Nghiên cứu và thiết kế mạch DC-DC ( 10-24V)

CHƯƠNG NGHIÊN CỨU CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DC –DC VÀ CÁC PHẦN MỀM HỖ TRỢ 1.1 1.1.1 Nghiên cứu biến đổi DC-DC Khái quát biến đổi DC -DC Mục đích biến đổi DC–DC tạo điện áp chiều điều chỉnh để cung cấp cho phụ tải biến đổi Trong số trường hợp điện áp chiều tạo cách chỉnh lưu từ lưới điện có điện áp biến thiên liên tục Bộ biến đổi DC-DC thường sử dụng yêu cầu điều chỉnh công suất nguồn chiều, ví dụ máy tính, thiết bị đo lường, thông tin liên lạc, nạp điện cho ắc quy biến dởi DC –DC sử dụng để điều chỉnh tốc độ động chiều Các biến đổi DC –DC biến đổi xung biến đổi góc phần tư, hai góc phần tư bốn góc phần tư Bộ giảm áp Buck tăng áp Boost cấu trúc biến đởi góc phần tư Bộ biến đổi xung hai góc phần tư biến đổi xung đảo chiều dòng điện Ở biến đổi xung góc phần tư, giá trị trung bình điện áp chiều đầu giữ mức cần thiết kể có thay đổi bất thường điện áp đầu vào điện áp đầu tải, biến đổi xung làm việc góc phần tư thứ mặt phẳng tải Điện áp dòng điện có giá trị dương Vì biến đổi gọi biến đổi xung góc phần tư Bộ biến đổi xung hai góc phần tư có khả hoạt động hai góc phần tư mặt phẳng tải Do điện áp vào điện áp dương, nhiên dòng điện đầu vào dòng điện đầu dương âm Do số biến đổi có tên biến đổi xung đảo dòng Bộ biến đổi xung hai góc phần tư bao gồm hai biến đổi xung biến đổi xung tang áp biến đổi xung giảm áp Hình 1.1: Bộ biến đổi xung đảo dòng Bộ giảm áp bao gồm S1 D1, công suất cung cấp từ nguồn đến tải Bộ tăng áp gồm S2 D2 công suất chảy ngược nguồn Các biến đổi xung đảo dòng chuyển từ chế độ nguồn cung cấp sang chế độ tái sinh thuận lợi nhanh chóng tín hiệu điều khiển cho S1và S2 mà không cần chuyển mạch khí Trong biến đổi xung bốn góc phần tư không dòng điện âm dương mà điện áp âm dương Bộ biến đổi xung biến đổi cầu DC-DC Full-bridge, hình 1.2 Ưu điểm biến đổi điện áp trung bình đầu điều chỉnh độ lớn cực tính Một biến đổi xung bốn góc phần tư kết hợp hai biến đổi xung hai góc phần tư để có điện áp trung bình âm hay dòng điện trung bình âm Hình 1.2: Bộ biến đổi xung bốn góc phần tư Bộ biến đổi DC-DC biến đổi công suất bán dẫn, có hai cách để thực biến đổi DC-DC kiểu chuyển mạch: dùng tụ điện chuyển mạch dùng điện cảm chuyển mạch Dùng tụ điện chuyển mạch phải tạo nguồn dòng tín hiệu đầu vào với việc dùng điện cảm chuyển mạch đầu vào nguồn áp ta thấy dùng điện cảm chuyển mạch đơn giản tạo nguồn áp dẽ dàng tạo nguồn dòng, giải pháp dùng điện cảm chuyển mạch có ưu mạch công suất lớn Các biến đổi DC-DC cổ điển dùng điện cảm chuyển mạch bao gồm: buck (giảm áp) boost (tăng áp), buck-boost/inverting (đảo dấu điện áp) Hình 1.3 thể sơ đồ nguyên lý biến đổi Với cách bố trí điện cảm, khóa chuyển mạch, diode khác nhau, biến đổi thực mục tiêu khác nhau, nguyên tắc hoạt động dựa tượng trì dòng điện qua điện cảm Các bộ biến đổi DC-DC thường sử dụng hệ thống lượng tái tạo hệ thống quang điện, pin nhiên liệu ắc quy cá hệ thống gió bánh đà để chuyển đổi điện áp chiều thành điện áp phù hợp cho ứng dụng có biên độ thích hợp để chuyển đổi thành điện áp xoay chiều trược đưa vào lưới, DC-DC cách ly có tác dụng cách ly giảm tổn thất ta sử dụng biến áp xung 1.1.2 Phân loại sơ đồ biến đổi DC –DC Về nguyên lý, sơ đồ biến đổi