Đồ án nguồn dòng dùng biến trở

Chi tiết các bước tính toán chọn linh kiện làm nguồn dòng từ đó đi vào thực tế để khi thay đổi tải thì dòng điện không đổi. Áp dụng trong đệm từ trường trên những tàu điện ngày nay.Đây chỉ là bước đầu trong việc nghiên cứu để thay đổi dòng điện đơn giản và cơ bản nhất (Chi tiết các bước tính toán chọn linh kiện làm nguồn dòng từ đó đi vào thực tế để khi thay đổi tải thì dòng điện không đổi. Áp dụng trong đệm từ trường trên những tàu điện ngày nay.Đây chỉ là bước đầu trong việc nghiên cứu để thay đổi dòng điện đơn giản và cơ bản nhất)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT HƯNG YÊN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC 3

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ NGUỒN ỔN ĐỊNH DÒNG ĐIỆN DC

Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Luyến

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hồng Đạt

Nguyễn Trần Anh Duy

MSV:12220116

12220269 Lớp: 122201.6

Khoa: Điện – Điện tử

Hưng yên, năm 2022

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, cuộc sống của con người đã có những thay đổi ngày càng tốt hơn, mang lại sự tiện lợi tối ưu với những trang thiết bị hiện đại phục vụ công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước Góp phần vào sự phát triển đó thì ngành kĩ thuật điều khiển và tự động hóa đã góp phần không nhỏ trong sự nghiệp xây dựng và phát triển đất nước Trong đó sự tích hợp các mạch điện – điện tử ngày càng trở nên thiết yếu khi mà công nghệ ngày càng phát triển hơn tiến tới thời đại của vi xử lý, vi mạch, những mạch cồng kềnh chiếm nhiều diện tích đã bị loại bỏ dần thay vào đó là các mạch siêu nhỏ, gọn gàng hơn đang được ưa chuộng Những thành tựu của đó đã góp phần nâng cao đời sống

vật chất và tinh thần cho con người

Trong đó điện tử công suất là lĩnh vực kĩ thuật hiện đại, nghiên cứu ứng dụng các linh kiện bán dẫn công suất làm việc ở chế độ chuyển mạch và quá trình biến

công suất đã có những tiến bộ vượt bậc và ngày càng trở nên hoàn thiện, dẫn đến việc chế tạo các bộ biến đổi ngày càng gọn nhẹ, nhiều tính năng ưu việt và sử dụng ngày càng dễ dàng hơn Chính vì vậy các xí nghiệp các công ty đòi hỏi có đội ngũ cán bộ kỹ thuật, kĩ sư điện có kiến thức sâu về điện tử công suất và truyền động điện Cũng với lý do đó trong kì học này chúng em được nhận đồ án môn học điện

tử công suất và truyền động điện với đề tài: “Thiết kế nguồn ổn định dòng điện DC”

Nhận thấy khả năng rộng rãi của “Nguồn ổn định dòng điện DC” Chúng

em đã nghiên cứu và thiết kế dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của cô “Nguyễn Thị Luyến” giảng viên khoa điện – điện tử, thầy “Vũ Đình Đạt” , anh “Trương Bích Duyện” và các thầy cô giáo trong khoa Vì kiến thức, kinh nghiệm chúng em còn

hạn chế nên trong quá trình làm và thực hiện chúng em không thể tránh khỏi những sai sót Chúng em rất mong sự đánh giá của thầy cô và bạn bè để đồ án của chúng

