NHÓM 3: Báo cáo đồ án ĐTUD: Ổn áp CUK

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG ĐỀ TÀI: MẠCH ỔN ÁP CUK GVHD : NGUYỄN VĂN PHÒNG SVTH : NGUYỄN THÀNH DUY – 15CDT2 NGUYỄN HOÀNG LONG – 15CDT2 ĐÀ NẴNG 12/2018 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG PHỊNG GVHD: NGUY ỄN VĂN LỜI NĨI ĐẦU Ngày điện nguồn lượng quan trọng bậc văn minh lồi người Với phát triển khơng ngừng khoa học kĩ thuật, dân số ngày gia tăng dẫn đến nhu cầu sử dụng điện cao Nguồn điện ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động thiết bị sử dụng điện Để hoạt động bình thường chúng cần phải có nguồn đầu vào không đổi Các thiết bị sử dụng nguồn DC khơng ngoại lệ Đó lý cần đến biến đổi DC-DC để ổn đinh nguồn cung cấp mức điện áp khác cho thiết bị khác Trong đồ án nhóm chúng em phân công thầy thực đề tài: Thiết kế mạch ổn áp Cuk Qua trình thực ơn lại lý thuyết mơn học Kĩ thuật điên, Kĩ thuật điện tử, Điện tử cơng nghiệp, Kĩ thuật xung số Ngồi nâng cao khả thi công mạch, kĩ sử dụng phần mềm Proteus hỗ trợ q trình tính tốn mơ vẽ mạch in Nhóm xin chân thành cảm ơn thầy: Th.s Nguyễn Văn Phòng tận tình hướng dẫn giúp đỡ chúng em hoàn thiện đồ án Trong q trình tính tốn thiết kế thi cơng gặp nhiều sai sót, nhóm mong nhận góp ý thầy bạn để đồ án hoàn thiện SVTH: NGUYỄN THÀNH DUY NGUYỄN HỒNG LONG NHĨM 03 Đà Nẵng, 12/2018 Trang ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG PHÒNG GVHD: NGUY ỄN VĂN HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ ngun lý ổn áp zenner Hình 1.2 Đặt tuyến volt – ampe diode Hình 1.3 Ổn áp tuyến tính dùng linh kiện bán dẫn Hình 1.4 IC ổn áp 78xx, 79xx Hình 1.5 Sơ đồ khối ổn áp xung Hình 1.6 Sơ đồ mạch Buck Hình 1.7 Sơ đồ mạch Boost Hình 1.8 Sơ đồ mạch Buck-Boost Hình 1.9 Sơ đồ mạch Cuk Hình 1.10 Sơ đồ khối mạch Cuk Hình 1.11 Dạng sóng mạch Cuk Hình 1.12 Mode mạch Cuk Hình 1.13 Mode mạch Cuk Hình 2.1 Một số kí hiệu điện trở Hình 2.2 Cầu phân áp dùng điện trở Hình 2.3 Cấu tạo Diode Hình 2.4 Ký hiệu Diode Hình 2.5 Ảnh thực tế cuộn dây Hình 2.6 Ký hiệu cuộn dây Hình 2.7 Ảnh thực tế tụ điện Hình 2.8 Ký hiệu tụ điện Hình 2.9 Mạch lọc LC Hình 2.10 Mạch vi phân Hình 2.11 Ký hiệu máy biến áp Hình 2.12 Cấu tạo máy biến áp Hình 2.13 Cấu tạo ký hiệu BJT Hình 2.14 Mạch phân cực BJT dòng cố định IB dùng nguồn Hình 2.15 Mạch phân cực BJT dòng cố định IB dùng hai nguồn Hình 2.16 Mạch phân cực hồi tiếp từ collector Hình 2.17 Mạch phân cực dòng Emitter Hình 2.18 Cấu tạo MOSFET Hình 2.19 MOSFET kênh có sẵn Hình 2.20 MOSFET kênh cảm ứng Hình 2.21 Cấu tạo op-amp Hình 2.22 Mạch trừ dùng op-amp Hình 2.23 Mạch khuếch đại đảo Hình 2.24 Vi mạch định thời IC555 Hình 2.25 Sơ đồ cấu tạo IC555 Hình 2.26 Sơ đồ mạch Astable dạng sóng Hình 2.27 Sơ đồ mạch Monostable dạng sóng Trang ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG PHỊNG Hình 2.28 Giao diện làm việc phần mềm Proteus Hình 2.29 Mơ Proteus Hình 2.30 Vẽ mạch in Proteus Hình 2.31 Mơ mạch 3D Hình 2.32 Các cơng cụ Proteus Hình 3.1 Sơ đồ mạch Cuk Hình 3.2 Mạch kích MOSFET Hình 3.3 Mạch Monostable Hình 3.4 Mạch xén Hình 3.5 Mạch Astable Hình 3.6 Chân mạch Monostable Hình 3.7 Mạch hồi tiếp Hình 3.8 Mạch khuếch đại lệch Trang GVHD: NGUY ỄN VĂN ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG PHÒNG GVHD: NGUY ỄN VĂN MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .2 HÌNH VẼ .3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chương .6 1.2 Tổng quan ổn áp chiều 1.2.1 Ổn áp tham số (ổn áp zenner) .6 1.2.2 Ổn áp theo nguyên lý hồi tiếp .7 1.2.2.1 Ổn áp tuyến tính 1.2.2.2 Ổn áp xung 1.3 Kết luận chương .16 CHƯƠNG II: CƠ SỞ THIẾT KẾ 17 2.1 Giới thiệu chương 17 2.2 Các linh kiện thụ động 17 2.2.1 Điện trở 17 2.2.2 Diode 18 2.2.3 Cuộn dây 19 2.2.4 Tụ điện 20 2.2.5 Máy biến áp .23 2.3 Các linh kiện điện tử chủ động .24 2.3.1 BJT .24 2.3.2 MOSFET .25 2.3.3 Vi mạch khuếch đại thuật toán- OP-AMP 27 2.3.4 Vi mạch định thời .29 2.4 Phần mềm Proteus 34 2.4.1 Giới thiệu phần mềm 34 2.4.2 Tính Proteus .34 2.4.3 Hướng dẫn sử dụng phần mềm 36 2.5 Kết luận chương 36 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 37 3.1 Giới thiệu chương 37 3.2 Yêu cầu thiết kế .37 3.3 Thiết kế khối chức 39 3.3.1 Thiết kế mạch động lực 39 3.3.2 Thiết kế mạch kích MOSFET 40 3.3.3 Thiết kế mạch Monostable 41 3.3.4 Thiết kế mạch xén .43 3.3.5 Thiết kế mạch Astable 44 3.3.6 Thiết kế mạch hồi tiếp 45 3.4 Kết luận chương .48 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 49 Trang ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG PHÒNG GVHD: NGUY ỄN VĂN TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chương Ở nơi có nguồn điện áp khơng ổn định khiến thiết bị điện hoạt động chập chờn, khơng xác Vấn đề để lâu làm giảm độ bền thiết bị sử dụng điện Do đó, ta cần biến đổi ổn định điện áp đầu mạch điện áp đầu vào mạch thay đổi phạm vi cho phép Trong chương tìm hiểu ổn áp chiều 1.2 Tổng quan ổn áp chiều - Ổn áp chiều mạch có nhiệm vụ trì điện áp chiều ngõ không đổi tầm thay đổi điện áp lưới khu vực dòng tải, nhiệt độ Mạch ổn áp chiều thường đặt sau chỉnh lưu lọc - Phân loại: + Ổn áp tham số + Ổn áp theo nguyên lý hồi tiếp 1.2.1 Ổn áp tham số (ổn áp zenner) Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý ổn áp zenner - Nguyên lý họat động: Nguồn V i thông qua điện trở hạn dòng R i ghim diode zenner D2 điện áp cố định(điện áp đánh thủng Zenner) để lấy điện áp cố định V0 cung cấp cho mạch - Ưu điểm: Mạch đơn giản, dễ thực - Nhược điểm: Cho dòng nhỏ ( ≤20mA ) Trang ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG PHỊNG GVHD: NGUY ỄN VĂN Hình 1.2 Đặt tuyến volt – ampe diode 1.2.2 Ổn áp theo nguyên lý hồi tiếp Nguyên lý hồi tiếp hay nguyên lý bù có khái niệm sau : Khi dòng ngõ điện ngõ vào nhiệt độ thay đổi làm cho điện ngõ thay