Đồ án điện tử dụng bk

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Là sinh viên theo học khối kỹ thuật nói chung ngành c ện tử nói riêng, học thừa hưởng kiến thức khoa học mà hệ tr ước để lại, việc phải nắm vững ki ến thức s ẵn có thơng qua vi ệc h ọc lí thuyết, sinh viên kỹ thuật phải đưa ki ến th ức vào th ực ti ễn thông qua việc tự tạo sản phẩm có khả ứng dụng vào th ực ti ễn Đồ án Điện tử ứng dụng hội cho chúng em vận dụng ki ến thức học trường giúp chúng em rèn luyện thêm nhiều kỹ khác Với đề tài “Thiết kế mạch ổn áp Boost ” c hội tốt đ ể chúng em sâu vào tìm hiểu áp dụng kiến thức h ọc phần lý thuyết liên quan vào việc thiết kế, chế tạo mạch ện tử Là l ần đ ầu thực sản phẩm mạch điện tử không th ể tránh kh ỏi sai sót, khuyết điểm mong nhận bảo thầy cô Qua đây, em xin cảm ơn thầy Lê Hồng Nam giúp chúng em thực đề tài Đồ án điện tử dụng CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ỔN ÁP 1.1 Giới thiệu chương: Hầu hết thiết bị, mạch điện hay hệ thống điện điều cần nguôn điện đáp ứng tốt để không làm ảnh hướng tới hoạt động nó, để biết rỏ vài trò phân loại đặc điểm loại ổn áp chương sẻ làm rỏ vấn đề Đặc biệt ổn áp xung Boost 1.2 Ổn áp: Cùng với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật nói chung kỹ thuật điện tử nói riêng ngày thiết bị điện tử sử dụng cách rộng rải ngày đại, áp dụng vào nhiều lỉnh vực khác đời sống hàng ngày, từ thiết bị gia dụng, dây chuyền sản xuất, thiết bị điện tử đại vv Một thành phần khơng thể thiếu ảnh hưởng trực tiếp đến đến hoạt động hệ thống hay mạch điện nguồn điện Đa phần mạch điện hay hệ thống điện đòi hỏi nguồn điện áp khác cung cấp cho từ nguồn cố định hay có sẳn, cần có hệ thống đảm bảo cung cấp nguồn điện cho mạch điện hay hệ thống hoạt động cách tốt đảm bảo trì tuổi thọ cho thiết bị điện Ổn áp hệ thống thiết kế để cung cấp trì ổn định mức điện áp đầu với điện áp đầu vào thay đổi, cung cấp nguồn hoạt động cho mạch điện hệ thống điện Trên thực tế có nhiều loại ổn áp khác hoạt động ngun lí khơng giống nhau, ổn áp chia làm ổn áp xoay chiều ổn áp chiều, tùy thuộc vào đặc điểm hoạt động khác ổn áp chiều lại chia làm nhiều loại khác 1.2.1 Ổn áp xoay chiều: Ổn áp xoay chiều thiết bị tự động trì điện áp xoay chiều thay đổi phạm vi nhỏ điện áp vào thay đổi phạm vi lớn Do ổn áp xoay chiều khơng có khả sinh lượng mà có nhiệm vụ ổn áp giử điện ổn định Ổn áp xoay chiều chia làm ổn áp xoay chiều pha ổn áp xoay chiều ba pha Tùy thuộc vào lưới điện sử dụng để người ta chọn loại ổn áp phù hợp Đồ án điện tử dụng 1.2.2 Ổn áp chiều (DC): Mọi ổn áp DC có nhiệm vụ biến đổi điện áp vào DC (một chiều) thành điện áp DC xác định, ổn định trì điện áp khơng đổi tầm rộng điều kiện điện áp vào dòng tải Để làm