đồ án môn học iii đề tài thiết kế chế tạo thử nghiệm mạch tăng áp từ 5v dc đến 24 v dc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊNKHOA ĐIỆN ̶ ĐIỆN TỬ

LỜI CẢM ƠN

Ngày nay, điện tử công suất đã và đang đóng 1 vai trò rất quan trọng trong quátrình công nghiệp hoá đất nước Sự ứng dụng của điện tử công suất trong các hệthống truyền động điện là rất lớn bởi sự nhỏ gọn của các phần tử bán dẫn và việcdễ dàng tự động hoá cho các quá trình sản xuất Các hệ thống truyền động điềukhiển bởi điện tử công suất đem lại hiệu suất cao Kích thước, diện tích lắp đặtgiảm đi rất nhiều so với các hệ truyền động thông thường như: khuếch đại từ,máy phát - động cơ

Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, trong nội dung môn học Điện tử công suất vàtruyền động điện chúng em đã được giao thực hiện đề tài:“ thiết kế chế tạo thửnghiệm mạch tăng áp từ 5V DC đến 24V DC”

Trong quá trình thực hiện đồ án chúng em được sự hướng dẫn của thầy côtrong Khoa Điện Tử, đặc biệt là thầy giáo Bùi Thanh Tùng

Do kiến thức còn hạn hẹp nên trong quá trình thực hiện đồ án em không thểtránh khỏi sai sót, mong quý thầy cô trong hội đồng khảo thi bỏ qua và hướnggiúp đỡ để chúng em có thể hoàn chỉnh đồ án của mình.

Nhận xét của giảng viên hướng đẫn

2 Mục tiêu của đề tài 7

3 Tóm tắt nội dung đề tài 7

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 7

CHƯƠNG 1: 11

TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC 11

1.1 Khái niệm về điện tử công suất 11

1.2 Nhiệm vụ về điện tử công suất 11

1.3 Ứng dụng về điện tử công suất 12

1.4 Mạch chuyển đổi một chiều DC-DC 19

2.4 Tính toán lựa chọn linh kiện qua từng khối 24

2.3.1 Khối tạo xung 24

2.3.2 Khối biến đổi điện áp 30

3.2.1Dạng sóng điện áp đầu vào 38

3.2.2 Dạng sóng điện áp đầu ra 39

Danh mục hình ảnh

Chương

Hình 1 1 Hình ảnh các bộ chỉnh lưu công xuất có điều kiển 12

Hình 1 2 Sơ đồ khối bộ tự động ổn định tốc độ quay động cơ điện 1 chiều 13

Hình 1 3 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh mạch vòng kín 13

Hình 1 4 Hình ảnh thiết bị điều chỉnh dòng,áp DC 14

Hình 1 5 Sơ đồ khối bộ tự động ổn định tốc độ quay động cơ điện một chiều 15

Hình 1 6 Bộ điều chỉnh dòng điện và điện áp một pha 16

Hình 1 7 Hình ảnh bộ biến đổi ngược trong công nghiệp 16

Hình 1 8Sơ đồ khối hệ thống cung cấp điện không gián đoạn 17

Hình 1 9 Hình ảnh một số biến tần phổ biến trong công nghiệp 18

Hình 1 10 Sơ đồ khối ổn định tốc độ quay động cơ điện xoay chiều 18

Hình 1 11 Truyền tải điện một chiều cao áp (HVDC) 19

Hình 1 12 Mạch nguồn buck 20

Hình 1 13 Mạch nguồn boost 20

Hình 1 14 Mạch nguồn flyback 21

Chương 2:YHình 2 1 Sơ đồ mạch tăng áp 5V DC-24V DC 23

Hình 3 2 Hình ảnh dạng song điện áp vào 38

Hình 3 3 Hình ảnh dạng sóng điện áp đầu ra 24 V DC khi chưa có tải 39

Hình 3 4 đạng sóng điện áp ra khi mắc thêm tải 39

Hình 3 5 hình ảnh xung Ne 555 40

CƠ SỞ LÝ LUẬN ĐỀ TÀI

1.Lý do chọn đề tài

Ngày nay, điện tử công suất đã và đang đóng 1 vai trò rất quan trọng trong quátrình công nghiệp hoá đất nước Sự ứng dụng của điện tử công suất trong các hệthống truyền động điện là rất lớn bởi sự nhỏ gọn của các phần tử bán dẫn và việcdễ dàng tự động hoá cho các quá trình sản xuất Các hệ thống truyền động điềukhiển bởi điện tử công suất đem lại hiệu suất cao Kích thước, diện tích lắp đặtgiảm đi rất nhiều so với các hệ truyền động thông thường như: khuếch đại từ, máyphát - động cơ

Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, trong nội dung môn học Điện tử công suất vàtruyền động điện chúng em đã được giao thực hiện đề tài:“ thiết kế chế tạo thửnghiệm mạch tăng áp từ 5V DC đến 24V DC”

2 Mục tiêu của đề tài

- Củng cố kiến thức về môn học điện tử công xuất,điện tử cơ bản….- Hiểu rõ được nguyên lý chức năng của mạch điện

- Thiết kế và chế tạo mạch điện đáp ứng tốt những yêu cầu của đề tài bằng việctính toán và lựa chọn linh kiện.

- Giá thành phù hợp với điều kiện học tập cũng như điều kiện kinh tế củatrường nếu muốn nhân rộng mô hình phục vụ đào tạo nhưng vẫn phải đảmbảo Giá thành phù hợp với điều kiện học tập cũng như điều kiện kinh tế củatrường nếu muốn nhân rộng mô hình phục vụ đào tạo nhưng vẫn phải đảmbảo tính thẩm mỹ, kỹ thuật và ứng dụng được trong lĩnh vực đào tạo.

3 Tóm tắt nội dung đề tài

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Không gian: Tại khoa điện-điện tử Trường Đại Học Sư Phạm kỹ thuật HưngYên.

Đối tượng : mạch biến đổi tăng áp DC-DC

Thời gian: Từ tuần thứ 3 đến tuần thứ 18.

TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN

Khoa Điện - Điện Tử

-o0o -CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMĐộc lập - Tự do - Hạnh phúc

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN MÔN HỌC 3

-*** -Nhóm sinh viên thực hiện: 1 Nguyễn Văn Dũng2 Nguyễn Tiến Trình

Khoá học: 2021 - 2025

Ngành đào tạo: Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóaLớp: 122211.3

Tên đề tài:

Thiết kế, chế tạo, thử nghiệm mạch tăng điện áp từ 5 VDC lên 24 VDC

Số liệu cho trước:

- Các thiết bị hiện có trên phòng thí nghiệm;

- Yêu cầu kỹ thuật: Cấp điện có dòng điện định mức 2A

Nội dung cần hoàn thành:1 Thuyết minh:

Giới thiệu cơ sở lý luận đề tài

Chương 1: Tổng quan về điện tử công suất và bộ biến đổi DC-DC.Chương 2: Tính toán, thiết kế và chế tạo sản phẩm.

Chương 3: Khảo sát và đánh giá sản phẩm.

2 Phần thực hành:

- Thiết kế, chế tạo mạch tăng áp 5VDC-24VDC đảm bảo yêu cầu kỹ thuật,mỹ thuật

- Tên sản phẩm: Mạch tăng áp 5VDC- 24 VDC.

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN:Bùi Thanh Tùng

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ BỘ BIẾNĐỔI DC-DC

1.1 Khái niệm về điện tử công suất

- Để có khái niệm tổng quát về điện tử công suất,cần phải nhắc lại ba lĩnh vựccơ bản của ngành Kỹ thuật điện đó là : điện tử,điều khiển và năng lượng điện.Lĩnh vực điện tử nghiên cứu các dụng cụ bán dẫn,các mạch tích hợp sử dụng choviệc truyền tải và xử lý thông tin Lĩnh vực điều khiển nghiên cứu các quátrình,phân tích và tổng hợp các bộ điều khiển nhằm ổn định chế độ làm việc củahệ thống Lĩnh vực năng lượng nghiên cứu và giải quyết vấn đề liên quan đến cáchệ thống phát điện,truyền tải,phân phối và sử dụng điện năng.

