Báo cáo bài tập lớn môn vật lí bán dẫn Đề tài tìm hiểu về mạch cầu h – mạch lái Động cơ

Cấu tạo mạch cầu H Mạch cầu H là một mạch điện được sử dụng để điều khiển và đảo ngược hướng dòng điện của một tải điện.. Nguyên lý hoạt động của mạch cầu H Nguyên lý hoạt động của mạch

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

- 

 -BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

Môn: VẬT LÍ BÁN DẪN

Đề tài:

TÌM HIỂU VỀ MẠCH CẦU H – MẠCH LÁI ĐỘNG CƠ

Giáo viên hướng dẫn: TS Trần Hoàng Linh Lớp: L09

Nhóm: 20

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 06 năm 2024

DANH SÁCH SINH VIÊN VÀ BẢNG PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ

1 Hoàng Diệu Linh

- Trưởng nhóm 2311845 Cấu tạo - nguyên lí - ứng dụng của mạch cầu H.

2 Lê Thị Vũ Hạ 2310893 Thiết kế Powerpoint

3 Trần Hoài Nam 2312193 Mô phỏng trên phần mềm Proteus

4 Huỳnh Ngọc Lộc 2311946 Phân tích mạch và vai trò của linh kiện.

Tổng hợp báo cáo

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 4

TÓM TẮT BÁO CÁO 5

PHẦN I: CẤU TẠO-NGUYÊN LÍ-ỨNG DỤNG MẠCH CẦU H 6

1 Giới thiệu về mạch cầu H 6

2 Nguyên lý hoạt động của mạch cầu H 7

3 Ứng dụng của mạch cầu H 10

PHẦN II: PHÂN TÍCH MẠCH VÀ VAI TRÒ LINH KIỆN 11

PHẦN III: MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM PROTEUS 13

1 Động cơ quay thuận chiều kim đồng hồ 13

2 Động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ 14

PHẦN IV: KẾT LUẬN BÁO CÁO 15

1 Ưu điểm của mạch cầu H 15

2 Nhược điểm của mạch cầu H 15

PHẦN V: TÀI LIỆU THAM KHẢO 17

LỜI MỞ ĐẦU

Lời đầu tiên cho chúng em xin được phép gửi lời cảm ơn đến Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh cũng như Bộ môn Điện Tử Khoa Điện-Điện Tử Đại học Bách Khoa TP HCM đã giúp chúng em được có cơ hội trải nghiệm rõ ràng và sâu sắc về môn học Vật lý Bán dẫn thông qua các buổi lý thuyết và thực hành song song Chúng em cũng xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Trần Hoàng Linh, giảng viên hướng dẫn của lớp L09 đã tích cực giảng dạy và truyền đạt nội dung bài học vô cùng ngắn gọn, xúc tích, giúp chúng em nắm được bài rất nhanh Thông qua những tiết lý thuyết tụi em đã học được những điều căn bản nhất: từ giới thiệu các vật liệu đến các cách hoạt động của các thiết bị bán dẫn như diode, BJT, MOSFET Việc kết hợp thêm cùng các tiết thực hành song song, tụi em đã phần nào hình dung rõ hơn, cụ thể hơn các kiến thức đã học qua, từ đó kết hợp song song cùng tiết thực hành

Được sự phân công của giảng viên bộ môn, cùng với những kiến thức tích lũy được trong quá trình học tập và tìm hiểu thêm ở ngoài, chúng em xin trình bày những kiến thức của mình về cách hoạt động cũng như là mô phỏng lại qua phần mềm Proteus của mạch cầu H Qua việc thực hiện bài báo cáo này, nhóm chúng em đã biết thêm rất nhiều kiến thức mới lạ và bổ ích Do vốn kiến thức của chúng em vẫn còn hạn chế nên mặc dù

đã cố gắng hết sức nhưng chắc chắn khó tránh khỏi những thiếu sót Vì thế, nhóm chúng

em mong nhận được sự góp ý từ thầy để có thể hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

TÓM TẮT BÁO CÁO

Mạch cầu H - mạch lái động cơ là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật điện tử và

tự động hóa Nó liên quan đến việc điều khiển và quản lý hoạt động của các loại động cơ, bao gồm động cơ DC, động cơ bước, và động cơ xoay Mạch lái động cơ đảm bảo rằng động cơ hoạt động hiệu quả, an toàn và theo đúng yêu cầu của ứng dụng Các chuyên gia trong lĩnh vực này phải nắm vững kiến thức về điện tử, điều khiển và cơ học để thiết kế, triển khai và duy trì các hệ thống động cơ phức tạp

Bài báo cáo tập trung vào 3 phần chính:

1 Cấu tạo, nguyên lý và ứng dụng của mạch cầu H

2 Phân tích 1 mạch cầu H cụ thể, nêu ra các vai trò của linh kiện

3 Mô phỏng mạch cầu H trên ứng dụng Proteus và đo các dạng sóng kích FET và sóng ngõ ra

Dưới đây là phần trình bày về việc nghiên cứu và tìm hiểu chi tiết mạch cầu H

PHẦN I: CẤU TẠO-NGUYÊN LÍ-ỨNG DỤNG MẠCH CẦU H

1 Cấu tạo mạch cầu H

Mạch cầu H là một mạch điện được sử dụng để điều khiển và đảo ngược hướng dòng điện của một tải điện Nó còn được gọi là mạch đảo hai pha hoặc mạch đảo cầu Mạch bao gồm bốn công tắc điện tử (thường là transistor hoặc MOSFET) được kết nối theo hình dạng hình chữ H Các công tắc này được điều khiển bởi tín hiệu từ một bộ điều khiển, thường là một vi điều khiển hoặc mạch điều khiển

Hình 1: Mạch cầu H sử dụng MOSFET

Hình 2: Mạch cầu H sử dụng BJT

Một số dạng mạch cầu H:

- Mạch cầu H với transistor NPN/PNP

- Mạch cầu H với MOSFET

- Mạch cầu H đa cấp

- Mạch cầu H tích hợp

2 Nguyên lý hoạt động của mạch cầu H

Nguyên lý hoạt động của mạch cầu H là khi hai công tắc điện tử chéo đối diện được kích hoạt, dòng điện có thể chạy qua tải theo một hướng Khi hai công tắc còn lại được kích hoạt, dòng điện sẽ chạy qua tải theo hướng ngược lại Điều này cho phép mạch cầu

H thực hiện chức năng đảo ngược dòng điện, điều khiển chuyển động và hướng quay của động cơ, hay thậm chí tạo ra một nguồn điện xoay chiều từ nguồn điện một chiều

Hình 3: Minh họa một mạch cầu H a) Q1, Q2, Q3 và Q4 mở

Khi cả 4 transistor đều mở, không có dòng điện chạy trong mạch, mạch cầu không hoạt động

b) Q1 và Q4 đóng, Q2 và Q3 mở

Ở phía A, transistor Q1 đóng, Q2 mở Ở phía B, transistor Q4 đóng, Q3 mở Do đó, dòng điện trong mạch có thể chạy từ nguồn đến Q1, qua động cơ đến Q4 để về GND Giả

sử lúc này động cơ quay theo chiều thuận

c) Q2 và Q3 đóng, Q1 và Q4 mở

Ở phía A, transistor Q2 đóng, Q1 mở Ở phía B, transistor Q3 đóng, Q4 mở Do đó, dòng điện trong mạch có thể chạy từ nguồn đến Q3, qua động cơ đến Q2 để về GND Lúc này, động cơ quay theo chiều ngược

d) Q1 và Q2 (hoặc Q3 và Q4) đóng

Khi đóng cả Q1 và Q2 (hoặc Q3 và Q4) sẽ tạo ra một đường dẫn trực tiếp từ nguồn xuống GND và gây ra hiện tượng ngắn mạch Nguồn sẽ bị hỏng và nghiêm trọng hơn có thể cháy nổ mạch

e) Q1 và Q3 (hoặc Q2 và Q4) đóng

Với trường hợp này, cả 2 phía A, B của động cơ cùng nối với một mức điện áp, sẽ không có dòng điện nào chạy qua, mạch cầu H không hoạt động Đây có thể coi là một cách “thắng” động cơ (nhưng không phải lúc nào cũng có tác dụng) Nói chung, chúng ta

nên tránh trường hợp này xảy ra, nếu muốn mạch cầu không hoạt động thì nên mở tất cả các khóa thay vì dùng trường hợp này

3 Ứng dụng của mạch cầu H

Mạch cầu H có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực điện tử và điều khiển Dưới đây là một số ví dụ về các ứng dụng phổ biến của mạch cầu H:

 Điều khiển động cơ DC: Mạch cầu H được sử dụng để điều khiển động cơ DC trong các ứng dụng như xe điều khiển từ xa, robot, máy in 3D và các thiết bị tự động khác Nó cho phép thay đổi hướng quay của động cơ và kiểm soát tốc độ quay

 Điều khiển động cơ bước (Stepper motor): Mạch cầu H cũng được sử dụng để điều khiển động cơ bước Động cơ bước được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu chính xác vị trí, như máy CNC, máy in, robot công nghiệp và thiết bị y tế

 Hệ thống điều khiển năng lượng mặt trời: Mạch cầu H được sử dụng trong các hệ thống năng lượng mặt trời để điều khiển động cơ hoặc bơm điều chỉnh vị trí của

 Hệ thống lái xe tự động: Trong lĩnh vực xe tự động, mạch cầu H được sử dụng để điều khiển động cơ và hệ thống truyền động của xe Nó cho phép thay đổi hướng

di chuyển và tốc độ của xe theo tín hiệu từ hệ thống điều khiển

PHẦN II: PHÂN TÍCH MẠCH VÀ VAI TRÒ LINH KIỆN

1 Sơ đồ mạch cầu H

Hình 4: Sơ đồ mạch cầu H được cấp xung PWM bởi IC555

2 Các linh kiện được sử dụng

Dùng nguồn 12V để cấp cho IC để tạo xung PWM và nguồn 12V để cấp năng lượng cho động cơ DC