điều ổn áp thường có : Phần tử chuẩn : để cung cấp mức điện áp biết trước Phần tử lấy mẫu : để lấy mẫu điện áp Phần tử khuếch đại sai lệch: để so sánh mẫu điện áp chuẩn cho sai tín hiệu sai lệch Phần tử điều khiển: để biến đổi điện áp thành điện áp mong muốn điều kiện tải thay đổi điều khiển tín hiệu sai lệch Tùy vào kiểu ổn áp khác sẻ có thành phần khác nhau, kiểu ổn áp điều có thành phần Hình 1.1: sơ đồ khối nguồn ổn áp 1.2.2.1 Phân loại ổn áp chiều (DC) Ổn áp DC chia làm nhóm : ổn áp tham số ổn áp theo nguyên lí bù a) Ổn áp Zener ( Ổn áp tham số) Là loại ổn áp dùng để ổn định điện áp chiều sử dụng ốt bán dẫn Zener, loại ổn áp có nhược điểm dòng qua tải nhỏ, khơng có hồi tiếp Đồ án điện tử dụng Diode Zener gồm có lớp tiếp xúc P-N chân cực anốt catốt, anốt nối với lớp bán dẫn P catốt nối với lớp bán dẫn N bọc võ kim loại nhựa tổng hợp Đặc tuyến vơn-ampe Diode: Hình: 1.2 Đặc tuyến vôn-ampe - Phần thuận đặc tuyến ( Khi U AK >0) Khi Diode phân cực thuận dòng tăng nhanh, ta phải chủ ý đến dòng điện thuận cực đại I th.max , diode không làm việc với dòng điện cao trị số Khi U AK > trị số nhỏ dòng điện thuận nhỏ nên diode chưa coi phân cực thuận, U AK ≥ U D diode tính phân cực thuận U D gọi điện áp thuận ngưỡng diode, U AK = U D dòng điện thuận có trị số khoảng 0.1I th.max U AK > U D dòng tăng nhanh U D có giá trị (0,1-0,3)V diode gecmani (0,4-0,8)V silic Điện trở diode phân cực thuận: RD = VT + RB I (1.1) Đồ án điện tử dụng Với VT điện nhiệt, I dòng qua diode, RB điện trở gộp bao gồm điện trở trơ vật liệu bán dẫn điện trở tiếp xúc Ở nhiệt độ phòng : RD = 0.026 + RB I (1.2) Khi diode làm việc với dòng cao bỏ qua RB Phân tích mạch DC chứa Diode zener: Hình: 1.3 Mạch DC chưa diode Khi diode phân cực thuận dòng qua diode sẻ : ID = Vs − Vz R (1.3) b) Ổn áp nguyên lí bù Ổn áp nguyên lí bù thực phương pháp hồi tiếp, điện áp ngõ biến thiên, điện áp ngõ biến thiên mạch sẻ tạo tín hiệu điều khiển bù lại biến thiên đó, gọi mạch làm việc theo ngun lí bù Nếu phần tử điều chỉnh làm việc chế độ tuyến tính gọi ổn áp tuyến tính, phần tử điều chỉnh hoạt động chế độ xung gọi ổn áp xung Nếu phần tử điều chỉnh nối tiếp tải gọi ổn áp nối tiếp, ngược lại gọi ổn áp song song 1.2.3 Ổn áp tuyến tính - Nguyên lí hoạt động ổn áp tuyến tính: Đồ án điện tử dụng Sự ổn định điện áp điện thực phương pháp hồi tiếp Khi điện áp vào Vi biến thiên, điện áp ngõ Vo biến thiên mạch tạo tín hiệu điều khiển để bù vào biến thiên Đây mạch làm việc dựa theo ngun lí bù Hình 1.4 sơ đồ khối mạch ổn áp tuyến tính - Ưu điểm ổn áp tuyến tính: + Ổn áp tuyến tính có độ ổn định cao + Ít gây nhiễu + Dể thiết kế thi công - Nhược điểm ổn áp tuyến tính: + Có hiệu suất + Kích thước lớn + Giới hạn công suất 