em được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

MỤC LỤC 2

MỤC LỤC HÌNH ẢNH 5

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 7

MỞ ĐẦU 8

GIỚI THIỆU CƠ SỞ LÝ LUẬN ĐỀ TÀI 8

1 Lý do chọn đề tài 8

2 Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu đề tài 8

3 Ứng dụng của đề tài 9

4 Sản phẩm dự kiến đạt được 9

5 Kế hoạch thực hiện đồ án 9

CHƯƠNG I 11

CƠ SƠ LÝ THUYẾT 11

1.1 Nguồn ổn định dòng điện 11

1.1.1 Khái niệm 11

1.1.2 Đặc tuyến V-I của nguồn ổn định dòng điện 11

1.1.3 Phân loại 12

1.2 Lựa chọn nguồn ổn định dòng điện 12

1.2.1 Mạch nguồn ổn định dòng điện sử dụng Mosfet 12

1.2.2 Mạch nguồn ổn định dòng điện sử dụng transistor 13

1.2.3 Mạch nguồn ổn định dòng điện sử dụng IC LM317 14

1.3 Sơ đồ thứ tự các khối chức năng 15

1.3.1 Khối nguồn vào 15

1.3.2 Khối cài đặt dòng điện (dòng điện đặt) 15

1.3.3 Khối ổn định dòng điện 15

1.3.4 Khối nguồn ra (nguồn dòng) 15

1.3.5 Khối hiển thị 16

CHƯƠNG II 17

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO 17

2.1 Yêu cầu đề tài 17

2.2 Tính toán chọn linh kiện cho nguồn ổn định dòng điện sử dụng mosfet 17

2.3 Giới thiệu linh kiện chính sử dụng trong mạch 18

2.3.1 IC LM358N 18

a) Khái niệm opamp 18

b) Cấu tạo, thông số kĩ thuật LM358 18

c) Cách sử dụng IC LM358 19

2.3.2 Mosfet IRF540N 20

A) Khái quát chung về mosfet 20

a) Khái niệm mosfet (transistor trường cổng cách li) 20

b) Phân loại 20

c) Cấu trúc và kí hiệu 21

d) Nguyên lý làm việc 21

e) Đặc tính ra của mosfet kênh N 22

f) Đặc tính đóng cắt của mosfet 22

g) Quá trình mở và khóa mosfet 23

B: Mosfet IRF 540N 26

a) Cấu tạo, thông số kĩ thuật 26

b) Cách sử dụng 27

2.3.3 IC 7805 27

2.3.4 Arduino Uno 28

2.4 Sơ đồ nguyên lý 29

2.5 Lắp trên boardtest 31

2.6 Sơ đồ mạch in 31

2.7 Sản phẩm mạch hoàn chỉnh 32

CHƯƠNG III 33

KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM 33

3.1 Khảo sát 33

3.1.1 Dòng điện ổn định ở 0.5A khi có tải và khi ngắn mạch 33

3.1.2 Dòng điện ổn định ở 1A khi có tải và khi ngắn mạch 34

3.1.3 Dòng điện ổn định ở 1.5A khi có tải và khi ngắn mạch 35

3.1.4 Dòng điện ổn định ở 2A khi có tải và khi ngắn mạch 36

3.2.1 Ưu điểm 37

3.2.2 Nhược điểm 37

3.3 Hướng phát triển đề tài 37

KẾT LUẬN 38

PHỤ LỤC 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 42

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sơ đồ tương đương nguồn ổn định dòng điện