đổi, mạch lấy phần thay đổi ngõ đưa ngược lại đầu vào để điều khiển ngõ vào nhằm giữ cho điện áp ngõ không đổi 1.2.2.1 Ổn áp tuyến tính Ổn áp tuyến tính ổn áp dựa nguyên lý hồi tiếp (nguyên lý bù), phần tử làm việc chế độ khuếch đại Có hai loại ổn áp tuyến tính chính: + Ổn áp tuyến tính dùng linh kiện bán dẫn + Ổn áp tuyến tính dùng vi mạch tích hợp a) Ổn áp tuyến tính dùng linh kiện bán dẫn: Việc sử dụng khố khí, chẳng hạn cơng tắc khí, khố điện, rơle điện, rơle điện từ, có nhược điểm cồng kềnh, độ tin cậy thấp, thời gian chuyển trạng thái chậm dẫn tới hệ thống có khố có độ tin cậy khơng cao, tốc độ tính tốn chậm khả ứng dụng thấp Do vậy, sử dụng khóa linh kiện bán dẫn transistor, MOSFET, để khắc phục nhược điểm Hình 1.3 Ổn áp tuyến tính dùng linh kiện bán dẫn Trang ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG PHÒNG GVHD: NGUY ỄN VĂN - Khi điện áp ngõ vào tăng điện áp ngõ tăng Khi điện áp chân E đèn Q tăng nhiều chân B (do có D z gim từ chân E đèn Q lên Ura, điện áp lấy mẫu lấy phần điện áp ) - Nên UBE giảm kéo theo Q2 dẫn giảm, làm Q1 dẫn giảm điện áp ngõ giảm xuống Tương tự U vào giảm, thông qua mạch điều chỉnh, ta lại thu điện áp ngõ tăng - Thời gian điều chỉnh vòng hồi tiếp nhanh khoảng vài µ giây tụ lọc đầu loại bỏ, không làm ảnh hưởng đến chất lượng điện áp chiều Như kết điện áp ngõ tương đối phẳng b) Ổn áp tuyến tính dùng vi mạch tích hợp: Các vi mạch ổn áp chiều tuyến tính sử dụng rộng rãi ưu điểm như: + Tích hợp tồn linh kiện khối có kích thước nhỏ + Không cần cần thêm vài linh kiện để tạo mạch hoàn chỉnh + Các mạch bảo vệ q dòng, q nhiệt có sẵn bên vi mạch, + Một số họ vi mạch ổn áp chiều tuyến tính thơng dụng họ 78XX (họ ổn áp dương) họ 79XX (họ ổn áp âm) Chân 78XX Ngõ vào Đất Ngõ 79XX Ngõ Ngõ vào Đất Hình 1.4 IC ổn áp 78xx, 79xx Đối với họ 78XX: Ổn định điện áp dương XX giá trị điện áp đầu ra, chẳng hạn 7805 V0= +5V, 7812 V0= +12V Đối với họ 79XX: Ổn định điện áp âm XX giá trị điện áp đầu ra, chẳng hạn 7905 V0= -5V, 7912 V0= -12V Với ưu điểm nêu vi mạch ổn áp củng có khuyết điểm sau: + Dòng điện tối đa đầu vi mạch thấp ( Đảm bảo theo mạch chạy thực tế chọn C1 = 2.2uF/50v + Tính chọn cuộn dây L1    K  T Vo L1min  2.K I o    0, 45  2, 5.10 5  15   2.0, 45.3  0.042mH + Tính chọn cuộn dây L2: Vo   K  T 15   0, 45  2, 5.10 5 L2   Io = 0.069mH + Tính chọn tụ lọc C2: tính chọn theo công thức T Vi K (2,5.105 ) 18.0, 454 C2    9, 26.104 F 8.VC L2 8.0, 01.0, 069 Chọn C2 = 1000 uF/50V + MOSFET Q1 loại với thông số sau: IDmax=3A VDmax = 24V Pmosfet  Vinmax I D max  24.3  72W Tần số f = 40000Hz Vậy ta chọn MOSFET IRF3205 có thơng số P = 200W VDSS=55V ID = 110A + Với yêu cầu dòng 3A, điện áp max 24V xung 40kHz ta chọn diode D1 loại diode xung FR307 với điện áp cực đại 1500V, dòng điện 3A Trang 41 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG PHÒNG GVHD: NGUY ỄN VĂN 3.3.2 Thiết kế