bài tập lớn số 1 môn điện tử công suất

Thiết kế mạch kích driver dùng BJT cho 1 cuộn dây của động cơ bước này trong trường hợp cấp nguồn định mức, dòng định mức, thiết bị kích là chân I/O của vi điều khiển 16F887.a... Tính to

BÀI TẬP LỚN SỐ 1 - MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

GV: Nguyễn Minh Triết – trietnm@hcmute.edu.vn

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Sơn Lâm

Mã số sinh viên: 20146362

Baremè chấm điểm

ST

1 1a Có trình bày sơ đồ mạch điện mô phỏng và điền đúng thông số

động cơ

0.5

2 1a Xuất được đồ thị (tương tự hình 2) và nhận xét thời gian đạt 90%

dòng định mức

0.5

3 1b Có bảng số liệu nguồn gấp 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 lần điện áp định

mức và thời gian đạt 90% dòng định mức

0.5

4 1b Có đồ thị thể hiện dòng điện qua động cơ theo thời gian tương ứng

nguồn gấp 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 lần điện áp định mức

0.5

6 2a Có sơ đồ nguyên lý và giải thích sơ đồ nguyên lý 0.5

7 2.b Có tính toán, chọn lựa thông số linh kiện và linh kiện chọn có trên

8 2c Có tính toán lại thông số mạch qua BJT như yêu cầu 0.5

9 2d Có mô phỏng và so sánh kết quả mô phỏng với tính toán 0.5

Điểm thưởng: Nếu sinh viên làm video giải thích cho thuyết minh, mỗi câu (1, 2, 3, 4) được điểm thưởng 0.5đ vào điểm bài tập! (video giải thích kèm hashtag #EPEE326729

và đăng lên trang cá nhân)

Nội dung nộp bài:

- Thuyết minh (file pdf)

- Các file mô phỏng (nếu có)

Trang / 1 20

ĐỀ BÀI

Cho motor bước có thông số như trong hình đính kèm

Hình 0 – Bảng thông số động cơ bước (link)

Em chọn động cơ 34K104_-LW8 có V= 6,2V ;I= 2A ;R= 3,1Ω ;L= 10,2mH ;T= 570

1 Tiến hành khảo sát thông số động cơ bằng mô phỏng trên phần mềm Proteus/Matlab/PSIM để như sau:

a Khảo sát step response của động cơ khi cấp nguồn định mức (Cấp xung điện áp định mức và đo dòng điện, thời gian từ khi cấp đến khi đạt 90% dòng định mức)

Hình 0 – Đồ thị khảo sát step response của động cơ bước

- Dòng điện khi cấp đến 90% dòng định mức:

I  90%  Idm  90% 2 1,8   A

Khảo sát thời gian đạt 90% dòng định mức

Trang / 2 20

Hình 3

- Nhìn đồ thị ta thấy được thời gian từ khi cấp đến khi đạt 90% dòng định mức là: T= 7ms

b Khảo sát step response của động cơ khi cấp nguồn gấp 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9,

10 lần điện áp định mức Tìm thời gian đạt 90% dòng định mức (lập bảng

số liệu và vẽ đồ thị)

Bảng số liệu khi cấp nguồn gấp 2,3,4,5,6,7,8,9,10 lần dòng định mức Nguồn Step response Thời gian đạt 90% Tần số xung tối đa

Trang / 3 20

Hình 4

c Nhận xét về tần số xung tối đa trong các trường hợp cấp nguồn áp định mức, gấp 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 lần định mức

Nhận xét:Với các trường hợp cấp nguồn áp gấp 2,3,4,5,6,7,8,9,10 lần định mức thì

tần số xung tối đa tăng dần Tức thời gian cấp xung cho các nguồn cấp sẽ giảm dần và tốc độ động cơ sẽ tăng lên Thời gian (xác lập) đạt được dòng định mức hoặc 90% dòng định mức sẽ ngắn hơn (nhanh hơn) khi tăng nguồn áp

2 Thiết kế mạch kích (driver) dùng BJT cho 1 cuộn dây của động cơ bước này trong

trường hợp cấp nguồn định mức, dòng định mức, thiết bị kích là chân I/O của vi điều khiển 16F887

a Vẽ sơ đồ nguyên lý

Trang / 4 20

Hình 5 Trong sơ đồ nguyên lý sử dụng BJT TIP122 nối với điện trở hạn dòng R1R2.Mạch sử dụng vi điều khiển 16F887 và chân kích xung được nối vào chân RD0 của 16F887

b Tính toán chọn lựa linh kiện, giá trị linh kiện (chỉ chọn giá trị linh kiện có thể mua được trên thị trường) đảm bảo an toàn dòng, áp, công suất

