đồ án môn học điện tử ứng dụng mạch ổn áp buck dùng ic555

Nguồn DC chưa ổn định Phần tử điều chỉnh Lọc Tải Lấy mẫu So sánh Nguồn xung Điều chế Điều chỉnh điện áp Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com PHẦN A : PHẦN LÝ THUYẾT 1. Tổng quan về ổn áp xung: 1.1 Khái niệm: Ổn áp xung còn gọi là ổn áp đóng ngắt, là ổn áp dựa trên nguyên lý hồi tiếp (nguyên lý bù), trong đó phần tử điều chỉnh làm việc ở chế độ xung. Ổn áp xung có những ưu điểm vượt trội so với ổn áp tuyến tính như sau: Ưu điểm: - Có tổn hao ít nên hiệu suất cao (thường trên 80%) - Độ ổn định cao do phần tử điều khiển làm việc ở chế độ xung - Thể tích và trọng lượng bộ nguồn nhỏ Nhược điểm chính của ổn áp xung: - Phân tích, thiết kế phức tạp - Bức xạ sóng, can nhiễu trong dải tần số rộng do đó cần có bộ lọc xung ở ngõ vào nguồn và bộ nguồn phải được bọc kim. 1.2 Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của ổn áp xung: 1.2.1. Sơ đồ khối: 1.2.2. Nguyên lý hoạt động: Nguồn DC chưa ổn định được đưa đến phần tử điều chỉnh làm việc như một khóa điện tử. Khi khóa dẫn thì nguồn nối đến ngõ ra. Khi khóa tắt thì cắt nguồn DC ra khỏi mạch. Như vậy tín hiệu ở ngõ ra của khóa là một dãy xung, do vậy muốn có tín hiệu DC ra tải phải dùng bộ lọc LC. Tuỳ thuộc vào tần số và độ rộng của xung ở ngõ ra của khóa mà trị số điện áp 1 chiều trên tải có thể lớn hay nhỏ. Để ổn định điện áp DC trên tải, người ta thường so sánh nó với mức điện áp chuẩn. Sự sai lệch sẽ được biến đổi thành tín hiệu xung để điều khiển khóa điện tử. Có 3 phương pháp thực hiện tín hiệu điều khiển: 1 1 CD 3 2 1 V O V S L Q Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com - Điều chế độ rộng xung: giữ tần số tín hiệu xung không đổi nhưng thay đổi độ rộng xung làm thay đổi điện áp ra. - Điều chế tần số xung: giữ độ rộng xung không thay đổi nhưng thay đổi chu kỳ tín hiệu xung làm thay đổi điện áp ra. - Điều chế xung: vừa thay đổi độ rông xung, vừa thay đổi độ rộng xung. 1.3 Phân loại ổn áp xung: có 4 loại ổn áp xung - Ổn áp Buck: là loại ổn áp có điện áp trung bình ngõ ra nhỏ hơn ngõ vào. - Ổn áp Boost: là loại ổn áp có điện áp trung bình ngõ ra lớn hơn ngõ vào. - Ổn áp Buck_Boost: là loại ổn áp có điện áp ngõ ra lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp ngõ vào. - Ổn áp Cuk: là ổn áp có điện áp ngõ ra có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp ngõ vào nhưng cực tính ngược với điện áp ngõ vào. 1.4 Ổn áp xung kiểu Buck: Ổn áp Buck là loại điện áp trung bình ngõ ra nhỏ hơn điện áp ngõ vào, hoạt động theo phương pháp điều chế độ rộng xung. 1.4.1. Sơ đồ mạch: 1.4.2. Nguyên lý hoạt động: Q làm việc như một khóa điện tử, đóng hoặc mở với tần số không đổi. Xung điều khiển có tần số f do khối tạo xung nhịp tạo ra. Phần điều khiển thực hiện việc so sánh 2 2 Điều chế độ rộng xung K Lấy mẫu So sánh Tạo điện