mạch kích MOSFET: Hình 3.2 Mạch kích MOSFET Nguyên lý hoạt động: + Khi đầu mạch Mono mức cao, Q2 kích dẫn, Q3 tắt, điện áp 12v qua R6 => chân G MOSFET làm MOSFET dẫn, Vgs= 12v – 0.7v = 11.3v + Khi đầu mạch Mono mức thấp, Q2 tắt Q3 dẫn, điện áp từ chân G xả qua Q3 R8 xuống mass Chọn R6 = 10k Vcc  Vces 12  0,7 I R (M ax)    1,13mA R6 10000  Công suất trở PR6 = IR6.VCC=12.1,13.10-3=0.0135W Chọn R6 = 10k/0,125W Chọn Q2 thoải mãn điều kiện: Pmax =(1,5-2)Ptt = (1,5-2)(Vcc-VR6).IR6= 2.(12-10000.0,00113) =0.7mW + VCEO = (1.5-2) Vcc = (1.5-2) 18-24 = 36-48 V + + Icmax = (1.5-2)Ics = 2.1,13 = 2,26 mA Từ điều kiện chọn Q2 2SC1815 có thơng số sau: Trang 42 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG PHÒNG + PD  625mW + I C max  150mA GVHD: NGUY ỄN VĂN V  50V + CE max +   75  700 Chọn R8 = 10k/0.25W Q7 dẫn để xả điện áp chân G nên ta chọn loại 2SA1015 (thơng dụng ngồi thị trường) PD  625mW + + I C max  150mA + VCE max  50V +   75  700 Chọn diod D4 loại 1N4148 để chuyển trạng thái đóng cắt nhanh chóng 3.3.3 Thiết kế mạch Monostable Sơ đồ nguyên lý: Hình 3.3 Mạch Monostable Trang 43 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG PHỊNG GVHD: NGUY ỄN VĂN Tính chọn thông số mạch Chọn IC555 loại NE555P Thời gian tồn xung thời gian tụ C6 nạp từ đến 2/3Vcc T Gọi thời gian tồi xung Mạch Monostable Ta có: - Khi Vin = 12v => T = 14uS - Khi Vin = 18v => T = 11,25 uS - Khi Vin = 24v => T = 9,5uS Tính mạch hoạt động bình thường với áp vào 18v Thời gian nạp trụ C6 là: T0  C6 R5 ln  11, 25uS 11, 25.106  1,024.105 ln Chọn C6  2, 2nF 1,024.10 5 � R5   4650 2, 2.109 Chọn R5 biến trở tinh chỉnh 20K � C6 R5  Dòng nạp cực đại cho trụ C6 là: I R5 2 Vcc 12 3 3  1.72mA R5 4650 3 R Công suất tiêu tán là: PR  I R R5  (1,72.10 ) 4650  8mW R Vậy chọn biến trở tinh chỉnh 20k/0.25W   C R  2, 2.109.4650  1, 023.10 5 S Ta có: Phương trình nạp trụ: t 5 VC  Vcc.(1  e ) Khi Vin = 12v => T0= 14uS t 5 VC  Vcc.(1  e )  12.(1  e 14.106 1,023.105 )  8,95V Khi Vin = 18v => T0= 11,25 uS t 5 VC  Vcc.(1  e )  12.(1  e 11,25 10,23 )  8V Khi Vin = 24v => T0= 9,5uS Trang 44 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG PHÒNG t 5 VC  Vcc.(1  e )  12.(1  e 9,5 10,23 GVHD: NGUY ỄN VĂN )  7, 26V 3.3.4 Thiết kế mạch xén: Hình 3.4 Mạch xén Khi điện áp ngõ mạch Astable mức logic Tụ C5 nạp từ Vcc qua R4 đến ngõ mạch Astable Để mạch Monotable hoạt động tốt độ dài xung kích đưa vào chân số (2) mạch Monotable phải nhỏ thời gian tồn xung mạch Monotable Phương trình nạp tụ C4 là: V4 (t) = [V4 (∞) – V4 (0) ](1- ) + V4(0) Trong đó: V4 (0) = V4(∞) = VCC => V4 (t) = Vcc.(1- ) Gọi t1 thời gian tụ C4 nạp 1/3Vcc Vvp (t) = Vcc.(1- ) = Vcc Trang 45 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG PHÒNG GVHD: NGUY ỄN VĂN ⇒ t1 = R4.C5 ln1,5 Gọi tx thời gian tồn xung mạch Monostable txmin=9,5uS txmax=14uS Để đảm bảo xung kích nhỏ tx ta chọn: t1