- Với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử và điều khiển,ngày càngnhiều thiết bị điện tử được sử dụng trong hệ thống truyền tải,biến đổi sử dụngđiện năng Hệ thống thiết bị điện tử này không hoạt động ở chế độ khuếch đại màhoạt động theo nguyên lý đóng-cắt và được gọi là thiết bị điện tử công suất Nhưvậy điện tử công suất là ứng dụng của kỹ thuật điện tử,điều khiển vào hệ thốngnăng lượng điện.

1.2 Nhiệm vụ về điện tử công suất

Nhiệm vụ chính của điện tử công suất là biến đổi hệ thống năng lượng điện từdạng này sang dạng khác bao gồm các dạng biến đổi dưới đây:

• Xoay chiều (AC-Alternating Current) thành một chiều Direct Current): AC-DC.

• Một chiều thành một chiều: DC-DC • Một chiều thành xoay chiều: DC-AC • Xoay chiều thành xoay chiều: AC-AC.

1.3 Ứng dụng về điện tử công suấta.Các bộ chỉnh lưu có điều khiển

Hình 1 1 Hình ảnh các bộ chỉnh lưu công xuất có điều kiển

Là loại biến đổi AC-DC được sử dụng rất rộng rãi trong các hệ thống điều

khiển truyền động điện động cơ điện một chiều, hệ thống cung cấp nguồn điệnmột chiều, hệ thống mạ và nạp điện

Dưới đây là một ứng dụng của bộ chỉnh lưu trong hệ thống tự động ổn địnhtốc độ quay động cơ điện một chiều Sơ đồ khối được trình bày như Hình 1.1.

Hình 1 2 Sơ đồ khối bộ tự động ổn định tốc độ quay động cơ điện 1 chiều

Bộ chỉnh lưu làm nhiệm vụ của cơ cấu điều chỉnh cho đối tượng là độngcơ điện một chiều Khi tải của động cơ thay đổi hoặc điện áp nguồn thay đổi,momen và tốc độ quay trên trục của động cơ thay đổi theo Cảm biến tốc độchuyển đổi tốc độ động cơ thành tín hiệu điện là một hàm phụ thuộc vào tốc độ.Điện áp tín hiệu được khuếch đại đến mức đủ lớn đưa vào điều chế góc mở SCRtrong bộ chỉnh lưu để điện áp một chiều được điều chỉnh giữ cho tốc độ động cơổn định Việc điều chỉnh tốc độ quay có thể thưc hiện bằng cách thay đổi điện áptrên mạch phần ứng, mạch kích thích và có thể thực hiện trên cả hai mạch

Theo quan điểm kỹ thuật điều khiển hệ thống tự động ổn định tốc độ quaytrên Hình 1.1 là một hệ điều chỉnh tốc độ mạch vòng kín được biểu diễn trên hình1.2

Hình 1 3 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh mạch vòng kín

Trên sơ đồ cấu trúc các đại lượng được biểu diễn dưới dạng toán tửLaplace trong đó X(s) là giá trị đặt, Y(s) là giá trị thực của quá trình, E(s) là độ sailệch giữa giá trị đặt và giá trị thực, U(s) tác động điều chỉnh, C(s) và O(s) là hàmtruyền của bộ điều chỉnh và đối tượng trong miền toán tử.

b Điều chỉnh dòng điện và điện áp một chiều

Hình 1 4 Hình ảnh thiết bị điều chỉnh dòng,áp DC

Sơ đồ khối hệ thống tự động ổn định tốc độ quay của động cơ điện mộtchiều bằng bộ biến đổi DC-DC được trình bày trên Hình 1.3

Hình 1 5 Sơ đồ khối bộ tự động ổn định tốc độ quay động cơ điện một chiều

Nguồn cung cấp cho hệ thống là nguồn điện một chiều Uo Khi tảihoặc điện áp nguồn thay đổi làm momen và tốc độ quay trên trục động cơ thayđổi Tín hiệu ra của cảm biến tốc độ làm thay đổi tần số đóng cắt của bộ biến đổiDC-DC làm điện áp trung bình đặt trên động cơ thay đổi giữ cho tốc độ quay củađộng cơ ổn định trong phạm vi làm việc nhất định.