áp chuẩn Nguồn xung Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com điện áp ra với điện áp chuẩn, kết quả sự sai lệch đựơc khuếch đại lên. Mạch điều chế xung căn cứ vào sự sai lệch điện áp để điều chế độ rộng xung, tạo xung vuông có độ rộng thay đổi để đưa đến transistor điều khiển thời gian điều khiển của nó. Trong khoảng thời gian không tồn tại xung điều khiển, dòng ra được bảo đảm nhờ tụ C và cuộn cảm L. Gọi t x là thời gian mở của transistor chuyển mạch. Điện áp trung bình trên tải: ∫ = x t s dtv T v 0 0 1 = s x V T t ⇒ T t V V x s = 0 Vì: sx VVTt ≤≤⇒≤≤ 0 00 Vậy điện áp ra luôn nhỏ hơn điện áp vào. 1.4.3. Phương pháp tính toán ổn áp Buck: * Sơ đồ mạch: Hoạt động của mạch chia làm 2 mode: Mode 1: Ứng với thời gian BJT Q dẫn bão hòa ( 0 ≈ CEsat V ) Bắt đầu khi Q dẫn ở tại thời điểm bằng t = 0, nếu bỏ qua CEsat V thì ⇒= sD VV D tắt. Dòng ngõ vào chạy qua L, tụ C và tải. Điện áp qua L: dt di Le L L = Trong thời gian 1 t thì dòng cuộn dây tăng tuyến tính từ 21 II → : i L D Taûi V S i O I O Ñieàu khieån i C L I C C Q 2 1 3 V O - Taûi i C i O V S C I C + L i S = i L 3 3 Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 0 1 11 12 0 VV I Lt t I L t II LVVV s sL − ∆ =⇒ ∆ = − =−= (1.1) Mode 2: Trong khoảng thời gian t 2 . Bắt đầu khi Q tắt tại t = t 1 . Dòng qua L giảm đột ngột → xuất hiện suất điện động tự cảm có chiều như hình vẽ để chống lại sự giảm. Lúc này, D dẫn và L đóng vai trò là nguồn xả năng lượng từ trường qua L, C, D và tải. Dòng qua L giảm từ 21 II → cho đến khi Q dẫn trở lại trong chu kì kế tiếp. Điện áp ngang qua L: 0 2 22 12 0 V I Lt t I L t II LVV L ∆ =⇒ ∆ = − == (1.2) Từ (1) và (2) ta có: )( 0000 21 VVV VIL V I L VV I LttT s s s − ∆ = ∆ + − ∆ =+= (1.3) Mà: k V V kV T T VV s sso =⇒== 00 Từ (3) suy ra: s s s s s V V V VV fLV VVV L T I )1( 1 )( . 0 0 00 − = − =∆ fL kVk I s )1( − =∆ (1.4) I ∆ : độ gợn dòng đỉnh - đỉnh của cuộn L I ∆ càng bé thì dòng ra càng bằng phẳng Theo định luật Kirchoff’s: 0 iii CL += 0 iii CL ∆+∆=∆⇒ ; 0 i ∆ : dòng gợn sóng trên tải, rất nhỏ. 2 I ii CL ∆ =∆≈∆⇒ (1.5) V O - Taûi i C i O C I C D + L 4 4 Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com Dòng trung bình trên tụ: 42 1 2 0 I dt I T I T C ∆ = ∆ = ∫ (1.6) (1.6) Điện áp trên tụ: ∫ =+= )0()( 1 )( tvdtti C tv CCC Điện áp gợn sóng đỉnh-đỉnh của tụ: fC I dt I C dtti C vtvVV TT CCCC 84 1 )( 1 )0()( 2 0 2 0 0 ∆ = ∆ ==−=∆=∆ ∫∫ (1.7) Thay I ∆ từ (4) vào (7), ta được: LCf kVk V s C 2 8 )1( − =∆ (1.8) Từ (4) và (8) ta có thể chọn L, C nếu biết độ gợn dòng đỉnh - đỉnh của cuộn và độ gợn áp đỉnh - đỉnh của tụ bằng công thức sau: If kVk L s ∆ − = )1( (1.9) 0 2 8 )1( VLf kVk C s ∆ − = (1.10) 5 5 Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com * Dạng sóng: V o s V t L i 1 t 2 t 2 I 1 I t s i 2 I 1 I t C i 02 II − t 01 II − 0 vv C = 0 v t 6 6 Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 0 i 0 I t 2 Các thành phần của mạch: 2.1 Vi mạch định thời IC 555: IC 555 gồm 2 mạch khuếch đại thuật toán SS1, SS2 thực hiện chức năng so sánh, một RS Flip Flop, 1 BJT Q 1 và 3 điện trở R có giá trị 5K, 1 cổng NOT. Sơ đồ vi mạch định thời IC555: RSFF Q1 RE 4 + - 8 2 5 R 5K R 6 3 7 + - S Q R 5K 1 R 5K Chân 1: chân mass. Chân 2: chân kích khởi ( trigger ). Chân 3: chân ngõ ra. Chân 4: chân Reset: “0” cấm, “1” cho phép mạch làm việc. Chân 5: chân điều khiển bằng điện thế. Nếu không dùng thì nối qua tụ 0.01μF tới mass. Chân 6: chân ngưỡng (chân thềm). Chân 7: chân ngõ ra phụ. 7 7 Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com Chân 8: nguồn Vcc, bộ Opamp SS2 có mức ngưỡng điện thế là 2/3Vcc, bộ SS1 có điện thế ngưỡng là 1/3Vcc. Bảng trạng thái: S R Q 0 0 Q o 0 1 0 1 0 1 1 1 x 2.2 Mạch dao động đa hài không trạng thái bền dùng IC555: a. Sơ đồ mạch và dạng sóng: C v CC V 3 2 CC V 3 1 1 t 2 t 3 t t out V 1log ic V t b. Nguyên lý hoạt động: Đây là mạch dao động đa hài có 2 trạng thái nhưng cả 2 trạng thái đều không bền. Nhờ có sự thay đổi điện áp trên tụ C mà mạch luôn tự động chuyển đổi trạng thái và luôn tạo độ dài xung ra. * 0 ≤ t < t 1 : giả sử mạch ở trạng thái không bền ban đầu. Ngõ ra 0 V = 1 0 =⇒ RSFF Q , BJT Q 1 tắt: không có dòng đổ qua BJT Q 1 ⇒ tụ C được nạp điện từ nguồn Vcc qua điện 8 8 IC 555R2 C Vout U3 2 5 3 7 6 4 81 TR CV Q DIS THR R VCCGND Vcc 0.01uF D R1 Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com trở R 1 qua Diode D với chiều như hình vẽ để hướng đến giá trị CC V . Tụ càng nạp thì điện áp trên tụ càng tăng ( C v tăng ) cho đến khi áp trên tụ CCC Vvvv 3 2 ≥== )2()6( . Lúc đó: 01 1: 0: 0 2 1 =⇒=⇒ =→> =→> −+ +− vQ SvvSS RvvSS Mạch chấm dứt thời gian tồn tại trạng thái không bền ban đầu và chuyển sang trạng thái không bền thứ 2. * 1 t ≤ t < 2 t : Tại thời điểm t = t 1 : mạch tồn tại ở trạng thái không bền thứ 2. Q =1, 0 v = 0. Vì Q = 1 nên BJT Q 1 dẫn → tụ C xả điện tích qua R 2 → chân số 7 → BJT Q 1 → mass. Tụ càng xả thì điện áp trên tụ càng giảm → điện áp tại chân số 2 và chân số 6 cùng giảm xuống. Khi điện áp trên tụ C giảm đến giá trị CCCCC VvV 3 2 ≤ ≤ 3 1 thì ta có: 0: 0: 2 1 =⇒> =⇒> +− +− SvvSS RvvSS ⇒ Q vẫn giữ nguyên trạng thái cũ trước đó (Q = 1) ⇒ do đó tụ C tiếp tục xả cho đến khi CCC Vv 3 1 ≤ (điện thế ngưỡng của bộ SS1), mà )2()6( == vvv C nên suy ra: 0: 1: 2 1 =⇒> =⇒< +− +− SvvSS RvvSS 10 0 =⇒=⇒ vQ Mạch chấm dứt thời gian tồn tại ở trạng thái không bền thứ 2 và bắt đầu chuyển sang trạng thái không bền ban đầu. Vì Q = 0 ⇒ BJT Q 1 tắt ⇒ không có dòng đổ qua BJT Q 1 → tụ C được nạp điện bổ sung (vì nó vẫn còn giữ Vcc 3 1 do điện thế ở chân số 2 chặn trên) và quá trình cứ tiếp diễn như vậy để liên tục tạo độ dài xung ra. c.Tính độ dài xung ra: Gọi: 1 T là thời gian ứng với ngõ ra o v = 1 