1.2.4 Ổn áp xung Ổn áp xung hay gọi ổn áp đóng ngắt, ổn áp hoạt động nguyên lý hồi tiếp ( nguyên lí bù), phần tử điều chỉnh làm việc chế động xung - Nguyên lí hoạt động ổn áp xung: Nguồn DC chưa ổn định đưa đến phần tử điều chỉnh làm việc khóa điện tử Khi khóa dẫn nguồn DC nối với ngõ ra, khóa tắt cắt nguồn khỏi mạch Như tín hiệu khóa dãy xung Muốn có điện áp chiều cho tải người ta sử dụng lọc Thông thường dung mạch lọc RLC, tùy thuộc vào tần số Đồ án điện tử dụng độ rộng xung ngõ khóa mà trị số điện áp chiều tải lớn nhỏ Để ổn định điện áp tải người ta thường so sánh với mức điện áp chuẩn Sự sai lệch sẻ biến đổi thành tín hiệu xung để điều khiển khóa điện tử Dưới sơ đồ hoạt động ổn áp xung: Hình 1.5 sơ đồ hoạt động ổn áp xung - Phân loại ổn áp xung : + Tùy thuộc vào phần tử điều chỉnh tiếp hay song song với tải người ta chia làm ổn áp xung nối tiếp ổn áp xung song song + Tùy thuộc vào điện áp ngõ vào ngõ người ta chia làm ổn áp xung Buck, ổn áp xung Boost, ổn áp xung Buck-Boost, ổn áp xung Cuk • Ổn áp Buck: loại ổn áp có điện áp trung bình ngõ nhỏ ngõ vào • Ổn áp Buck_Boost: loại ổn áp có điện áp ngõ lớn nhỏ điện áp ngõ vào • Ổn áp Cuk: loại ổn áp có điện áp ngõ lớn nhỏ điện áp ngõ vào cực tính ngược với điện áp ngõ vào • - Ổn áp Boost: loại ổn áp có điện áp trung bình ngõ lớn ngõ vào Ưu điểm ổn áp xung: + Tổn hao nên hiệu suất cao ( thường 80%) + Độ ổn định cao cao phần tử điều khiển làm việc chế độ xung + Thể tích trọng lượng nguồn nhỏ Đồ án điện tử dụng - Nhược điểm ổn áp xung: + Phân tích, thiết kế phức tạp + Bức xạ sóng, can nhiễu dải tần số rộng cần lọc xung ngõ vào nguồn nguồn phải bọc kim + Tần số đong ngắt lớn gây nhiễu cho thiết bị xung quanh 1.2.5 Ổn áp xung Buck: Ổn áp xung Buck loại ổn áp có điện áp trung bình ngỏ nhỏ điện áp ngỏ vào, hoạt động theo phương pháp điều chế độ rộng xung 1.2.5.1Sơ đồ khối: Hình 1.6 Sơ đồ khối ổn áp xung Buck 1.2.5.2 Nguyên lí làm việc: Phần tử điều chỉnh đóng vai trò khóa điện tử, đóng mở với tần số khơng đổi Xung điều khiển với tần số f tạo từ khối tạo dao động Phần điều khiển thực việc so sánh điện áp với điện áp chuẩn, kết sai lệch khuếch đại lên, mạch điều chế vào sai lệch để điều chế động rộng xung, xung vng có độ rộng thay đổi đưa tới phần tử điều chỉnh để điều khiển đóng ngắt Trong thời gian khơng tồn xung điều khiển dòng đảm bảo nhờ tự C cuộn cảm L Gọi t x thời gian mở phần tử chuyển mạch: Điện áp trung bình tải: Đồ án điện tử dụng t t x V0 = ∫ Vi dt = x Vi T T ⇒ V0 t x = Vi T (1.4) (1.5) Vì: ≤ t x ≤ T ⇒ ≤ Vo ≤ Vs (1.6) Do điện áp ngõ ổn áp Buck nhỏ điện điện áp ngõ vào Để sử dụng ổn áp vào đầu tăng áp t cần tìm hiểu mạch ổn áp xung kiểu Boost 1.2.6 Ổn áp xung kiểu Boost: Ổn áp Boost loại ổn áp