Báo cáo Đồ Án Điện tử công suất mạch chopper góc phần tư thứ i dùng bjt (mạch 2 1)

o BJT : điều khiển đóng ngắn để điều khiển quá trình chuyển đổi năng lượng của cuộn o Tải: trong bài này chúng em sử dụng đèn led 12v 30w o Điện áp vào: cung cấp điện áp cho mạch là 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA CÔNG NGHỆ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

- -

BÁO CÁO ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

ThS Hồ Minh Nhị Nguyễn Trần Quốc Bảo B2207381 Đặng Văn Lực B2207405

Tống Thanh Phong B2207419

Nguyễn Thanh Tân B2207429 Nguyễn Trung Dũng B2207388 Nguyễn Thanh Thúy Vy B2207451 Sơn Hoàng Dũ B2207387

Cần Thơ - 11/2024

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA CÔNG NGHỆ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

- -

BÁO CÁO ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

ThS Hồ Minh Nhị Nguyễn Trần Quốc Bảo B2207381 Đặng Văn Lực B2207405

Tống Thanh Phong B2207419

Nguyễn Thanh Tân B2207429 Nguyễn Trung Dũng B2207388 Nguyễn Thanh Thúy Vy B2207451 Sơn Hoàng Dũ B2207387

Cần Thơ - 11/2024

II Mức độ đóng góp chi tiết

80%

Hàn mạch Làm xung PWM 50% (phụ thêm)

5 Nguyễn Trung Dũng Chỉnh sửa bổ sung

nguyên lí của word

nguyên lí của word

Mạch Chopper góc phần tư thứ I dùng BJT (mạch 2.1)

1 Sơ đồ mạch tổng quát:

2 Giới thiệu mạch chooper góc phần tư thứ I dùng BJT:

a Giới thiệu sơ lược

 Đây là mạch chuyển đổi dc-dc là mạch chopper góc phần tư thứ nhất hay còn gọi là mạch giảm áp

 Như tên thì mạch có thể điều chỉnh điện áp từ 0-12volt thông qua PWM

o Diode: chặn dòng điện ngược và chỉ cho phép dòng điện chạy theo một hướng có chủ đích

o BJT : điều khiển đóng ngắn để điều khiển quá trình chuyển đổi năng lượng của cuộn

o Tải: trong bài này chúng em sử dụng đèn led 12v 30w

o Điện áp vào: cung cấp điện áp cho mạch là 12v

b) Chế độ hoạt động của BJT và nguyên lí của toàn mạch

Có 2 trạng thái hoạt động của mạch

o Khi PWM ở mức cao điện áp đặt vào BE cao hơn điện áp ngưỡng làm cho BJT dẫn cho phép dòng điện ic chạy từ C sang E.Dòng điện đi qua cuộn cảm khi ấy cuộn cảm tích trữ năng lượng và lúc này diode ngưng

o PWM ở mức thấp điện áp đặt vào chân BE thấp hơn điện thế ngưỡng làm cho bjt ngưng dẫn không cho dòng điện từ nguồn vào (ic=0) lúc này cuộn xả tạo ra áp trên cuộn dẫn đến diode dẫn duy trì dòng điện liên tục cho đầu ra Dẫn đến điện áp trung bình ở Vo phụ thuộc vào duty cycle của PWM

 Lựa chọn cuộn cảm L: Để dòng qua cuộn cảm không bị dao động quá lớn, chúng ta cần

chọn giá trị cuộn cảm L thỏa mãn công thức:

Do đó, để đảm bảo hoạt động ổn định, ta chọn giá trị cuộn cảm L=10 mH (giá trị thực tế trong

mạch) nhằm giảm dao động dòng qua tải và duy trì độ ổn định của LED

 Chọn điện trở R1: R1 (10Ω) giới hạn dòng vào chân base của TIP41, bảo vệ TIP41 khỏi

dòng điện quá lớn có thể làm hỏng transistor

4 Mạch in PCB và mạch 3D

6 Các linh kiện sử dụng:

a) BJT Tip 41

Thông số chi tiết của BJT TIP41: BJT TIP41 là một transistor công suất loại NPN,

thường được sử dụng trong các ứng dụng khuếch đại và điều khiển công suất, đặc biệt trong các mạch khuếch đại âm thanh và mạch nguồn Dưới đây là một số thông số quan trọng của TIP41:

1 Điện áp và dòng chịu được:

 Điện áp Collector-Emitter tối đa (Vceo): 40V

 Điện áp Collector-Base tối đa (Vcb): 60V

 Điện áp Emitter-Base tối đa (Vebo): 5V

 Dòng Collector liên tục tối đa (Ic): 6A

 Dòng Collector xung tối đa (Icm):10A

2 Tần số hoạt động:

 Tần số chuyển mạch tối đa (ft): 3 MHz

 TIP41 phù hợp với các ứng dụng ở tần số trung bình và thấp, chẳng hạn như khuếch đại âm tần và mạch điều khiển công suất

3 Nhiệt độ chịu được:

 Nhiệt độ hoạt động tối đa của mối nối (Tj): 150°C

 Nhiệt độ bảo quản tối đa (Tstg): -65°C đến +150°C

4 Hệ số khuếch đại dòng điện (hFE):

 Hệ số khuếch đại dòng điện DC (hFE) tại Ic = 1A, Vce = 4V:Từ 15 đến 75

 Hệ số này có thể thay đổi theo dòng Collector và nhiệt độ, có xu hướng giảm ở dòng và nhiệt độ cao

b) Diode 1N5401

Thông số kỹ thuật của diode chỉnh lưu 1N5401: tương tự như diode 1N5404 trong

ảnh, nhưng với một số khác biệt:

1 Điện áp chịu được (Peak Repetitive Reverse Voltage): 100V

2 Dòng điện trung bình (Average Rectified Forward Current): 3A

3 Dòng điện xung đỉnh (Peak Forward Surge Current): 200A (tối đa trong 8.3ms)

4 Nhiệt độ hoạt động: -65°C đến +150°C

5 Tần số: Thích hợp cho các mạch chỉnh lưu tần số khoảng 20kHz

Diode 1N5401 cũng là diode chỉnh lưu công suất cao, dùng phổ biến trong các ứng dụng dân dụng và mạch nguồn tần số thấp, nhưng với điện áp ngược thấp hơn so với 1N5404

c) Cuộn cảm 10mh

d) Led 12V-30W

e) Trở 10 Ohm

Thông tin bổ sung thêm:

Khi tín hiệu đưa vô điều khiển ở mức cao là 3.3V thì BJT dẫn dòng IC chạy từ nguồn qua cuộn, led về mass điện áp VCE lúc đó bằng 0 làm BJT bão hoà

Đối với tín hiệu mức thấp là 0V thì BJT ngưng dòng IC = 0 điện áp VCE lúc đó bằng 12V

và IB_SAT = 𝐼𝐶_𝑆𝐴𝑇

𝛽 = 2,5

75 = 33,3𝑚𝐴

Mạch boost dùng MOSFET (mạch 3.4)

1 Sơ đồ mạch tổng quát

2 Sơ đồ mạch tăng áp PWM dùng cho MOSFET (mạch trung gian)

3 Mạch Boost áp sử dụng Mosfet

a Giới thiệu sơ lược:

 Mạch boost áp hay còn gọi là mạch tăng áp

 Như tên thì mạch boost áp có thể tăng điện áp đầu ra so với điện áp đầu vào, với mạch này nó sẽ thay đổi điện áp tăng dần từ 12v đến 24v ứng với duty cycle từ 0 đến 50%

 Thường được sử dụng để nâng áp từ nguồn pin, năng lượng tái tạo hoặc điều khiển nguồn điều khiển động cơ DC

 Mạch dựa vào tích chất chuyển đổi, tích trữa năng lượng của cuộn cảm khi bật tắt, để điểu khiển quá trình này dùng 1 Mosfet với 1 tần số đóng ngắt cao

o Tải: trong mạch này xài bóng đèn sợi đốt 24v-25w

o Điện áp vào: cung cấp điện áp cho mạch 12v

b Hoạt động của Mosfet và nguyên lý hoạt động của toàn mạch

o HOẠT ĐỘNG MOSFET

Trong mạch này sử dụng MOSFET loại IRF3205 với điện áp kích ở chân Gate là 2-4vol và để bão hòa là khoảng 10v nên sử dụng pwm có điện áp khoảng 12v ở mức cao và 0volt ở mức thấp với tần số khoảng 50khz để có thể cho hoạt động đóng và mở hoàn toàn

o NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG TOÀN MẠCH

Có 2 trạng thái hoạt động của mạch:

 Khi PWM ở mức cao thì áp đặt vào chân GS cao hơn điện áp ngưỡng làm cho mosfet dẫn cho phép dòng điện chạy từ D sang S, dòng điện sẽ chạy qua cuộn cảm khi ấy cuộn cảm tích trữ năng lượng và lúc này diode ngưng chặn dòng đi ngược

 PWM ở mức thấp thì điện áp đặt vào chân GS thấp hơn điện thế ngưỡng làm cho mosfet ngưng dẫn không cho dòng điện chạy từ D sang S Lúc này năng lượng tích trữ của cuộn cảm sẽ được phóng ra Điện áp của cuộn cảm sẽ kết hợp với điện áp nguồn tạo điện áp cao hơn điện áp nguồn ở đầu ra Dòng điện sẽ qua diode và cấp cho tải, đồng thời sạc tụ điện để cung cấp điện áp ổn định cho tải.

⇒Để đáp ứng yêu cầu tăng áp, dòng điện đầu ra cần được duy trì liên tục Khi cuộn cảm chưa xả hết năng lượng, cần nhanh chóng cấp năng lượng lại bằng cách đóng công tắc để cuộn cảm tiếp tục tích trữ năng lượng

4 Giới thiệu mạch tăng áp PWM dùng cho MOSFET (mạch trung gian)

Nguyên lý hoạt động:

Khi mạch được cấp nguồn 12V, điện áp này sẽ được cấp vào chân VCC của IC IR2184 Khi tín hiệu PWM được đưa vào chân IN của IC Tín hiệu này quyết định khi nào chân HO

sẽ kích hoạt để điều khiển tải

Khi PWM ở mức cao, chân HO sẽ kích hoạt và đưa điện áp ra ở mức cao (12V) để điều khiển tải

Khi PWM ở mức thấp, HO sẽ tắt và quay về mức thấp (0V)

𝐼𝐿 = 1

1 − 𝐷× 𝐼𝑡ả𝑖 = 1

1 − 0,5× 1 = 2𝐴, tại dùng để lọc nên chọn tụ có 330𝜇𝐹-50V

6 Mạch in PCB và mạch 3D

và có thể dẫn dòng điện lớn nhất

 Mạch tăng áp cho xung PWM từ vi điều khiển gồm:

 IC IR2184

 Tụ 10𝝁𝑭 − 𝟐𝟓𝑽

 Diode 1N5401

Thông tin bổ sung thêm:

o Khi đưa tín hiệu vô điều khiển ở mức cao là 12V khi đó Mosfet dẫn, dòng ID

chạy từ Diode về mass, khi đó VDS = 0 (khi ở mức cao Mosfet bão hoà)

o Khi đưa tín hiệu vô điều khiển ở mức thấp là 0V khi đó Mosfet ngưng, dòng

ID = 0 (hở mạch), khi đó VDS = 12V

o Dòng IG luôn bằng 0

Ứng dụng: Bật/tắt đèn, quạt, thiết bị điện trong nhà thông minh, tự động hóa hoặc dimmer (điều chỉnh độ sáng)

AC, cách ly giữa mạch điều khiển và mạch tải nhờ cấu tạo 2 phần riêng biệt

 Tụ điện 10µF 25V: Lọc điện áp đầu ra để cung cấp điện áp ổn định

 Điện Trở R2: hạn chế dòng AC chạy qua con triac quang trong MOC

3 Nguyên lí hoạt động của mạch:

 Nguyên lí hoạt động:

Khi công tắc đóng, nguồn 5V DC sẽ đi qua R1 và cấp dòng cho LED của MOC3021 Điện trở R1 hạn dòng để bảo vệ LED của MOC3021

Khi LED của MOC3021 phát sáng, nó kích hoạt triac quang bên trong MOC3021 triac này

sẽ dẫn điện, tạo ra một đường dẫn nối chân 6 với chân 4 Sau đó, dòng điện AC điều khiển

sẽ đi qua DEN, qua điện trở R2 và đi vào chân Gate của TRIAC BTA12-600B Lúc này, TRIAC sẽ được kích hoạt và dẫn điện, cho phép dòng điện AC chính đi về lại nguồn, hoàn thành dòng tải và bóng đèn phát sáng

Khi ngắt điện, Led trong MOC3021 tắt , triac quang trong MOC3021 sẽ ngừng dẫn Điều này làm mất dòng kích vào Gate của BTA12-600B, khiến nó ngừng dẫn, và bóng đèn sẽ tắt

 Dòng Điện của mạch:

Sau khi Triac đã được kích điện áp trong mạch chạy như sau

Trong bán kỳ dương, dòng điện chạy theo thứ tự:

Pha (L) →Triac → Tải (bóng đèn) → Trung tính (N)

Trong bán kỳ âm, dòng điện chạy theo thứ tự:

Trung tính (N) → tải (Đèn) →Triac→ dây pha (L)

 Giải thích hoạt động của Triac

Nguyên lý kích dẫn: Khi có điện áp ở cổng G, cấu trúc p-n-p-n thay đổi trạng thái, cho

phép các hạt điện tích di chuyển tự do qua các lớp bán dẫn, làm giảm trở kháng và cho phép dòng điện chạy qua giữa Sau khi dòng điện chạy qua, cấu trúc bán dẫn của TRIAC

sẽ tiếp tục duy trì trạng thái dẫn ngay cả khi tín hiệu tại cổng G không còn, miễn là dòng điện vẫn duy trì trên điện thế của nó

 Ưu và nhược điểm:

+Ưu điểm

- Không có hiện tượng tia lửa, không gây nhiễu và tiếng ồn như nhiều loại relay truyền thống

- Độ bền và tuổi thọ của mạch cao

- Dòng điều khiển thấp nhưng chúng có thể điều khiển được điện áp cao

+Nhược điểm

- Khi làm việc ở công suất lớn thì SSR cần được tản nhiệt

- Người sử dụng cần có hiểu biết và kiến thức về điện tử chuyên sâu

- Nhiều khi có thể gây méo tín hiệu

- Có thể xảy ra hiện tượng dò điện và chết chập

+Ứng Dụng: mạch SSR thường được sử dụng ở Hệ thống tự động hóa, trong y tế, trong các

mạch điện gia dung, hệ thống điện tử và viễn thông,… Những ứng dụng đòi hỏi độ bền, chính xác và nhanh chóng

4 Điều khiển mạch

Khác với các mạch trước, mạch này được điều khiển chỉ bằng 1 nút nhấn bật/tắt cho cả

mạch Con MOC3021 là thuộc loại random-phase triac driver, nên mạch có thể chạy trong

cả bán kỳ dương lẫn bán kỳ âm của chu kỳ AC cho phép điều chỉnh on/Off cho tải thoải mái

Ý nghĩa BTA12-600B: triac thuộc series BT, có cách nhiệt, dòng định mức12A-600V, dòng kích

50mA, loại tiêu chuẩn

+ Các Thông số quan trọng:

1 Dòng tải tối đa (IT(RMS): 12A (dòng điện RMS tối đa qua triac)

2 Điện áp chịu đựng tối đa (VDRM/VRRM): 600V (điện áp ngược cực đại mà triac chịu được)

3 Điện áp kích (VGT): ≤ 1.5V (dòng điện cần thiết qua cổng G để kích hoạt)

4 Dòng kích (IGT): ≤ 50mA (dòng điện cần thiết qua cổng)

5 Điện áp bật (VTM): ≤ 1.5V (điện áp chạy trên triac khi đẫn dòng định mức)

6 Dòng rò ngược (IDRM/IRRM): ≤ 10µA (dòng điện rò trong trạng thái chặn)

7 Nhiệt độ làm việc (Tj): từ -40°C đến + 100°C

8 Kiểu chân: thứ tự từ trái qua phải lần lượt là A1(MT1, Main Terminal 1), A2 (MT2 Main

terminal 2), G (Gate)

i) MOC3021

+ Các thông số quan trọng:

1 Điện áp kích tối đa (V DRM) : (điện áp cực đại có thể chịu được mà không kích hoạt)

2 Dòng Điện Led dầu vào (IF):

 Tối đa :60mA (dòng Led bên trong opto-triac)

 Điển hình:10mA (để kích hoạt)

3 Điện áp Led thuận (VF): 1.2V (điện áp thuận định dạng của Led bên trong)

4 Dòng điện ra (IT): tối đa 100mA (dòng điện qua triac bên trong)

5 Thời gian chuyển mạch( Turn-on Time): 1.5µs

6 Nhiệt độ làm việc (Top): từ −40°C đến + 100°C

7 Điện áp cách ly (Isolation Voltage): Tối đa 5000Vrms ( giữa đầu ra và đầu vào)

8 Công suất tiêu thụ tối đa (Ptot): 330mW (công suất tiêu thụ tối đa của 2 linh kiện)