2 T là thời gian ứng với ngõ ra o v = 0 T là chu kì dao động của mạch : T = 1 T + 2 T * Tính 1 T : Phương trình nạp của tụ C: [ ] )0(1)0()()( 1 C t CCC vevvtv +         −−∞= τ − 9 9 Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com với v C (0) = 3 1 V CC , v C (∞) = V CC CC t CCC VeVtv 3 1 1 3 2 )( 1 +         −=⇒ τ − Khi t = 1 T : CCC VTv 3 2 =)( 1 CC T CCCC VeVV 3 1 1 3 2 3 2 1 1 +         −=⇒ τ − 2ln2ln 2 1 2 1 1 111 1 1 1 1 CRTee TT =τ=⇒=⇒=−⇒ τ − τ − Vậy thời gian nạp của tụ là 11 7,0 CRT = (2.1) * Tính 2 T : Phương trình xả của tụ C: [ ] )()()0()( 2 ∞+∞−= τ − C t CCC vevvtv với v C (0) = 3 2 V CC , v C (∞) = 0 2 3 2 )( T t CCC eVtv − =⇒ Khi t = 2 T thì CCC VTv 3 1 )( 2 = 22 7,0 3 2 3 1 2 2 CRTeVV T CCCC =⇒=⇒ τ − Vậy thời gian xả của tụ C là 22 7,0 CRT = (2.2) T = 1 T + 2 T = 0,7C ( 21 RR + ) Vậy chu kỳ dao động là T = 0,7C ( 21 RR + ) (2.3) 2.3 Mạch dao động đa hài 1 trạng thái bền dùng IC555: a.Sơ đồ mạch và dạng sóng: i v CC V CC V 3 1 t 1 t C v CC V 3 2 10 10 Vcc R Vi U3 2 5 3 7 6 4 81 TR CV Q DIS THR R VCCGND Vout C 0.01uF [...]... (2.7) 16 Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 17 PHẦN B : PHẦN TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Yêu cầu : 17 Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 18 * Điện áp vào: V DC = 25v ± 30% * Điện áp ra: V0 = 12v * Độ gợn dòng đỉnh_đỉnh: ΔI = 0,01A * Độ gợn áp đỉnh_đỉnh: ΔV = 0,01v * Dòng trung bình: I 0 = 10A * Tần số làm việc: f = 12 kHz * Dùng IC555 để... chục nF đến 1μF relay 13 Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 14 R : vài chục Ω đến 100Ω b Mạch bảo vệ dưới áp và quá áp: Khi điện áp vào nằm trong phạm cho phép thì Q1 ,Q2 tắt Relay không có dòng điện, tiếp điểm Relay đóng Mạch hoạt động bình thường Nếu áp vào tăng làm cho DZa đến ngưỡng dẫn → Qa dẫn → Q1 dẫn → Relay tác động ngắt mạch Nếu áp vào giảm xuống, làm cho... dẫn → Relay tác động ngắt mạch DZa Qa DZb Qb Q2 vS 2.7 Mạch cấp nguồn: Khi áp vào tăng thì: VbeQ = const ⇒ V0 = const V0 = V DZ + Vγ + VbeQ ≈ V DZ q d + Tụ C để ổn định điện áp và chống nhiễu c DZ 2.8 Tính công suất tiêu tán của Transistor chuyển mạch: I C max VCes t TR Tsat TF T0 14 Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 15 Trong quá trình chuyển mạch, do có tính trễ nên... SCR khi ngắn mạch * R5 ,C1 : mạch có tác dụng hạn chế kích dẫn cho SCR * R6 , D2 , D z1 , Q3 : cấp nguồn cho các mạch hoạt động * D2 : bù nhiệt cho D z1 * R6 : định thiên dòng cho diode D z1 * C8 : tụ lọc nguồn, tránh nhiễu, ổn định điện áp 18 Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 19 * D1 : bảo vệ cho SCR * R7 , R8 , VR2 , C 2 : xác định thời hằng cho mạch Astable... 