có điện áp trung bình ngỏ lớn điện áp trung bình ngỏ vào,hoạt động theo phương pháp điều chế độ rộng xung 1.2.6.1 Sơ đồ khối: Hình: 1.7 sơ đồ khối ổn áp Boost 1.2.6.2 Nguyên lí hoạt động: Phần tử chuyển mạch làm việc khóa điện tử đóng mở với tần số khơng đổi Xung điều khiển có tần số f tạo khối tạo dao động Thời gian đóng ngắt phần tử chuyển mạch phụ thuộc vào độ rộng xung điều khiển, độ rộng xung tạo khối điều chế độ rộng xung, khối nhận tín hiệu Đồ án điện tử dụng 2.2.5 Khối mạch lọc Chức năng: Mạch lọc đảm nhiệm chức làm phẳng tín hiệu ngõ ra, đ ảm b ảo dòng điện tải Tính tốn mạch: T chu kỳ đóng ngắt, D chu kỳ suất, R trở tải đầu Từ (1.15) (1.19) ta có L - (2.6) Ta có : IL = Ic + IT Mà có độ gợn thường bé nên bỏ qua - Dòng trung bình qua tụ : Ic = - Điện áp qua tụ : Vc(t) = + Vc(0) = C= = 2.2.6 Khối nguồn (2.7) Đồ án điện tử dụng − Chức năng: Từ điện áp đầu vào 12VDC tạo áp đầu 6VDC cung cấp cho IC mạch hoạt động − Nguyên lý hoạt động Điện áp 12VDC gợn, nhấp nhơ nên tụ C1 C3 dùng đ ể san phẳng điện áp nhấp nhơ đó, ngồi lọc nhiễu cao tần Sau qua IC 7806, ện áp 6VDC qua tụ C2 C4 giúp điện áp san phẳng, l ọc ện áp cho điện áp phẳng Đồ án điện tử dụng CHƯƠNG : TÍNH TỐN THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH 3.1 Giới thiệu chương Qua hai chương ta tìm hiểu thiết lập cơng thức liên quan đến mạch, qua cơng thức chương ta vào tính tốn giá trị linh kiện mô thi công mạch Bước vào phần tính tốn ta chia làm hai phần : − − Phần 1: Tính tốn phần mạch ổn áp Phần : Tính tốn phần mạch hồi tiếp Sau tính tốn tiến hành thi cơng, kiểm nghiệm chỉnh sửa mạch hoạt động ổn định 3.2 Tính tốn thiết kế khối mạch ổn áp Sơ đồ mạch tổng thể: Hình 3.1 Sơ đồ mạch tổng thể 3.2.1 Tính tốn thiết kế khối mạch lọc Trước tính tốn thiết lập sơ đồ mạch lọc song song sau : Đồ án điện tử dụng Hình 3.2 Mạch lọc Qua sơ đồ mạch ta thấy linh kiện cần tính tốn giá trị : Cuộn cảm, Diode, Tụ, Điện trở Chọn Diode có ID 1.5 Imax UD Umax Ta có Imax = Ir + I = + 0,02 = 1,02 ID 1,5 1.02 = 1,53 Umax = U0 thời gian t2 Umax = Ui + UL = 15,02 V Từ cơng thức (2.6) ta có L Chọn giá trị R theo giá trị trở công suất thị trường loại 5W 330 Ω Mà từ công thức (1.16) ta lại có D=1 = L = = 0,5 mH Từ cơng thức (2.7) ta có giá trị tụ C sau : C= = C = = 20 µF Dựa vào loại tụ có mặt thị trường chọn C = 470 µF Uc = 50 V Tính chọn thơng sơ dây quấn cho cuộn cảm : Đồ án điện tử dụng S= Trong S : tiết diện dây dẫn mm2 I : dòng điện chạy qua mặt cắt J : mật độ dòng điện cho phép (A/mm2) Chọn dây dẫn đồng nên J (A/mm2) S = = 0,16 mm2 Chọn dây dân có tiết diện 0.5 mm2 Chọn lõi để quấn dây lõi hình xuyến có R = 16,5 mm r = 9,9 mm h = 11,1 mm Vật liệu làm lõi Ferit có µr = 30 (H/m) Ta có: L = 2107 n2 µr