Hình 1.2 Đặc tuyến V-I của nguồn ổn định dòng điện

Hình 1.3 Sơ đồ mạch nguồn ổn định dòng điện sử dụng mosfet

Hình 1.4 Sơ đồ mạch nguồn ổn định dòng điện sử dụng transistor

Hình 1.5 Sơ đồ mạch nguồn ổn định dòng điện sử dụng IC LM317

Hình 1.6 Thứ tự các khối chức năng

Hình 2.1 Sơ đầu chân và cấu tạo LM358N

Hình 2.2 Cấu trúc và kí hiệu mosfet

Hình 2.3 Sự tạo thành kênh dẫn trong cấu trúc bán dẫn mosfet

Hình 2.4 Họ đặc tính ra của MOSFET kênh N

Hình 2.5 Mạch điện tương đương của Mosfet

Hình 2.6 Sự phụ thuộc của giá trị điện dung tụ CGD vào điện áp UDS

Hình 2.7 Sơ đồ tương đương biểu diễn quá trình mở của mosfet

Hình 2.8 Dạng sóng U, I khi mở mosfet

Hình 2.9 Sơ đồ tương đương quá trình khóa của mosfet

Hình 2.10 Dạng sóng U, I khi khóa mosfet

Hình 2.11 Sơ đồ chân và cấu tạo IRF 540N

Hình 2.12 Sơ đồ chân IC 7805

Hình 2.13 Board arduino uno

Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý nguồn ổn định dòng điện

Hình 2.15 Lắp và chạy thử trên boardtest

Hình 2.16 Sơ đồ đi dây trên mạch in

Hình 2.17 Sơ đồ mạch in

Hình 2.18 Sản phẩm mạch hoàn chỉnh

Hình 3.1 Dòng điện ổn định ở 0.5A khi có tải

Hình 3.2 Dòng điện ổn định ở 0.5A khi ngắn mạch

Hình 3.3 Dòng điện ổn định ở 1A khi có tải

Hình 3.4 Dòng điện ổn định ở 1A khi ngắn mạch

Hình 3.5 Dòng điện ổn định ở 1.5A khi có tải

Hình 3.6 Dòng điện ổn định ở 1.5A khi ngắn mạch

Hình 3.7 Dòng điện ổn định ở 2A khi có tải

Hình 3.8 Dòng điện ổn định ở 2A khi ngắn mạch

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Hưng yên, ngày tháng năm 2022

Giáo viên hướng dẫn

MỞ ĐẦU GIỚI THIỆU CƠ SỞ LÝ LUẬN ĐỀ TÀI

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, điện tử công suất là một phần rất quan trọng trong các hệ thống điện, điện tử Do vậy môn học điện tử công suất cũng được các trường đại học cao đẳng và dạy nghề ngày càng được chú trọng Trong đó một vấn đề mà chúng ta cũng cần quan tâm đó là các thiết bị dùng để đào tạo thực hành hay thí nghiệm hiện nay được sử dụng trong các trường còn hạn chế nhiều về số lượng cũng như chất lượng Ngoài ra, vấn đề về giá thành các thiết bị thực tập và thí nghiệm điện tử công suất hiện nay là rất cao do tính đặc thù về công suất và công nghệ Đặc biệt, nguồn

ổn định dòng điện có những chức năng, đặc tính đặc thù mà nguồn ổn định điện áp không có Ngoài ra các sản phẩm nguồn ổn định dòng điện trên thị trường cũng đang có giá thành rất cao Để góp phần cải thiện các vấn đề trên nhóm chúng em đã nhận đề tài thiết kế, chế tạo mạch nguồn ôn định dòng điện Với mục đích chế tạo ra một thiết bị đáp ứng được một phần nào đó trong lĩnh vực thực hành thí nghiệm môn điện tử công suất Trước những yêu cầu cấp thiết chúng em đã bắt tay vào tìm hiểu và thiết kế “Mạch nguồn ổn định dòng điện” Với yêu cầu đề tài chúng em đã tính toán và đưa ra các linh kiện sử dụng trong mạch đó là IC 7805, IC LM358N, mosfet IRF540N, trở công suất, … Với những linh kiện này chúng em đã được sự chấp nhận của giáo viên hướng dẫn và thiết kế thành công mạch

Dưới sự hướng dẫn của cô Nguyễn Thị Luyến và các thầy cô trong khoa đã giúp chúng em thực hiện ý tưởng này

2 Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu đề tài

- Mục đích: Nguồn ổn định dòng điện cho phép chúng ta điều chỉnh dòng điện

đầu ra của nguồn điện và sau đó giữ nó không đổi cho đến khi điều chỉnh thay đổi lại và luôn cấp ra một dòng điện không đổi không phụ thuộc tải hay không phụ thuộc dòng điện chạy qua

- Đối tượng phạm vi nghiên cứu: các mạch xả nạp tụ điện nhằm tuyến tính hóa

điện áp nạp và xả, trong các mạch cấp điện cho diode zenner để có điện áp cố định

đã áp dụng các phương pháp sau:

+) Khảo sát, đánh giá thiết bị hiện có

+) Tìm và phân tích tài liệu

- Quyển thuyết minh trìn bày các nội dung đồ án

- Nguồn ổn định dòng điện (ổn đinh với dòng điện 1 chiều với giá trị 0 - 2A với công suất đầu ra max = 30W)

5 Kế hoạch thực hiện đồ án

Tuần 2 (22/08→28/08) Nghiên cứu, đọc tài tiệu, tìm hiểu về đề tài, đưa ra

phương án thực hiện Tuần 3 (29/08→04/09)

Tuần 4 (05/09→11/09)

Thực hiện thiết kế mạch, tính toán chọn linh kiện Tuần 5 (12/09→18/09)

Tuần 10 (17/10→23/10)

Thiết kế mạch in Tuần 11 (24/10→30/10)

Tuần 12 (31/10→6/11) Thực hiện hàn linh kiện trên mạch in, khảo sát đánh giá

trên mạch in Tuần 13 (07/11→13/11)

Tuần 14 (14/11→20/11)

Viết thuyết trình về đề tài Tuần 15 (21/11→27/11)

Hình 2.1 Sơ đồ tương đương nguồn ổn định dòng điện

1.1.2 Đặc tuyến V-I của nguồn ổn định dòng điện

Hình 1.2 Đặc tuyến V-I của nguồn ổn định dòng điện

Do tất cả các nguồn dòng điện lý tưởng sẽ có đặc tuyến IV thẳng nhưng các nguồn dòng điện thực tế sẽ có đường đặc tính IV hơi chếch xuống một lượng bằng

𝑉𝑜𝑢𝑡

𝑅𝑃 trong đó 𝑅𝑃 là điện trở nguồn bên trong

1.1.3 Phân loại

- Nguồn dòng cố định: Cho dòng ra ổn định và không thay đổi

- Nguồn dòng phụ thuộc: Cho dòng ra tỉ lệ với một áp điều khiển đầu vào

1.2 Lựa chọn nguồn ổn định dòng điện

1.2.1 Mạch nguồn ổn định dòng điện sử dụng Mosfet

Hình 1.3 Sơ đồ mạch nguồn ổn định dòng điện sử dụng mosfet

- Nguyên lý hoạt động: Từ nguồn đầu vào đi qua IC ổn áp ta được một điện áp

ổn định Khi điện áp ổn định đó qua biến trở và cầu phân áp thì điện áp đặt vào V+ của opamp có giá trị thay đổi từ 0-Vcc Đầu ra của opamp có điện áp Vcc khi Vcc

đủ lớn sẽ mở mosfet, dòng điện đi từ cực D xuống cực S qua Rshun xuống GND Điện áp rơi trên URshun= (ITai Rshunt) phản hồi về chân V- của opamp khi đó điện áp trên hai chân V+ ≈ V- nên điện áp đầu ra vẫn giữ nguyên trạng thái cho đến khi thay đổi giá trị đặt vào chân V+

- Ưu điểm: Điều chỉnh được dòng điện, ổn định được ở dòng cao, giá thành thấp, dễ thực hiện

- Nhược điểm: Công suất nhỏ

Tổn hao năng lượng do sinh nhiệt của mosfet

Vì mosfet sinh nhiệt nên cần bộ tản nhiệt lớn dẫn đến cồng kềnh, giảm tính di động

1.2.2 Mạch nguồn ổn định dòng điện sử dụng transistor

Hình 1.4 Sơ đồ mạch nguồn ổn định dòng điện sử dụng transistor

- Nguyên lý hoạt động: Muốn transistor Q2 dẫn ta phải mắc một điện trở vào chân B của transistor Q2 để tạo ra dòng IBE kích thích transistor để có dòng điện dẫn

từ C xuống E Để khống chế được dòng điện qua tải, từ tải ta nối với Rshunt và nối xuống GND, khi tín hiệu dòng điện đủ lớn thì điện áp rơi trên Rshunt đặt vào chân