- Thông số động cơ

+ Dòng định mức : I = 2A

+ Nguồn áp định mức: U= 6,2V

- Thông số PIC 16F887

+ Dòng output max : Imax = 25mA

+ Nguồn output max : Umax = 5V

- Chọn BJT đảm bảo hoạt động bền, ổn định cần thỏa yêu cầu sau:

+ I = 2/0,6 = 3,33A

+ U = 6,2/0,6 = 10,33V

*Bước 1: chọn BJT kích: Chọn BJT TIP122 -100V-5A

( https://4donline.ihs.com/images/VipMasterIC/IC/ONSM/ONSM-S-A0014421697/ONSM-S-A0014426507-1.pdf?

hkey=52A5661711E402568146F3353EA87419)

(https://icdayroi.com/tip122)

CĐM

I  n I    A

(n: hệ số an toàn)

Trang / 5 20

vì khi BJT ngắt ngay lập tức sẽ có dòng I Stall chạy qua và I Csẽ tăng gấp 4-5 lần nên ta phải chọn BJT có dòng lớn hơn hoặc bằng 8A => Tip122 có

max 8

C

*Bước 2: Tra datasheet TIP122 ta được các thông số sau

(Chọn nhiệt độ làm việc ở 25 độ C)

Trang / 6 20

 

 

1, 625( );

4500;

1( );

63( )

BE ON

FE

CE Sat

h









*Bước 3: Tính toán thông số cho mạch kích

3

25.10 1,625 2 1 2,041 63

BJT sat BE ON CE Sat



Để BJT bão hòa thì I C bh 2A I C kd h FEI B

3

/

2

4500

C

FE

I

h



Với n =4 là hệ số an toàn dòng

Theo định lý Kirchhoff

5 1, 625 1, 7

1,98

B B

R

Chọn R B có ngoài thị trường = 2kΩ (

https://icdayroi.com/dien-tro-2k-2w-1)

Vì để đảm bảo đúng dòng định mức cho động cơ thì nguồn áp cấp có thêm sự sụt áp trên BJT Vậy nên Vcc lúc này bằng 6,2 +1=7,2V giúp việc khảo sát được thuận lợi hơn

c Tính toán lại dòng, áp, công suất qua BJT với các giá trị đã chọn khi thiết kế

 / 5 1,625 / 2 1,69  

VĐK B B BE B VĐK BE B

Công suất của BJT

Trang / 7 20

 

2 1 1,69.10 1, 625 2,00

Nằm trong khoảng giá trị cho phép của BJT trong datasheet

d Mô phỏng kiểm nghiệm lại kết quả tính toán ở c

Hình 6: Mạch mô phỏng kiểm nghiệm

Trang / 8 20

Hình 7:Đồ thị IB

Hình 8: Đồ thị IC

Trang / 9 20

Hình 9: Đồ thị VBE

Hình 10: Đồ thị VCE

Nhận xét mô phỏng kiểm nghiệm:

Sau khi mô phỏng kiểm nghiệm em nhận thấy rằng các thông số của NSX linh kiện BJT TIP122 như VCE VBE vẫn chưa đúng, có nhiều sai lệnh so với các thông số trên

mô phỏng Proteus, còn có sự sai lệch do thông qua việc tra bảng và giá trị mô phỏng không đồng bộ như giá trị hFE Bên cạnh đó còn có sự sai lệch khi chọn linh kiện R trên thực tế khác với kết quả tính toán được Do những sự sai lệch đó dẫn đến việc tính toán kết quả không thể hoàn toàn chính xác Vì vậy nếu muốn đảm bảo mạch chạy ổn định thì cần phải tiến hành lắp ráp khảo sát thực tế mới đánh giá chính xác được kết quả

