì thấp (T2) thời kì xung trì mức thấp (0v) sóng đầu Nó tính là: Thời kì thấp (T2) = 0,693 × R2 × C1 25 = 0,693 × 42000 × 0,00001 = 0,291 (giây) T2 = 291 (mili giây) Thời lượng (T) tổng Thời kì thấp Thời kì cao Thay đổi thời kì khơ héo Thời kì cao hay thấp tác động tới Tổng thời lượng T Thời lượng (T) = (T1 + T2) = (0,360 + 0,291) = 0,651 (giây) T = 651 (mili giây) Như biết tần số nghịch đảo thời kì Có số ứng dụng mực điều khiển động servo xung phải tần số mực để mạch điều khiển phản hồi Tần suất tính sau: Tần số (F) = 1,44 / (R1 + × R2) × C1 = 1,44 / (10000 + × 42000) × 0,00001 F = 1,532 (Hz) Chu kỳ xung ln cho dạng phần trăm, thời kì cao thời kì thấp xung có 50% chu kỳ xung thời kì tắt 0, có chu kỳ xung 100% Chúng ta tính tốn chu kỳ xung là: Chu kì xung = (T1 / T) × 100 = (0,360 / 0,651) × 100 DC = 55,3% 26 CHƯƠNG III: THI CÔNG SẢN PHẨM 3.1 Bảng vật tư, linh kiện Tên vật tư Thông số Số Giá lượng thành(VNĐ) Điện áp đầu vào: – 18V NE555P Dòng tiêu thụ: 6mA - 15mA hẹn IC Điện áp logic mức cao: 0.5 - 15V Điện áp logic mức thấp: 0.03- 0.06V 5.000 5.000 3.000 3.000 30.000 Công suất tiêu thụ (max) 600mW 1k 10k 220 Điện trở Nhiệt độ hoạt động: -55oC - 150oC Linh kiện xuyên lỗ: 0.5mm Loại: Điện trở cố định Tụ điện Diode 1N4148 Mosfet IRFBE20 1nF, 22nF Điện áp tối đa: 10V Loại: điện dung cố định Tụ phân cực(tụ hóa) Loại gói: DO-35 thủy tinh SMD Điện áp ngược lặp lại tối đa là: 100 V Dòng chỉnh lưu trung bình tối đa là: 15A 150mA Cơng suất tiêu tán tối đa là: 5W Loại gói: TO-220 Loại transistor: Kênh N Điện áp tối đa từ cực máng đến cực nguồn: 100V 27 Điện áp tối đa từ cực cổng đến cực nguồn: ± 20V Công suất tiêu tán tối đa: 60W Điện áp tối thiểu cần thiết để dẫn: 2V đến 4V Nhiệt độ lưu trữ & hoạt động tối đa: -55 đến +175 độ C DC: dòng điện chiều 12v Motor DC 60w: công suất power 12V 30.000 150.000 11 250.000 Điện áp đầu vào: 110V; 220V Máy biến áp Điện áp đầu ra: 0V-6V-9V-12V-15V18V-24V Dòng tải tối đa: 5A Tổng hợp 28 3.2 Lắp ráp, đấu nối mạch 3.2.1 Mạch PCB 3.2.2 Thi công Bước 1: Kiểm tra mạch in hoạt động linh kiện Tiến hành dùng đồng hồ vạn kiểm tra hoạt động vật tư, linh kiện Nếu tất hoạt động tốt chuyển sang bước Bước 2: Lắp ráp linh kiện vào mạch Dựa vào sơ đồ nguyên lý PCB tiến hành: Lắp linh kiện nhỏ: diode, tụ điện, điện trở Lắp linh kiện to: IC555, chiết áp, mofet, đầu cắm sau 29 Bước 3: Cố định linh kiện tiến hành hàn mạch Dựa vào mạch in để tiến hành hàn mạch Đặt linh kiện theo sơ đồ mạch lên mạch in Bắt đầu hàn linh kiện lên mạch in Lưu ý hàn mạch cẩn thận để tránh tạo nối hàn không tốt ngắn mạch Bước 4: Kết nối động cơ: Kết nối dây cung cấp điện áp đất từ nguồn cung cấp đến mạch Kết nối dây điều khiển từ mạch đến động 30 Bước 5: Kiểm tra chạy thử điều chỉnh: Sử dụng đồng hồ vạn máy oscilloscope để kiểm tra hoạt động mạch cách xác Đảm bảo kết nối thực cách khơng có ngắn mạch Nếu cần, điều chỉnh thành phần điện tử transistor, điện trở, tụ điện để đảm bảo hoạt động ổn định 31 CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN 4.1 Kiến thức Sau thời gian học tập hướng dẫn tận tình thầy Hồng Trung Hiệp đến đề tài chúng em hồn thành Q trình nghiên cứu thi cơng, nhóm hồn thành nội dung đề tài nêu ra: Tính tốn, thiết kế chế tạo thành công mạch điều khiển tốc độ động DC Hoàn thành đề tài theo tiến độ giao Với cá nhân nhóm, sau thực xong đề tài có thêm nhiều kiến thức thiết kế, vẽ mạch, kĩ làm việc nhóm kiến thức động điện chiều sống sinh hoạt công nghiệp 4.2 Hạn chế Trong q trình thực hiện, nhóm chúng em gặp phải số vấn đề khó khăn như: Gặp khó khăn việc thiết kế mạch in Khó khăn việc tìm kiếm lựa chọn linh kiện phù hợp với yêu cầu mục tiêu đề tài Gặp trục trặc việc lắp ráp nối dây linh kiện 4.3 Hướng phát triển Sau nhóm có số hướng phát triển thêm để hồn thiện ứng dụng đề tài thực tế sau: Tối ưu hóa mạch điều khiển cách tinh chỉnh thành phần điện trở, tụ điện để đảm bảo tần số hoạt động dải tốc độ rộng Mở rộng chức mạch cách phát triển cho đảo chiều động cơ, dùng cảm biến Áp dụng mạch vào ứng dụng thực tế động quạt, băng tải, máy cắt, máy tiện 32 LỜI CẢM ƠN Trong trình tìm hiểu thiết kế thi cơng, nhóm em nhận nhiều giúp đỡ thầy Hoàng Trung Hiệp bạn lớp Nhờ đó, nhóm em hồn thiện ASSIGNMENT thi cơng thiết kế lắp ráp mạch điều khiển tốc độ động chiều Tuy nhiên, trình độ chuyên mơn có hạn tư liệu tham khảo khơng nhiều nên khơng tránh khỏi thiếu sót; mong nhận đóng góp thầy (cơ) bạn để nhóm em rút kinh nghiệm cho làm tốt đề tài Nhóm em xin chân thành cảm ơn!!! 33 34 35