B của Q1⇒UBE ≈ (Itải.Rshunt) ≈ (0.6 – 0.7)V sinh ra dòng điện kích dẫn Q1 Khi van

Q1 dẫn từ C xuống E thì điện áp chân B của Q2 = 0, van Q2 khóa khi đó dòng điện được duy trì

- Ưu điểm: Dễ thực hiện, giá thành rẻ

- Nhược điểm: Không điều chỉnh được dòng điện, công suất nhỏ, dòng điện ổn định thấp

1.2.3 Mạch nguồn ổn định dòng điện sử dụng IC LM317

Hình 1.5 Sơ đồ mạch nguồn ổn định dòng điện sử dụng IC LM317

- Nguyên lý hoạt động: LM317 là một IC ổn định điện áp dương có thể điều

chỉnh được sử dụng rộng rãi có thể dễ dàng tạo ra một bộ nguồn có thể điều chỉnh

chi phí thấp với điện áp đầu ra DC 1.2V đến 37V với dòng đầu ra lên đến 1.5A

Với LM317 ta có thể tạo ra 1 nguồn dòng có thể điều chỉnh từ 0 đến 1.5A

Khi nối chân ADJ với chân Vout thì điện áp đầu ra sẽ cố định lúc này biến

trở R1 sẽ là công cụ để thay đổi dòng điện đầu ra

- Ưu điểm: Ít linh kiện, giá thành rẻ, dễ lắp

- Nhược điểm: Dải điều chỉnh thấp

Quá tải khi bật có thể xảy ra

Không chính xác ở dòng điện thấp dưới 3,5 mA

Vin

0,8 ≤ R1 ≤ 120

Iout= 1.25𝑉𝑅1

1.3 Sơ đồ thứ tự các khối chức năng

2222222

Hình 1.6 Thứ tự các khối chức năng

1.3.1 Khối nguồn vào

Cung cấp điện cho toàn bộ mạch hoạt động ( Ta có thể sử dụng nguồn tổ ong

24V để cung cấp chp toàn mạch, và một số loại IC để ổn định điện áp thấp hơn như IC7805, IC 7809, IC 7815,…)

1.3.2 Khối cài đặt dòng điện (dòng điện đặt)

Nhận điện áp từ khối nguồn qua biến trở để điều chỉnh điện áp, ta chia điện áp

đó bằng cầu phân áp để đăt vào chân V+ của opamp ( Ta có thể sử dụng một số loại biến trở như biến trở than (chiết áp), biến trở quay tay, biến trở con chạy,…)

1.3.3 Khối ổn định dòng điện

Từ khối cài đặt dòng điện ta cấp một điện áp vào chân V+ của opamp Đầu ra

của opamp bật và điều khiển mosfet cho đến khi điện áp rơi trên R1 (điện trở shun)

và sẽ quay trở về chân V- của opamp khi đó 2 chân V+ và V- của opamp bằng nhau, đầu ra của opamp duy trì trạng thái

1.3.4 Khối nguồn ra (nguồn dòng)

Từ khối ổn định dòng điện đầu ra sẽ cho ra một dòng điện cố định cấp cho tải

là điện trở công suất

KHỐI NGUỒN VÀO KHỐI CÀI ĐẶT DÒNG

ĐIỆN (DÒNG ĐIỆN ĐẶT)

KHỐI ỔN ĐỊNH DÒNG ĐIỆN

KHỐI NGUỒN RA (NGUỒN DÒNG) KHỐI HIỂN THỊ

1.3.5 Khối hiển thị

Từ khối ổn định dòng điện ta lấy tín hiệu điện áp cấp vào chân V+ của

Opamp Đầu ra qua điện trở R6, R8 phản hồi về chân V- Tại đầu ra của Opamp ta lấy được tín hiệu điện áp cấp vào chân của vi điều khiển Sau đó vi điều khiển có chức năng đọc giá trị ADC và chuyển giá trị ADC thành giá trị điện áp và hiện giá trị điện áp và dòng điện lên LCD Ta có thẻ sử dụng một số loại vi điều khiển như PIC16F877A, AT89C51, Arduino,…