DC- DC phân thành nhóm sau: 1.1.2.1 Sơ đồ biến đổi DC- DC không cách ly Với nhóm sơ đồ này, điện áp chiều tạo nhờ việc phóng nạp tụ điện từ dòng điện qua cuộn cảm L cung cấp nguồn cấp Điện áp chiều đầu thay đổi nhờ có việc phóng nạp thay đổi van công suất mắc hợp lý tuỳ thuộc vào sơ đồ Các sơ đồ phổ biến theo nguyên lý gồm có: - Sơ đồ biến đổi Buck - Sơ đồ biến đổi Boots - Sơ đồ biến đổi Buck- Boots Sơ đồ biến đổi DC- DC không cách ly có ưu điểm mạch đơn giản, giá thành thấp không cách ly nguồn đầu vào nguồn đầu nên có nhược điểm dễ bị nhiễu tải tác động ngược lại nguồn đầu vào thiết bị mạch, công suất hạn chế, chất lượng đầu không cao Vì vậy, sơ đồ biến đổi DC- DC sử dụng ứng dụng công suất nhỏ, không cần chất lượng cao 1.1.2.2 Sơ đồ biến đổi DC- DC có cách ly Với nhóm sơ đồ này, điện áp chiều đầu vào biến đổi thành điện áp xoay chiều cao tần biên độ điện áp xoay chiều nâng lên qua biến áp xung Sau qua hệ thống lọc LC cho ta điện áp chiều với biên độ mong muốn Các sơ đồ phổ biến theo nguyên lý gồm có: - Sơ đồ biến đổi FlyBack - Sơ đồ biến đổi Push- Pull - Sơ đồ biến đổi Half- Bridge - Sơ đồ biến đổi Full- Bridge Do nguồn đầu vào nguồn đầu có cách ly nhờ sử dụng biến áp xung nên có ưu điểm hạn chế nhiễu tải tác động ngược lại nguồn đầu vào thiết bị mạch, tăng/ giảm mức điện áp đầu cách dễ dàng, công suất lớn Tuy nhiên có số nhược điểm làm tăng kích thước mạch, tang giá thành, vấn đề điều khiển trở nên khó khăn hơn, tránh xảy tượng bão hòa từ biến áp xung Vì vậy, sơ đồ biến đổi DC- DC có cách ly sử dụng cho ứng dụng có công suất lớn, chất lượng cao, yêu cầu phải có cách ly 1.1.3 Một số biến đổi DC-DC 1.1.3.1 Bộ biến đổi BUCK thường dùng Nguyên tắc hoạt động: Bộ giảm áp tạo điện áp DC đầu nhỏ điện áp đầu vào, việc điều khiển khóa chuyển mạch đơn giản, đóng mở khóa theo chu kỳ kết tạo điện áp DC đầu nhỏ đầu vào Bộ buck converter thông thường để điều chỉnh điện áp nguồn cung cấp chất lượng cao mạch nguồn máy tính thiết bị đo lường Bộ buck converter sử dụng để điều chỉnh tốc độ động chiều cách thay đổi điện áp phần ứng Hình 1.3: (a) Bộ biến đổi Buck (b) Điện áp dòng qua cuộn cảm Bộ biến đổi buck hoạt động theo nguyên tắc sau: khóa (van) đóng, điện áp chênh lệch ngõ vào ngõ đặt lên điện cảm, làm dòng điện điện cảm tăng dần theo thời gian Khi khóa (van) ngắt, điện cảm có khuynh hướng trì dòng điện qua tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận Điện áp đặt vào điện cuộn cảm lúc ngược dấu với khóa (van) đóng có độ lớn điện áp ngõ cộng với điện áp rơi diode, khiến cho dòng điện qua điện cảm giảm dần theo thời gian Tụ điện ngõ có giá trị đủ lớn để dao động điện áp ngõ nằm giới hạn cho phép Ở trạng thái xác lập, dòng điện qua điện cảm thay đổi tuần hoàn, với giá trị dòng điện cuối chu kỳ trước với giá trị dòng điện đầu chu kỳ sau Xét trường hợp dòng điện tải có giá trị đủ lớn để dòng điện qua điện cảm liên tục Vì điện cảm không tiêu thụ lượng (điện cảm lý tưởng), hay công suất trung bình điện cảm 0, dòng điện trung bình điện cảm khác 0, điện áp rơi trung bình điện cảm phải Gọi T chu kỳ chuyển mạch (switching cycle), T1 thời gian đóng khóa (van), T2 thời gian ngắt khóa (van) Như vậy, T = T + T2 Giả sử điện áp rơi diode, dao động điện áp ngõ nhỏ so với giá trị điện