c Điều chỉnh dòng điện và điện áp xoay chiều

Các bộ điều chỉnh dòng điện và điện áp xoay chiều được sử dụng rộngrãi trong các hệ thống tạo nhiệt của nung, sấy Các bộ điều chỉnh này còn đượcsử dụng trong việc điều chỉnh tốc độ quay của động cơ điện xoay chiều Tuynhiên, việc sử dụng các bộ điều chỉnh trong truyền động điện động cơ điện xoaychiều có chất lượng không cao nên ít được sử dụng cho các loại tải công suất lớn Nếu có sự thay đổi trạng thái của buồng sấy hoặc điện áp nguồn cungcấp nhiệt độ trong buồng thay đổi làm tín hiệu ra của cảm biến nhiệt độ thay đổitheo góc mở của các Thyristor trong bộ điều chỉnh thay đổi để điện áp và dòng điqua phần tử đốt thay đổi giữ cho nhiệt độ trong buồng sấy ổn định Các bộ điềuchỉnh có thể áp dụng cho mạch một pha và ba pha, được trình bày trên Hình 1.3.4

Hình 1 6 Bộ điều chỉnh dòng điện và điện áp một pha

d Bộ biến đổi ngược

Hình 1 7 Hình ảnh bộ biến đổi ngược trong công nghiệp

Các bộ biến đổi ngược DC-AC (nghịch lưu) dùng để biến đổi hệ thống dòngđiện và điện áp một chiều cố định thành hệ thống dòng điện và điện áp xoay chiềucó tần số ổn định Các bộ biến đổi ngược thường được sử dụng trong các hệ thốngnăng lượng gió, năng lượng mặt trời dùng để biến đổi hệ thống năng lượng điệnmột chiều hoặc điện xoay chiều không ổn định thành hệ thống năng lượng điệnxoay chiều có tần số và biên độ ổn định Sơ đồ khối của hệ thống cung cấp điệnkhông gián đoạn sử dụng bộ biến đổi ngược được mô tả trên Hình 1.5

Hình 1 8Sơ đồ khối hệ thống cung cấp điện không gián đoạn

Nguồn điện xoay chiều lấy từ lưới điện xoay chiều sau khi được chỉnh lưuvừa nạp cho ắc quy vừa được lọc phẳng cung cấp cho bộ nghịch lưu DC-ACthành nguồn điện xoay chiều có tần số ổn định Khi mất điện lưới năng lượngđược nạp từ ắc quy cung cấp cho tải.

e Biến tần

Là bộ biến đổi AC-AC dùng để biến đổi hệ thống dòng điện và điện áp xoaychiều từ tần số này sang tần số khác Có hai loại biến tần: trực tiếp và gián tiếpđược sử dụng trong hệ thống điều khiển truyền động điện động cơ điện xoaychiều Sơ đồ hệ thống điều khiển truyền động điện động cơ điện xoay chiều sửdụng biến tần giao tiếp được trình bày trên hình 1.6

Hình 1 9 Hình ảnh một số biến tần phổ biến trong công nghiệp

Hình 1 10 Sơ đồ khối ổn định tốc độ quay động cơ điện xoay chiều

Hệ thống điện áp xoay chiều U1 có tần số cố định được biến đổi thànhhệ thống điện áp xoay chiều U2 có tần số thay đổi dùng để tự động ổn định tốc độquay động cơ khi tải và điện áp lưới thay đổi.

g Các bộ biến đổi trong hệ thống truyền tải điện năng

Các bộ biến đổi công suất lớn còn được sử dụng trong hệ thống truyềntải điện năng như các hệ thống bù hệ số cosφ, điều khiển hệ thống năng lượng, vàtruyền tải điện một chiều cao áp được trình bày như trên Hình 1.7

Hình 1 11 Truyền tải điện một chiều cao áp (HVDC)

1.4 Mạch chuyển đổi một chiều DC-DC

Như chúng ta đã biết thì nguồn điện là một phần rất quan trọng đối với mộtmạch điện hay một hệ thống điện nào đó Nguồn điện ảnh hưởng trực tiếp đếnhoạt động của mạch hay hệ thống Đối với mỗi mạch điện hay hệ thống nó cầnđòi hỏi các nguồn đầu vào khác nhau từ một nguồn đầu vào cố định hay có sẵn.Nguồn DC được sử dụng rất rộng rãi và được sử dụng hầu hết trong các mạchđiện hay các hệ thống điện Nhưng để sử dụng nguồn DC vào hệ thống của mìnhthì nguồn DC này cần phải được biến đổi thành nguồn DC khác hay nhiều nguồnDC cung cấp cho hệ thống.