để điều chỉnh tốc độ và chiều quay động cơ thì các MOSFET cần phải làm việc ở tốc

độ chuyển mạch nhanh, và IRF9540NL có tần số chuyển mạch là 1MHz có thể đáp ứng điện kiện này Dòng điện tối đa có thể chạy qua MOSFET là 23A lớn hơn rất nhiều dòng điện cực đại chạy qua động cơ Áp Vgs của MOSFET tối đa là 20 V Với kiểu mạch phân cực thì áp Vgs tối đa là 12V Thời gian bật và tắt của MOSFET vào khoảng 70ns nên với tần số 5KHz thì MOSFET có dư sức đáp ứng

MOSFET IRF540 là MOSFET loại N cũng tương tự với IRF9540NL sẽ có thêm

điện trở kéo xuống nguồn âm, và cũng với đáp ứng tần số là 1MHz để đáp ứng cho ứng dụng này Những thông số cần chú ý của IRF540 cũng có thông số tương đương IRF9540NL nên cũng sẽ hoạt động tốt ở mạch này

Mạch có thể hoạt động ở tần số lớn hơn vào khoảng 1MHz Có thể chọn động cơ sao cho điện áp trên nó có vào khoảng 20V tùy cách lắp mạch Dòng điện tối đa qua động cơ có thể ở 10A

Diode 1N4007 mắc đối song với các MOSFET Với việc chống dòng ngược ở

mức tương đương gây hư hỏng các linh kiện thì diode này có thể sử dụng trong trường hợp này

Ngoài ra các thành phần cơ bản trên, sử dụng Opto PC817 để cách ly mạch cầu H

với IC Opto PC817 sẽ đi kèm với 2 điện trở 330Ω vì Opto PC817 hoạt động ở dòng phân cực thuận là 50mA thì với điện trở 330Ω có thể dùng để hạn dòng cho Opto sử dụng

PHẦN III: MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM PROTEUS

1 Động cơ quay thuận chiều kim đồng hồ

Hình 5: Mạch cầu H khi động cơ quay thuận

Hình 6: Dạng sóng ngõ ra (sóng trên) và dạng sóng tín hiệu kích FET (sóng dưới)

2 Động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ

Hình 7: Mạch cầu H khi động cơ quay nghịch

Hình 8: Dạng sóng ngõ ra (sóng trên) và dạng sóng tín hiệu kích FET (sóng dưới)

PHẦN IV: KẾT LUẬN BÁO CÁO

1 Ưu điểm của mạch cầu H

1.1 Điều khiển linh hoạt

- Mạch cầu H cho phép điều khiển chính xác hướng quay của động cơ, có thể đảo chiều

dễ dàng từ quay thuận sang quay ngược và ngược lại

- Khả năng điều chỉnh tốc độ động cơ một cách linh hoạt bằng cách sử dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM)

1.2 Ứng dụng rộng rãi

- Mạch cầu H được sử dụng phổ biến trong nhiều ứng dụng khác nhau như robot, xe điện, và các hệ thống tự động hóa nhờ khả năng điều khiển động cơ hiệu quả

1.3 Hiệu quả cao

- Với thiết kế đúng, mạch cầu H có thể đạt được hiệu suất cao trong việc truyền tải năng lượng từ nguồn điện đến động cơ, giảm thiểu tổn thất năng lượng

2 Nhược điểm của mạch cầu H

2.1 Phức tạp trong thiết kế

- Thiết kế và xây dựng mạch cầu H yêu cầu hiểu biết sâu về các linh kiện điện tử và kỹ thuật điều khiển, đòi hỏi kỹ năng cao và kiến thức chuyên môn

-Việc điều khiển và đồng bộ hóa các transistor hoặc MOSFET trong mạch cầu H cũng phức tạp và yêu cầu thiết kế kỹ lưỡng

2.2 Chi phí

- Mạch cầu H có thể tốn kém hơn so với các mạch điều khiển đơn giản khác do số lượng linh kiện cần thiết và độ phức tạp của thiết kế

Qua việc thực hiện đề tài, nhóm em đã đạt được những kết quả sau:

- Hiểu rõ hơn về các lý thuyết về mạch cầu H

- Cải thiện kĩ năng viết tiểu luận, báo cáo đồ án

- Sử dụng phần mềm Proteus để mô phỏng mạch

PHẦN V: TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Andras Tantos (2011), H-Bridges – the Basics,

https://www.modularcircuits.com/blog/articles/h-bridge-secrets/h-bridges-the-basics/ [2] Andras Tantos (2011), MOSFETs and catch diodes,

https://www.modularcircuits.com/blog/articles/h-bridge-secrets/mosfets-and-catch-diodes/