áp ngõ vào ngõ Khi đó, điện áp rơi trung bình điện cảm đóng khóa (van) (T1/T)×(Vin − Vout), điện áp rơi trung bình điện cảm ngắt khóa (van) là−(T2/T)×Vout Điều kiện điện áp rơi trung bình điện cảm biểu diễn là: (T1/T)×(Vin − Vout) − (T2/T)×Vout = Hay : (T1/T)×Vin − ((T1 + T2)/T)×Vout = 0, (T1/T)×Vin = Vout Giá trị D = T1/T thường gọi chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle) Như vậy, Vout = Vin×D D thay đổi từ đến (không bao gồm giá trị 1), < V out < Vin Với biến đổi buck, vấn đề thường đặt sau: cho biết phạm vi thay đổi điện áp ngõ vào Vin, giá trị điện áp ngõ V out, độ dao động điện áp ngõ cho phép, dòng điện tải tối thiểu Iout,min, xác định giá trị điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch phạm vi thay đổi chu kỳ nhiệm vụ, để đảm bảo ổn định điện áp ngõ Phạm vi thay đổi điện áp ngõ vào giá trị điện áp ngõ xác định phạm vi thay đổi chu kỳ nhiệm vụ D: Dmin = Vout/Vin,max, Dmax = Vout/Vin,min Bộ biến đổi có hai chế độ hoạt động chế độ hoạt động liên tục chế độ gián đoạn, chế độ liên tục dòng điện qua cuộn cảm lớn không yêu cầu cuộn cảm phải có giá trị lớn, chế độ gián đoạn chế độ mà dòng điện qua cuộn cảm lớn không Thông thường, biến đổi buck nên làm việc chế độ dòng điện liên tục qua điện cảm Tại biên chế độ dòng điện liên tục gián đoạn, độ thay đổi dòng điện lần dòng điện tải Như vậy, độ thay đổi dòng điện cho phép lần dòng điện tải tối thiểu Điện cảm phải đủ lớn để giới hạn độ thay đổi dòng điện giá trị điều kiện xấu nhất, tức D = Dmin (vì thời gian giảm dòng điện T2, với điện áp rơi không thay đổi Vout) Một cách cụ thể, có đẳng thức sau: (1 − Dmin)×T×Vout = Lmin×2×Iout,min Hai thông số cần lựa chọn Lmin T Nếu chọn tần số chuyển mạch nhỏ, tức T lớn (T = 1/f, f tần số chuyển mạch), Lmin cần phải lớn Thành phần xoay chiều dòng điện qua điện cảm qua tụ điện ngõ Với dòng điện qua điện cảm có dạng tam giác, điện áp tụ điện ngõ đoạn đa thức bậc hai nối với (xét chu kỳ chuyển mạch) Lượng điện tích nạp vào tụ điện dòng điện qua điện cảm lớn dòng điện trung bình ΔI×T/2 Nếu biểu diễn theo điện dung điện áp tụ điện lượng điện tích C×ΔV Trong đó, ΔI biên độ thành phần xoay chiều dòng điện qua điện cảm, ΔV độ thay đổi điện áp tụ nạp (cũng xả, xét trạng thái xác lập) Như vậy, xác định giá trị tụ điện dựa vào đẳng thức sau: ΔI×T/2 = C×ΔV ΔI xác định trên, lần dòng điện tải tối thiểu, T chọn bước trước Tùy theo giá trị độ dao động điện áp ngõ cho phép ΔV mà chọn giá trị C cho thích hợp 1.1.3.2 Bộ biến đổi Boost Nguyên tắc hoạt động: Bộ boost converter có tác dụng điều chỉnh điện áp đầu lớn điện áp đầu vào Vì boost converter gọi tăng áp Điện áp DC đầu vào mắc nối tiếp với cuộn cảm lớn có vai trò nguồn dòng Một khóa chuyển mạch mắc song song với nguồn dòng đóng mở theo chu kỳ Năng lượng cung cấp từ cuộn cảm nguồn làm cho điện áp đầu tăng lên Boost converter thường sử dụng để điều chỉnh điện áp nguồn cung cấp hãm tái sinh động DC Hình 1.4: Mạch boost Hình 1.5: Mạch boost với khóa trạng thái đóng (a) mở (b) Hình 1.6: Điện áp dòng điện biến đổi chế độ liên tục Bộ biến đổi boost hoạt động theo nguyên tắc sau: khóa (van) đóng, điện áp ngõ vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện điện cảm tăng dần theo thời gian Khi khóa (van) ngắt, điện