h ln n= = = 122 vòng 3.2.2 Tính tốn thiết kế phần tử chuyển mạch a)Sơ đồ mạch: Đồ án điện tử dụng Hình 3.3 sơ đồ mạch phần tử chuyển mạch dụng mosfet b)Tính tốn, thiết kế mạch: - Trước hết ta cần chọn mosfet cho phù hợp với điều kiện VDS > 2Vo = 30V I > (1,5 ÷ 2) I max Dựa vào datasheet chọn mosfet IRF 3205, thỏa mãn điều kiện điện áp điều khiển Theo datasheet ta chọn VGS VGS thỏa mãn = 5V, chọn Q2 C2383 với Ic lớn đạt tới 1A, chọn ln Q3 bổ phụ với C2383 A1013 Vì I c lớn 1A Ib phải khơng 10mA Mà Vcc − VCE − 0,7 = Rb Rb 5,3 → Rb = −2 = 530Ω 10 Ib = Do Rb>530 ơm Đồ án điện tử dụng 3.2.3 Tính tốn khối tạo dao động ( ASTABLE ) Hình Sơ đồ mạch tạo dao động Tính chọn linh kiện Với tần số f = 30kHz, suy T = 20us Chọn T2 = 1%T1 Ta có: T2 = C.R2 Ln2 T1 = C.(R + R1 ) Ln T R +R R 99% → = = 1+ = T2 R2 R2 1% R → = 98 R2 Vậy chọn R2 = 100Ω; R1 = 10k Ω Do tụ C sẻ là: T2 33.10−6 C= = = 3,3.10−9 F R2 Ln2 10.10 Ln2 Vậy chọn C = 3,3nF Đồ án điện tử dụng 3.2.5 Tính tốn khối điều chế độ rộng xung Hình Sơ đồ mạch điều chế độ rộng xung Tính chọn linh kiện: Ta có điện áp đầu vào thay đổi Vin = 10V ± 30% ta có D(Duty cycle) ứng với mức điện áp vào 7v, 10v 13v sẻ là: = 0,53 15 10 D2 = − = 0,33 15 13 D3 = − = 0,13 15 D1 = − Ta chọn D2 mức để tính chọn linh kiện Ta có thời gian nạp tụ C4 sẻ 1/3Vcc ngưỡng điện áp hồi tiếp, điện áp hồi tiếp thay đổi từ 1/3Vcc đến Vcc, với Vcc = 6V, Vht thay đổi từ 2-6v, chọn mức khoảng 3,5V Tức ứng với điện áp vào Vin 10v, D = 0,33 điện áp hồi tiếp =3,5V Theo cơng thức thiết lập (2.4) ta có: C= Chọn C = 3,3nF suy T I Vht Đồ án điện tử dụng I= C.V 3,3.10−9.3,5 = = 5,775.10−4 A −6 T 33.10 Điện trở R3 R3 = Vcc − 3,5 − 3,5 = = 4329Ω I 5,775.10−4 Vậy chọn R3 = 4,7kohm 3.3 Tính tốn mạch hồi tiếp 3.3.1 Tính tốn mạch so sánh Mạch so sánh sử dụng opamp có sơ đồ mạch sau: Vlm Vsl Vđ Hình 3.5 Mạch so sánh Dụa sơ đồ mạch sử dụng cơng thức (2.11) ta có : Chọn Vsl = 3, tỷ lệ = có Vđ = 5,1 V Nên ta có : = 2.( 5,1 Vlm ) Vlm = 5,1 1,5 = 3,6 V 3.3.2 Tính tốn mạch điện áp chuẩn Sơ đồ mạch sau: Đồ án điện tử dụng Hình 3.6 Mạch điện áp chuẩn Với yêu cầu đặt điện áp tải VR2 = 5,1V nên ta chọn diode 1N4733A, có VD = 5,1V , I D max = 178mA Ta có Vcc − VR1 − VR2 = → VR1 = Vcc − VR2 = 13 − 5,1 = 7,9 Vì dòng cực đại qua Diode 178mA nên ta có : 7,9 ≤ 178mA R1 → R1 ≥ 45Ω Chọn R1=1k Ω ta có 3.3.3 Tính toán mạch lấy mẫu Lấy phần điện ngõ so sánh với điện chuẩn Hình 3.7 Mạch lấy mẫu Dựa sơ đồ mạch ,ta có : Vlm = Rlm 3,6 = Rlm Đồ án điện tử dụng = = 4,17 Với Rlm _ Điện trở điều chỉnh biến trở : Rlm = R11 b b _ tỉ số phần trăm điện trở lấy mẫu với tổng điện trở bi ến trở R11 Ta có : = = = 4,17 Giả sử b = 100 % + = 4,17 = 3,17 Chọn biến trở R10 = 10 ( kΩ ) R11 = 10 / 3,17 = 