1 − e 36, 4  = 11,86V     Khi VS max = 32,5V thì áp đưa về là: − 30   V A = VC 5 (t x min ) = 15 1 − e 36,4  = 8,42V     * Mạch OP_AMP đệm đưa về điều khiển ICMonotable: Tổng trở ra của OP_AMP khoảng 75Ω Vout(opamp) Vcc IC555 5k 75k A 5 10k Từ sơ đồ tương đương ,ta có phương trình điện áp nút tại A là: 29 Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 30 VCC − V... xung TÁC DỤNG CỦA CÁC LINH KIỆN * Rsa ,VRa : phân áp, chọn điện áp ngưỡng * D za : làm cho mạch chuyển đổi trạng thái nhanh * Qa ,Q1 : bảo vệ quá áp * K: công tắc Reset * Qb ,Q2 : bảo vệ dưới áp * R a , R 3 : điện trở tăng tốc độ chuyển đổi trạng thái ' * Rsb , Rb , D zb , R2 , R3 ,VRb : tương tự như mạch bảo vệ quá áp * Relay : Đóng ngắt mạch điện * R4 : điện trở hạn dòng cho SCR * R g : lấy áp kích... chuyển mạch * D5 : đảm bảo cho Q6 dẫn bão hoà * R15 : tăng tốc độ chuyển đổi * L,C 6 : mạch lọc, tích luỹ năng lượng trong thời gian Q5 , Q6 dẫn để cung cấp năng lưọng cho mạch khi Q5 , Q6 tắt * R16 , D6 , D z 2 : tạo điện áp chuẩn để đưa đến mạch so sánh * R21 ,VR3 , R22 : lấy mẫu tín hiệu ra để đưa đến mạch so sánh * VR3 : thay đổi điện áp chuẩn * R17 , R18 , R19 , R20 , µ A741(1) : mạch so sánh *... toán bộ so sánh sao cho: Khi Vo = 8,4V thì đưa về 11,86V Khi Vo = 12V thì đưa về 10V Khi Vo = 15,6V thì đưa về 8,42V (**) 30 Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 31 c Tính toán mạch so sánh: N R19 P Vlm Vch R18 R17 R20 Ta có phương trình điện áp nút tại N: vlm − V N vout − V N + = 0 R18 R19 ⇒ Mà: Chọn: ⇒ ⇒ ⇒ ⇒  1 vout v 1  = − lm + V N  R + R   R19 R18 19  ... logic 0 Tụ C4 được nạp từ Vcc qua R9 đến ngõ ra của mạch Astable Để mạch Monotable hoạt động tốt thì độ dài xung kích đưa vào chân số (2) của mạch Monotable phải nhỏ hơn thời gian tồn tại xung của mạch Monotable Phương trình nạp của tụ C4 là: − t   vC4 (t ) = VC4 (∞ ) − VC4 (0)  1 − e τ  + VC4 (0)   [ Vcc C4 R9 D4 ] 21 Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 22 Trong... C 7 = 0,22µ F / 50V 6 Mạch hồi tiếp: t Phương trình nạp của tụ C5: vC (t ) = VCC (1 − e − τ ) Với τ = C5 ( R10 + VR2 ) = 36,4µ s Khi t = tx thì điện áp trên tụ C5 cũng bằng điện áp ngưỡng chân (6) Do đó, lúc này trên chân (5) của IC555 cũng bằng đúng điện áp này Vậy ta phải tính toán sao cho khi áp vào đúng bằng 25V thì áp đưa về là 10V Tương tự, ta có: Khi VS min = 17,5V thì áp đưa về là: − 57   . vào. - Ổn áp Boost: là loại ổn áp có điện áp trung bình ngõ ra lớn hơn ngõ vào. - Ổn áp Buck_ Boost: là loại ổn áp có điện áp ngõ ra lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp ngõ vào. - Ổn áp Cuk: là ổn áp có điện. µπ − S lL 7 10.4 . (2.7) 16 16 Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com PHẦN B : PHẦN TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Yêu cầu : 17 17 Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com. việc so sánh 2 2 Điều chế độ rộng xung K Lấy mẫu So sánh Tạo điện áp chuẩn Nguồn xung Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com điện áp ra với điện áp chuẩn,