cảm có khuynh hướng trì dòng điện qua tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận Ở điều kiện làm việc bình thường, điện áp ngõ có giá trị lớn điện áp ngõ vào, điện áp đặt vào điện cảm lúc ngược dấu với với khóa (van) đóng, có độ lớn chênh lệch điện áp ngõ điện áp ngõ vào, cộng với điện áp rơi diode Dòng điện qua điện cảm lúc giảm dần theo thời gian Tụ điện ngõ có giá trị đủ lớn để dao động điện áp ngõ nằm giới hạn cho phép Tương tự trường hợp biến đổi buck, dòng điện qua điện cảm thay đổi tuần hoàn điện áp rơi trung bình điện cảm chu kỳ dòng điện qua điện cảm liên tục (nghĩa dòng điện tải có giá trị đủ lớn) Gọi T chu kỳ chuyển mạch (switching cycle), T1 thời gian đóng khóa (van), T2 thời gian ngắt khóa (van) Như vậy, T = T + T2 Giả sử điện áp rơi diode, dao động điện áp ngõ nhỏ so với giá trị điện áp ngõ vào ngõ Khi đó, điện áp rơi trung bình điện cảm đóng khóa (van) (T1/T)×Vin, điện áp rơi trung bình điện cảm ngắt khóa (van) (T2/T)×(Vin − Vout) Điều kiện điện áp rơi trung bình điện cảm biểu diễn là: (T1/T)×Vin + (T2/T)×(Vin − Vout) = Hay: (T1/T + T2/T)×Vin − ( T2/T)×Vout = ⇔ Vin = (T2/T)×Vout Với cách định nghĩa chu kỳ nhiệm vụ D = T1/T, T2/T = − D, ta có : Vin = (1 − D)×Vout Hay: Vout = Vin/(1 − D) D thay đổi từ đến (không bao gồm giá trị 1), < Vin < Vout Tương tự với biến đổi buck, toán thường gặp sau: cho biết phạm vi thay đổi điện áp ngõ vào V in, giá trị điện áp ngõ Vout, độ dao động điện áp ngõ cho phép, dòng điện tải tối thiểu I out,min, xác định giá trị điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch phạm vi thay đổi chu kỳ nhiệm vụ, để đảm bảo ổn định điện áp ngõ Phạm vi thay đổi điện áp ngõ vào giá trị điện áp ngõ xác định phạm vi thay đổi chu kỳ nhiệm vụ D: D = − Vin,max/Vout, Dmax = − Vin,min/Vout Lý luận tương tự với biến đổi buck, độ thay đổi dòng điện cho phép lần dòng điện tải tối thiểu Trường hợp xấu ứng với độ lớn điện áp trung bình đặt vào điện cảm khóa (van) ngắt đạt giá trị lớn nhất, tức hàm số Vin/Vout×(Vin − Vout) đạt giá trị nhỏ D thay đổi từ D đến Dmax (chú ý hàm số có giá trị âm khoảng thay đổi D) Gọi giá trị 10 1.2.1.2 Các đối tượng phần mềm - Với ưu điểm trên, phần mềm TINA công cụ vô đắc lực hỗ trợ cho kỹ sư thiết kế mạch điện tử, nhà sản xuất mạch - in Phần mềm hỗ trợ mô tương tự mô số nên giảng - viên đánh giá cao môi trường nghiên cứu trường đại học Bên cạnh đó, phần mềm công cụ giúp cho sinh viên, nghiên cứu sinh ngành điện tử viễn thông tiếp cận với việc mô mạch điện tử, - thiết kế mạch in cách trực quan dễ dàng Hiện nay, nhà sản xuất DesignSoft thương mại hoá nhiều phiên TINA khác với giá thành khác để phục vụ cho đối tượng khác nhau… 1.2.1.3 Giao diện phần mềm Để bắt đầu chương trình TINA, bạn làm theo cách sau:   Từ Start chọn: Start -> Programs -> Tina -> Tina.exe Bấm vào Biểu tượng Desktop: Sau khởi động, giao diện chương trình xuất hiện: Hình 1.16: Giao diện chương trình Chúng ta vào chi tiết lệnh Thanh công cụ 14 Khi nút nhấn vào, bạn sử dụng trỏ để di chuyển linh kiện, dây nối chữ, thuận lợi việc xếp lại sơ đồ nguyên lý theo ý muốn Lấy thêm linh kiện trước mà bạn chọn với tham số Sử dụng nút lệnh để vẽ dây nối cho sơ đồ nguyên lý Thêm thích vào sơ đồ nguyên lý hay kết phân tích Cho phép cắt