3,15 ( kΩ ) Chọn điện trở R11 = 3,3 ( kΩ ) 3.4 Kết đo xung thực tế Hình 3.8 Khối tạo xung Đồ án điện tử dụng Hình 3.9 Xung điều chế 3.5 Kết luận chương Dựa vào công thức thiết lập chương chúng em thi ết k ế sơ đồ mạch, tính toán giá trị linh ki ện sử dụng m ạch ch ế tạo thành công mạch ổn áp boost Tiến gia gia công mạch đo xung, kết thực tế cho thấy: • Tần số xung khơng hồn tồn xác tính tốn lý thuy ết so sai s ố c linh kiện điện tử có ngồi trường • Biên dạng xung khơng hồn tồn giống theo lý thuyết sai số linh ki ện KẾT LUẬN Sau thời gian thực đề tài nhóm tính tốn ,thiết kế, thi công thành công mạch ổn áp xung boost tiến hành thử nghiệm khả hoạt động Tuy nhiên tồn số vấn đề cần khác phục mạch hồi tiếp để đảm bảo khả Đồ án điện tử dụng ổn định mạch Trong thời gian tới nhóm sẻ tiến hành nghiên cứu để cải thiện thêm nhằm đảm bảo khả ổn định mạch Qua trình thực đề tài nhóm đưa đánh giá ưu nhược điểm đề tài, thân thành viên Ưu điểm : − − − Thiết kế mạch ổn áp cấp nguồn ổn định Áp dụng lý thuyết vào cơng việc tính tốn thiết kế Hiểu công dụng linh kiện cách thức xây dựng, bố trí hồn thành mạch điện tử − Nâng cao tày nghề thi công mạch điện tử − Mạch ổn áp nhỏ gọn, giá thành rẻ dể dàng sử dụng − Mạch thiết kế không phức tạp, dể dàng mô phần mền, linh kiện điện tử phổ biến dể dàng tìm kiếm giá thành rẻ Nhược điểm : − − Mạch hoạt động chưa ổn định Gia cơng mạch chưa hồn tồn tối ưu Hưởng phát triển đề tài: − Hoàn thiện mạch hồi tiếp để nâng cao khả ổn định mạch ổn áp − Phát triển tích hợp thêm mạch bảo vệ vào mạch ổn áp − Cùng với Boost nghiên cứu phát triển thêm ổn áp xung Buck Cuk Trong thời gian thực đồ án nhóm gặp phải nhiều khó khăn với hướng dẫn tận tình giảng viên hướng dẫn nỗ lực chúng em bước vượt qua hoàn thành đồ án Tuy hồn thành khơng thể tránh khỏi sai sót hạn chế cách thiết kế nhóm mong góp ý xây dựng thầy bạn để thiết kế nhóm hồn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! Đồ án điện tử dụng TÀI LIỆU THAM KHẢO Điện tử công suất – Lê Văn Doanh Tính tốn thiết kế thiết bị điện tử ứng dụng – Trần Văn Thịnh Đồ án điện tử dụng PHỤ LỤC ... sâu vào khối chức ổn áp xung Boots Đồ án điện tử dụng Đồ án điện tử dụng CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Mạch ngun lí Hình 2.1 Sơ đồ mạch ngun lí Đồ án điện tử dụng 2.2 Các khối điều khiển mạch... diode phân cực thuận: RD = VT + RB I (1.1) Đồ án điện tử dụng Với VT điện nhiệt, I dòng qua diode, RB điện trở gộp bao gồm điện trở trơ vật liệu bán dẫn điện trở tiếp xúc Ở nhiệt độ phòng : RD =... Sơ đồ mạch trừ Đây mạch giúp giá trị điện áp đầu ổn định theo giá trị mong muốn Mạch gồm hai mạch nhỏ mạch trừ mạch lấy mẫu: a) Mạch trừ (2.5) Đồ án điện tử dụng Mạch trừ có tác dụng so sánh điện