Hiện nay thì nguồn xung hay nói cách khác nó là các bộ nguồn biến đổi DC nó được sử dụng phổ biến hầu hết trên các mạch điện và các hệ thống điện tựđộng Với ưu điểm là khả năng cho hiệu suất đầu ra cao, tổn hao thấp, ổn địnhđược điện áp đầu ra khi đầu vào thay đổi, cho nhiều đầu ra khi với một đầuvào….

DC-Nguồn xung hiện nay có rất nhiều loại khác nhau nhưng nó được chia thành 2nhóm nguồn: Cách ly và không cách ly Mỗi loại nguồn trên đều có những ưunhược điểm khác nhau Nên tùy theo yêu cầu của nguồn mà ta chọn các kiểunguồn xung như trên.

Một số loại nguồn không cách ly

Mạch BUCK converter: Đây là kiểu biến đổi nguồn cho điện áp đầu ra nhỏ hơnso với điện áp đầu vào tức là Vin >Vout.

Mạch Flyback converter: Đây là kiểu nguồn xung truyền công suất gián tiếpthông qua biến áp Cho điện áp đầu ra lớn hơn hay nhỏ hơn điện áp đầu vào Từ

một đầu vào có thể cho nhiều điện áp đầu ra Đây là một loại nguồn rất phổ biếnvà được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các thiết bị điện tử hiện nay với công suấtcó thể đạt đươc là khoảng 140W.

Hình 1 14 Mạch nguồn flyback

Kết luận: ở đồ án này chúng em quyết định nghiên cứu thử nghiệm mạch tăngáp DC-DC từ 5V-24V đựa trên kiến thứ đã học của bộ môn điện cơ bản và điện tửcông xuất

CHƯƠNG 2:

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH TĂNG ÁP5V DC LÊN 24V DC

2.1 Yêu cầu của đề tài

Thiết kế, chế tạo mạch tăng áp 5VDC-24VDC đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, mỹthuật.

Mạch sau khi lắp ráp đảm đảm bảo chạy ổn định đáp ưng được công việc họctập và nghiện cứu.

Với sinh viên thì yêu cầu cơ bản là nắm rõ được nguyên lý làm việc và phươngpháp tính toán lựa chọn linh kiên trong mạch.

Yêu cầu kỹ thuật:

Điện áp đầu ra dảm bảo 24 V DCĐáp ứng tải có với công xuất tải 1A

2.2 Lựa chọn sơ đồ

Hình 2 1 Sơ đồ mạch tăng áp 5V DC-24V DC

2.3 Lưa chọn linh kiện

Dựa trên sơ đồ hình chúng tôi đã phân tích và lưa chọn các linh kiện theo từngkhối:

- Khối tạo xung: NE555

- Khối chấp hành: động cơ 545 12-24v DC- Khối biến đổi điện áp : IRFZ44N,cuộn cảm

- Bên cạch đó là các linh kiện điện tử thụ động như: Tụ điện, điện trở, biếntrở…

2.4 Tính toán lựa chọn linh kiện qua từng khối

2.3.1 Khối tạo xung

Khi điện áp ở chân số 2 (TRIG) ở dưới mức kích thì mạch Flip – Flop sẽ ởtrạng thái Set (mức 1) làm cho gõ ra (OUT) ở mức cao (mức 1) Khi điện áp ởchân TRIG của IC 555 ở trên mức kích và đồng thời chân ngưỡng (THRES –chân 6) ở trên mức ngưỡng thì tự động mạch Flip – Flop sẽ bị reset về mức 0 vàtừ đó sẽ làm cho đầu ra output xuống mức 0 Ngoài ra, khi chân RESET (chân 4)xuống mức thấp thì mạch Flip – Flop cũng sẽ bị reset khiến cho đầu ra (OUT)xuống mức 0 Khi đầu ra ở mức 0 thì lúc này DISCH (chân 7) sẽ được nối vớiGND.Các chức năng của IC 555 thường được sử dụng để tạo xung, điều chế độrộng xung (PWM), điều chế vị trí của xung (PPM) hay được sử dụng trong thuphát hồng ngoại [1]