dây dẫn chéo qua nối với Đảo chiều góc 900 linh kiện lựa chọn Lấy đối xứng linh kiện lựa chọn Phím tắt: [CTRL-L] [*] Hiển thị cửa sổ dạng lưới không Phóng to sơ đồ nguyên lý để nhìn rõ linh kiện Bạn thay đổi tỷ lệ phóng to theo ý muốn từ 10% đến 200% Lựa chọn danh sách Chế độ Mô phỏng: Chế độ DC Chế độ AC 15 Chế độ mô tức thời lặp lại liên tục Chế độ mô tức thời không lặp lại Bạn điều chỉnh thời gian mô phần Analysis Transient Chế độ Số Chế độ VHDL Nếu nút lệnh chọn, chương trình cho phép hiển thị trình trạng lỗi linh kiện, ta thay đổi tình trạng lỗi linh kiện Thuộc tính (Properties Editor) Chuyển đổi sơ đồ nguyên lý sang dạng chiều chiều Phím nóng: [F6] Đây đặc điểm bật phần mềm TINA phiên mà phiên cũ hay phần mềm khác thực Ở chế độ này, linh kiện hiển thị cách sống động, giúp người sử dụng quan sát mạch trực quan Chuyển sơ đồ nguyên lý trực tiếp sang mạch in Tìm kiếm linh kiện Một hộp thoại Tìm kiếm lên cho phép bạn tìm linh kiện theo tên mong muốn Tuy nhiên chương trình có hạn chế trước hình dạng linh kiện mà ta lựa chọn nên gây nhiều khó khăn cho người sử dụng Bạn lựa chọn linh kiện danh sách Đây danh sách linh kiện đầy đủ chương trình 1.2.2 SimPower Systems 1.2.2.1 Giới thiệu chung 16 Sim Power Systems công cụ thiết kế đại cho phép nhanh chóng dễ dàng mô hệ thống điện thao tác đơn giản nhấp kéo Sim Power Systems cho phép bạn xây dựng mô mạch điện có thành phần tuyến tính phi tuyến Sử dụng môi trường Simulink đển mô điện, cơ,… Tương tác với môn kỹ thuật khác: khí, điện, nhiệt,… Thư viện chứa thiết bị điện tiêu biểu: máy biến áp, đường dây, động cơ, điện tử công suất, … 1.2.2.2 Chức - Mô tính toán chế độ xác lập hệ thống điện - Mô độ, làm gián đoạn mạch điện đơn giản - Mô điều khiển tốc độ động - Phân tích đáp ứng tĩnh miền tần số - Phân tích trạng thái ổn định 1.2.3 Một số thư mục thường dùng SimPower Systems 1.2.3.1 Thư mục Power Electronics Các van bán dẫn: Điôt 1.2.3.2 GTO Thyristor IGBT Công tắc lý tưởng MOSFET Chỉnh lưu cầu Nghịch lưu mức Thư mục nguồn Electrical Sources 17 Nguồn áp chiều Nguồn áp xoay chiều Nguồn dòng xoay chiều Nguồn áp pha lập trình Nguồn áp pha Nguồn dòng AC DC điều khiển tín hiệu đưa vào cổng s khối Nguồn áp AC DC điều khiển tín hiệu đưa vào cổng s khối 1.2.3.3 Thư mục Elements Điểm trung tính Tải RLC nối tiếp pha Tải RLC nối tiếp pha Tải RLC song song pha Tải RLC song song pha Biến áp pha nhiều cuộn thứ cấp Biến áp pha có hay hai cuộn thứ cấp tùy chọn Biến áp ba pha ba trụ hai cuộn thứ cấp Biến áp ba pha ba trụ cuộn thứ cấp biến áp pha cuộn thứ cấp 1.2.3.4 Thư viện phần tử đo Measurements Phần tử đo áp Phần tử đo dòng 18 Phần tử đo tổng trở Phần tử đo đa điểm Phần tử đo ba pha Thư viện máy điện Machines Có đầy đủ loại máy điện với tham số máy gài sẵn 1.2.3.5 đại lượng máy điện như: tốc độ, dòng điện phần tĩnh động, momen động cơ… CHƯƠNG THIẾT KẾ MẠCH LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 19 Áp dụng nguyên lí chuyển đổi DC trên, phạm vi đồ án ta thiết kế tính toán mạch biến đổi từ điện áp chiều 10(V) lên điện áp chiều 24(V) Yêu cầu thông số mạch biến đổi sau: - Điện áp vào: 10(V) Điện áp ra: 24(V) - Phạm vi điều chỉnh = (0.2 - 0.8) Dòng điện tải lớn toàn dải điều chỉnh It = A Với yêu cầu vậy, em sử dụng mạch boost để