Trang / 10 20

3 Thiết kế mạch như câu 2 trong trường hợp cấp nguồn áp gấp 6 lần định mức (dòng

vẫn là dòng định mức) (thực hiện yêu cầu a, b, c, d như câu 2) So sánh công suất tiêu hao của BJT ở hai trường hợp 2 và 3

a Vẽ sơ đồ nguyên lý

Hình 11 Trong sơ đồ nguyên lý sử dụng BJT TIP122 nối với điện trở hạn dòng R1R2 Mạch sử dụng vi điều khiển 16F887 và chân kích xung được nối vào chân RD0 của 16F887.Vì

đã tăng nguồn áp gấp 6 lần nên chúng ta cần sử dụng thêm một con điện trở R3 để hạ dòng áp xuống bằng giá trị ĐM ban đầu

b Tính toán chọn lựa linh kiện, giá trị linh kiện (chỉ chọn giá trị linh kiện có thể mua được trên thị trường) đảm bảo an toàn dòng, áp, công suất -Thông số động cơ

+ Dòng định mức : I = 2A

+ Nguồn áp định mức: U= 6,2V

-Thông số PIC 16F887

+ Dòng output max : I = 25mAmax

+ Nguồn output max : U = 5Vmax

- Chọn BJT đảm bảo hoạt động bền, ổn định cần thỏa yêu cầu sau: + I = 2/0,6 = 3,33A

+ U = 6,2/0,6 = 10,33V

Trang 11 20 /

*Bước 1: chọn BJT kích: Chọn BJT TIP122 -100V-5A

( https://4donline.ihs.com/images/VipMasterIC/IC/ONSM/ONSM-S-A0014421697/ONSM-S-A0014426507-1.pdf?

hkey=52A5661711E402568146F3353EA87419)

(https://icdayroi.com/tip122)

CĐM

I  n I    A

(n: hệ số an toàn)

vì khi BJT ngắt ngay lập tức sẽ có dòng I Stall chạy qua và I Csẽ tăng gấp 4-5 lần nên ta phải chọn BJT có dòng lớn hơn hoặc bằng 8A => Tip122 có

max 8

C

*Bước 2: Tra datasheet TIP121 ta được các thông số sau

(Chọn nhiệt độ làm việc ở 25 độ C)

Trang / 12 20

 

 

1, 625( );

4500;

1( );

63( )

BE ON

FE

CE Sat

h







*Bước 3: Tính toán thông số cho mạch kích

3

25.10 1,625 2 1 2,041 63

BJT sat BE ON CE Sat



Để BJT bão hòa thì I C bh 2A I C kd h FEI B

3

/

2

4500

C

FE

I

h



Với n =4 là hệ số an toàn dòng

Theo định lý Kirchhoff

5 1,625 1,7

1, 98

VĐK BE B B

B B

R

Chọn R B có ngoài thị trường = 2kΩ (

https://icdayroi.com/dien-tro-2k-2w-1)

- Vì để đảm bảo đúng dòng định mức cho động cơ thì nguồn áp cấp có thêm sự sụt

áp trên BJT Vậy nên Vcc lúc này bằng 37,2 +1=38,2V giúp việc khảo sát được thuận lợi hơn

Chọn điện trở hạn dòng R2 để đảm bảo dòng định mức qua động cơ I =2Ađm

  3

38,2 6,2 38,2 1 6,2

15,5

CE

V

Trang / 13 20

Chọn R3 có sẵn trên thị trường là điện trở carbon 16 Ω (https://shopee.vn/

%C4%91i%E1%BB%87n-tr%E1%BB%9F-carbon-16ohm-1-2w-i.40623981.5524326801)

c Tính toán lại dòng, áp, công suất qua BJT với các giá trị đã chọn khi thiết kế

 / 5 1,625 / 2 1,69  

VĐK B B BE B VĐK BE B

Công suất của BJT

3

2 1 1,69.10 1,625 2,00

BJT C CE B BE

Nằm trong khoảng giá trị cho phép của BJT trong datasheet

d Mô phỏng kiểm nghiệm lại kết quả tính toán ở c

Hình 12 Mạch mô phỏng kiểm nghiệm

Trang / 14 20

Hình 13 IB

Hình 14 IC

Trang / 15 20

Hình 15 VBE

Hình 16 VCE

Nhận xét kết quả mô phỏng so với tính toán: Theo thông số mô phỏng thì có

một vài thông số của BJT trong mô phỏng khác so với thông số đã chọn ở datasheet của NSX, như thông số VCE của BJT trong mô phỏng phù hợp với điện trở hạn dòng R3 =16Ω khác so với thông số đã chọn và hệ số dao động không ổn