CHƯƠNG II TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO

2.1 Yêu cầu đề tài

Thiết kế nguồn ổn định dòng điện một chiều có thể điều chỉnh dòng điện từ 0 - 2A, với công suất phù hợp tùy vào giá trị dòng điện thay đổi từ 0 – 30W

2.2 Tính toán chọn linh kiện cho nguồn ổn định dòng điện sử dụng mosfet

- Mục tiêu: Ổn định dòng điện 0 - 2A với công suất đầu ra max = 30W

+) Có nguồn nuôi toàn mạch có Unguồn = 20V

⇒ Vậy chúng em chọn R1 có giá trị 1( ), 5W

+) Urơi trên R1= 2(V) ⇔ UU1:A− = UU1:A+ = 2 (V )

Để có điện áp vào UU1:A+ = 2 (V) chúng em chọn IC7805 để tạo ra nguồn 5V sau đó qua biến trở để thay đổi dải điều chỉnh từ 0 -5V, qua cầu phân áp để tạo

⇒ Chọn được mosfet IRF540N

+) Chọn vi điều khiển Arduino để đọc giá trị ADC

Để đọc được giá trị ADC từ UU1:A− ta lấy tín hiệu điện áp cấp vào chân

UU1:B+ mà điện áp đầu vào chân Analog có dải tối đa từ 0-5VDC

a) Khái niệm opamp

- Opamp là viết tắt của operational amplifier hay khuếch đại thuật toán là thiết

bị tuyến tính có tất cả các đặc tính cần thiết để khuếch đại DC gần như lý tưởng

- Opamp về cơ bản là một thiết bị khuếch đại điện áp được thiết kế để sử dụng với các linh kiện phản hồi bên ngoài như điện trở và tụ điện giữa các đầu ra và đầu vào của nó Các linh kiện phản hồi này xác định chức năng kết quả hoặc “thuật toán” của bộ khuếch đại và nhờ các cấu hình phản hồi khác nhau là điện trở, điện dung hay cả hai, bộ khuếch đại có thể thực hiện nhiều hoạt động khác nhau, từ đó

có tên gọi khuếch đại thuật toán

b) Cấu tạo, thông số kĩ thuật LM358

- Cấu tạo

Hình 2.1 Sơ đầu chân và cấu tạo LM358N

Số chân Tên chân Mô tả chân

hay opamp 2

của IC hay opamp 2

2.3.2 Mosfet IRF540N

A) Khái quát chung về mosfet

a) Khái niệm mosfet (transistor trường cổng cách li)

- Mosfet, viết tắt của "Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor" trong tiếng Anh, là Transistor hiệu ứng trường (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) tức một Transistor đặc biệt có cấu tạo

và hoạt động khác với Transistor thông thường.Ở mosfet, sự điều khiển không thông qua lớp chắn mà qua một lớp cách điện, lớp cách điện về nguyên tắc có cấu tạo từ oxit kim loại cũng chính vì vậy mà người ta gọi là mosfet Mosfet

có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện, là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợp cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu

- Mosfet có khả năng đóng nhanh với dòng điện và điện áp khá lớn nên

nó được sử dụng nhiều trong các bộ dao động tạo ra từ trường Vì do đóng cắt nhanh làm cho dòng điện biến thiên Nó thường thấy trong các bộ nguồn xung và cách mạch điều khiển điện áp cao

b) Phân loại

- Mosfet chia làm hai loại:

+) Loại có kênh liên tục hay còn gọi là MOSFET có kênh đặt sẵn

- Mosfet có kênh liên tục có khả năng dẫn điện khi UGS = 0V

- Mosfet kênh gián đoạn thì ngược lại, khi UGS = 0V thì nó không dẫn

- Mỗi loại kênh gián đoạn hay liên tục đều có phân loại theo chất bán dẫn là:

+) Kênh N

+) Kênh P