tăng điện áp Mạch boost hoạt động theo chu kì xung đưa vào đóng ngắt tranzito Sơ đồ khối mạch sau: MẠCH TẠO XUNG ĐIỆN ÁP VÀO HìnhMẠCH 2.1 Sơ đồ khối mạch BOOST ĐIỆN ÁP RA 2.1 Thiết kế khối tạo xung Mạch tạo xung có nhiệm vụ tạo xung để đóng ngắt transistor cách nhịp nhàng Có nhiều phương án tạo xung vuông dùng mạch đa hài, dùng IC 555, dùng mạch dao động nghẹt… Trong đồ án, em lựa chọn mạch dao động dùng IC 555 mạch tương đối đơn giản, cần IC 555 với linh kiện khác tạo đầu xung chữ nhật đáp ứng yêu cầu toán 2.1.1 Giới thiệu IC 555 IC thời gian 555 du nhập vào năm 1971 công ty Signetics Corporation dòng sản phẩm SE555/NE555 gọi máy thời gian loại có Nó cung cấp cho nhà thiết kế mạch điện tử với chi phí tương đối rẻ, ổn định mạch tổ hợp cho ứng dụng cho đơn ổn không ổn định Từ thiết bị làm với tính thương mại 20 hóa 10 năm qua số nhà sản suất ngừng sản suất loại IC cạnh tranh lý khác Tuy công ty khác lại sản suất dòng IC 555 sử dụng phổ biến mạch tạo xung, đóng cắt mạch dao động khác 2.1.2 Cấu tạo nguyên 2.1.2.1 Sơ đồ chân lý hoạt động IC 555 NE 555 Hình 2.2: Sơ đồ chân IC định thời 555 2.1.2.2 Sơ đồ khối Hình 2.3: Sơ đồ khối IC định thời 555 2.1.2.3 Sơ đồ nguyên lí NE555: 21 Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lí NE555 2.1.2.4 Chức chân 555 + Chân số 1(GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân gọi chân chung + Chân số 2(TRIGGER): Đây chân đầu vào thấp điện áp so sánh dùng chân chốt hay ngõ vào tần số áp.Mạch so sánh dùng transitor PNP với mức điện áp chuẩn 2/3Vcc + Chân số 3(OUTPUT): Chân chân dùng để lấy tín hiệu logic Trạng thái tín hiệu xác định theo mức 1 mức cao tương ứng với gần Vcc (PWM=100%) mức tương đương với 0V mà thực tế mức ko 0V mà khoảng từ (0.35 ->0.75V) + Chân số 4(RESET): Dùng lập định mức trạng thái Khi chân số nối masse ngõ mức thấp Còn chân nối vào mức áp cao trạng thái ngõ tùy theo mức áp chân 6.Nhưng mà mạch để tạo dao động thường hay nối chân lên VCC + Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn IC 555 theo mức biến áp hay dùng điện trở cho nối GND 22 Chân không nối mà để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF tụ lọc nhiễu giữ cho điện áp chuẩn ổn định + Chân số 6(THRESHOLD) : chân đầu vào so sánh điện áp khác dùng chân chốt + Chân số 7(DISCHAGER) : xem chân khóa điện tử chịu điều khiển bỡi tầng logic chân Khi chân mức áp thấp khóa đóng lại.ngược lại mở Chân tự nạp xả điện cho mạch R-C lúc IC 555 dùng tầng dao động + Chân số (Vcc): Không cần nói bít chân cung cấp áp dòng cho IC hoạt động Không có chân coi IC chết Nó cấp điện áp từ 2V >18V (Tùy loại 555 thấp NE7555) 2.1.3 Thiết kế mạch tạo xung 2.1.3.1 Sơ đồ nguyên lí mạch tạo xung dung IC555 Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lí mạch tạo xung dùng IC 555 Dạng xung đầu mạch: T T1 T2 23 Hình 2.4: Dạng xung đầu mạch tạo xung Công thức tính thông số xung: Chu kì xung (T): - T=T1+T2 Trong đó: T – Chu kì xung (s) T1 – Thời gian tích cực xung (s) T2 – Thời gian xung (s) Công thức tính T1 T2: T1 = 0.7×(R1+R2)×C1 T2 = 0.7×R2×C1 - Suy ra: Tần số xung (f): - (Hz) 2.2 2.2.1 Thiết kế tính toán cho toàn mạch Thiết kế mạch nguyên lý Yêu cầu toán tăng điện áp DC từ 10V lên 24V, sử dụng mạch boost Mạch boost điều khiển xung mạch tạo