Trang / 16 20

định Ngoài ra cũng có sự sai lệch giữa VBE thực tế và VBE khảo sát sai lệch của

nó cũng khá lớn (2,5V/770mV), các thông số còn lại như IB IC vẫn mang giá trị gần đúng, sai lệch không đáng kể

e So sánh công suất tiêu hao của BJT ở hai trường hợp 2 và 3

Công suất tiêu hao ở trường hợp 2 và 3 có giá trị gần như bằng nhau vì cùng sử dụng chung một con BJT TIP122 và vì dòng IB nhỏ nên công suất tập trung ở dòng IC, mà động cơ sử dụng chung dòng 2A nên giá trị nên giá trị công suất ở cả hai trường hợp này bằng nhau

4 Thiết kế mạch như câu 3 nhưng driver sử dụng MOSFET thay cho BJT So sánh

công suất tiêu hao của BJT (câu 3) và MOSFET (câu 4)

a Vẽ sơ đồ nguyên lý

Hình 17 Sơ đồ mạch kích mosfet với 6 lần nguồn áp

b Tính toán chọn lựa linh kiện, giá trị linh kiện (chỉ chọn giá trị linh kiện có thể mua được trên thị trường) đảm bảo an toàn dòng, áp, công suất Bước 1: Chọn mosfet kích IRF530 ,N-channel,

100V14A(https://www.amazon.com/dp/B00B888ZP0/ref=sm_n_se_dkp_V N_pr_sea_0_1?

adId=B00B888ZP0&creativeASIN=B00B888ZP0&linkId=0572101a22557 01057c2bdea6296b688&tag=sa-sym-new-20&linkCode=w42&ref-refURL=https%3A%2F%2Fnortonsafe.search.ask.com

%2Fweb&slotNum=0&imprToken=59603af588fb81635f7fa44dd4c91ffb&

Trang / 17 20

666890353506)

Bước 2: Tra datasheet IRF530

( https://www.mouser.vn/datasheet/2/389/stmicroelectronics_cd00000699-1204277.pdf) dựa vào bảng số liệu ứng với các đồ thị mosfet ta có được các thông số

 

   

 

0

max

max

max 25

14

20

100

0,16

4

60

21

D

GS

DSS

DS ON

GS th

C

G

R

GS th

xuất ra từ VĐK nên không cần mạch kích mosfet

0

max 75

C

Với t = 75 C ta có I = 15,81(A) dựa vào đồ thị thì ta có V = 4V0

Ta có

 

37,2

ĐM DS ON

Chọn R = 15Ω có trên thị trường (3 https://dientutuonglai.com/dien-tro-15-ohm-2w-1-5-vong-mau.html)

c Tính toán lại dòng, áp, công suất qua BJT với các giá trị đã chọn khi thiết kế

- Ta chọn R = 15Ω3

- Dòng đi qua mosfet I = 2 A

- Điện áp qua chân G của mosfet V GS5V V out VĐK 

- Điện áp qua mosfet: V DSĐMI DSR  2 0,16 0,32  V

- Công suất mosfet: P mosfetI D2R DS220,16 0,64 W

d Mô phỏng kiểm nghiệm lại kết quả tính toán ở c

Trang / 18 20

Hình 18 Mạch mô phỏng kiểm nghiệm.

Hình 19 Đồ thị dòng ID

Trang / 19 20

Hình 20 Đồ thị mô phỏng VGS

Hình 21 Đồ thị mô phỏng VDS

Nhận xét mô phỏng: Ta thấy rằng đồ thị ID và VGS đều có số liệu sát với

phần tính toán ban đầu, kết quả cho thấy mosfet dẫn áp 5V của VĐK tốt , điện áp trên các phần tử của mosfet có dòng tương đối ổn định Vì trở RDS của mosfet quá nhỏ nên gần như rơi áp trên mosfet không đáng kể Vì vậy mosfet ít tiêu hao công suất hơn BJT (công suất trên BJT lớn gấp nhiều lần mosfet) nên thay thế BJT bằng mosfet là hợp lí 

e So sánh công suất tiêu hao của BJT (câu 3) và MOSFET (câu 4)

mosfet BJT

công suất tiêu hao của mosfet nhỏ hơn rất nhiều so với công suất tiêu hao khi dùng BJT

Trang / 20 20