xung tạo Sơ đồ nguyên lí toàn mạch hình 2.5 24 Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lí toàn mạch 2.2.2 Tính toán cho mạch tạo xung  Tính toán độ rộng xung Như phân tích trên, ta có mối liên hệ điện áp điện áp vào là: Vout = Vin/(1 − D) => D = - Vin/Vout D - chu kì nhiệm vụ xung đóng ngắt tranzito Yêu cầu đề tài điện áp vào Vin = 10V, Vout = 24V Suy mạch tạo xung tạo xung vuông có chu kì nhiệm vụ D = - = Chọn R1 = 2K, R2 = 5K Tính toán tần số xung Đối với mạch boost, xung liên hệ theo công thức: 25 (1 − Dth)×T×(Vin,th − Vout) = Lmin×2×Iout,min (**) Dth - giá trị tới hạn chu kì nhiệm vụ (độ rộng xung) Ta có: Dth = D = 7/12; Vin,th = 10V; It = 5A Suy giá trị chu kì T độ tự cảm cực tiểu cuộn dây Lmin phải thoả mãn đẳng thức (**) Do ta có: Thay số ta có: Mặt khác, trình đóng/ngắt, transistor phải trải qua giai đoạn chuyển hai trạng thái, sinh tổn thất công suất Điều có nghĩa tần số làm việc lớn (càng có nhiều lần đóng/ngắt linh kiện đơn vị thời gian) tổn thất chuyển mạch lớn, lý khiến tần số làm việc mạch bị giới hạn Nhưng việc nâng cao tần số làm việc giúp giảm kích thước khối lượng linh kiện, tăng mật độ công suất Chọn tần số xung nhịp giá trị trung bình f=10Khz thoả mãn yêu cầu Từ ta có giá trị tụ C1: Tính giá trị tụ C1: => Chọn giá trị tụ C1=10nF 2.2.3 Tính toán mạch lực 2.2.3.1 Tính toán giá trị cuộn cảm - Điện cảm tối thiểu để đảm bảo chế độ dòng liên tục tương ứng với = là: 26 L > = = 0.896 (mH) - Điện cảm cần thiết để đảm bảo độ dao động dòng điện tải với = 0.8 mức 15% dòng tải I = 0.15 * = 0.75(A): L= = 0.8 = 1.06 (mH) Chọn cuộn cảm: L = (mH) 2.1.2 Tính toán giá trị tụ điện Tính tụ điện C với = 0.8 độ dao động điện áp 10% Vout: Uc = 0.1*24 = 2.4 (V) C= = = 0.167 (mF) Chọn tụ điện: C = 0.2 (mF) 2.2.3.3 Diode - Dòng trung bình lớn qua diode: ID = IL – Iv = It - It = It = 5(A) Chọn diode 1N4148 với : • • Tần số đóng cắt tối đa : 4ns Điện áp max :100 V 2.2.3.4 Van đóng mở Mosfet - Dòng điện trung bình lớn qua van: Ivmax = It = = 20 (A) 27 Chọn van MOSFET IRF540 với thông số: • • Dòng điện tối đa cho phép IDmax = 28 (A) Công suất phát nhiệt tối đa PDmax= 100 (W) • • Điện trở DS dẫn RDS = 0.077 ( ) Điện áp đánh thủng DS UDSmax = 100 (V) 28 [...]... kì xung (T): - T=T1+T2 Trong đó: T – Chu kì xung (s) T1 – Thời gian tích cực của xung (s) T2 – Thời gian xung bằng 0 (s) Công thức tính T1 và T2: T1 = 0.7×(R1+R2)×C1 T2 = 0.7×R2×C1 - Suy ra: Tần số xung (f): - (Hz) 2.2 2.2.1 Thiết kế và tính toán cho toàn mạch Thiết kế mạch nguyên lý Yêu cầu của bài toán là tăng điện áp DC từ 10V lên 24V, sử dụng mạch boost Mạch boost điều khiển bởi xung do mạch tạo... của máy và gài sẵn các 1.2.3.5 đại lượng máy điện như: tốc độ, dòng điện các phần tĩnh và động, momen động cơ… CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MẠCH LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 19 Áp dụng nguyên lí các bộ chuyển đổi DC ở trên, trong phạm vi đồ án này ta sẽ thiết kế và tính toán mạch biến đổi từ điện áp một chiều 10(V) lên điện áp một chiều 24(V) Yêu cầu về các thông số của mạch biến đổi như sau: - Điện áp vào: 10(V) Điện... trợ cho các kỹ sư thiết kế mạch điện tử, và các nhà sản xuất mạch - in Phần mềm hỗ trợ mô phỏng tương tự và mô phỏng số nên được các giảng - viên đánh giá cao trong môi trường nghiên cứu ở các trường đại học Bên cạnh đó, phần mềm cũng là công cụ giúp cho sinh viên, nghiên cứu sinh ngành điện tử viễn thông tiếp cận với việc mô phỏng mạch điện tử, - thiết kế mạch in một cách trực quan và dễ dàng Hiện nay,... vào: 10(V) Điện áp ra: 24(V) - Phạm vi điều chỉnh = (0 .2 - 0.8) Dòng điện tải lớn nhất trong toàn dải điều chỉnh It = 5 A Với yêu cầu như vậy, em sử dụng mạch boost để tăng điện áp Mạch boost hoạt động theo chu kì của xung đưa vào đóng ngắt tranzito Sơ đồ khối của mạch như sau: MẠCH TẠO XUNG ĐIỆN ÁP VÀO HìnhMẠCH 2.1 Sơ đồ khối mạch BOOST ĐIỆN ÁP RA 2.1 Thiết kế khối tạo xung Mạch tạo xung có nhiệm vụ... tạo Phần mềm được xây dựng với nhiều Phần tương tác với nhau, người thiết kế có thể vẽ mạch bằng sơ đồ nguyên lý và chuyển sang dạng mạch in, quan sát mạch in dưới dạng 3D và xuất ra tập tin hình ảnh để gởi đến nhà sản xuất… Sự tương tác cao, đầy đủ tính năng và dễ sử dụng đã làm cho phần mềm TINA chiếm ưu thế hơn các phần mềm Thiết kế mạch khác hiện nay… 13 1.2.1.2 Các đối tượng của phần mềm - Với những... số 8 (Vcc): Không cần nói cũng bít đó là chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động Không có chân này coi như IC chết Nó được cấp điện áp từ 2V >18V (Tùy từng loại 555 nhé thấp nhất là con NE7555) 2.1.3 Thiết kế mạch tạo xung 2.1.3.1 Sơ đồ nguyên lí mạch tạo xung dung IC555 Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lí mạch tạo xung dùng IC 555 Dạng xung đầu ra của mạch: T T1 T2 23 Hình 2.4: Dạng xung đầu ra của mạch. .. TINA là 1 trong những gói phần mềm mạnh nhất hiện nay để phân tích, thiết kế, mô phỏng tín hiệu số, tương tự, VHDL và kết hợp các mạch điện tử hay các mạch in của chúng Bạn cũng có thể phân tích RF, các mạch quang điện, kiểm tra và gỡ lỗi các ứng dụng vi điều khiển và vi xử lý Một tính năng đặc biệt của phần mềm là cho phép bạn đưa mạch ra thực tế thông qua cổng USB được điều khiển bởi phần cứng TINAlabII... phẩm SE555/NE555 và được gọi là máy thời gian và cũng là loại có đầu tiên Nó cung cấp cho các nhà thiết kế mạch điện tử với chi phí tương đối rẻ, ổn định và những mạch tổ hợp cho những ứng dụng cho đơn ổn và không ổn định Từ đó thiết bị này được làm ra với tính thương mại 20 hóa 10 năm qua một số nhà sản suất ngừng sản suất loại IC này bởi vì sự cạnh tranh và những lý do khác Tuy thế những công ty khác... chung + Chân số 2(TRIGGER): Đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và được dùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần số áp .Mạch so sánh ở đây dùng các transitor PNP với mức điện áp chuẩn là 2/3Vcc + Chân số 3(OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic Trạng thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1 1 ở đây là mức cao nó tương ứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương... cảm bằng 0 có thể được biểu diễn: (T1/T)×Vin − (T2/T)×Vout = 0 Như vậy: (T1/T)×Vin = (T2/T)×Vout ⇔ D×Vin = (1 − D)×Vout Khi: D = 0.5, Vin = Vout Với những trường hợp khác: 0 < Vout < Vin khi 0 < D < 0.5, và 0 < V in < Vout khi 0.5 < D < 1 (chú ý là ở đây chỉ xét về độ lớn, vì chúng ta đã biết Vin và Vout là ngược dấu) Như vậy, bộ biến đổi này có thể tăng áp hay giảm áp, và đó là lý do mà nó được gọi là