Đề tài MẠCH BĂM XUNG PWM SỬ DỤNG IC 555

TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CAO THẮNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN MÔN HỌC Đề tài: MẠCH BĂM XUNG PWM SỬ DỤNG IC 555 GVHD:Th.S NGUYỄN HỮU PHƯỚC SVTH: NGUYỄN NGỌC NHÂN LỚP: CĐ ĐKTĐ 19A TP.HCM, tháng năm 2021 LỜI NĨI ĐẦU Điện tử cơng suất cơng nghệ kết nối hai lĩnh vực truyền thống nguồn điện mạch điện tử Điện tử cơng suất có bước phát triển nhanh chóng thời gian gần đây, ngun nhân kết phát triển linh kiện bán dẫn, dựa phát triển công nghệ bán dần chế tạo linh kiện bán dẫn Nó ứng dụng rộng rãi hầu hết ngành công nghiệp đại: hệ truyền động động chiều, hệ truyền động động xoay chiều, hệ thông cấp nguồn, động bước, điện tử viễn thông, hàng không vũ trụ, Sau học xong môn điện tử cơng suất để hiểu nội dung lí thuyết mà Thầy dạy lớp người thực đề tài “Mạch băm xung pwm sử dung ic 555” muốn truyền tải phần nhỏ môn học điện tử công suất LỜI CÁM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Th.S Nguyễn Hữu Phước khoa Điện-Điện tử môn Điện tử công nghiệp trang bị cho em kiến thức kiến thức cần thiết, tận tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án Tuy nhiên, trình làm đồ án kiến thức chuyên ngành em cịn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi vài thiếu sót trình bày đánh giá vấn đề Rất mong nhận góp ý, đánh giá thầy, môn để đề tài em thêm hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN  Tp.HCM, ngày… tháng … năm 2021 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN MỤC LỤC CHƯƠNG GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.3 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 1.4 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 1.5 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI CHƯƠNG CƠ SỞ LÍ THUYẾT 2.1 CƠ SỞ LÍ THUYẾT 2.1.1 Phương pháp điều xung PWM gì? 2.1.2 Ứng dụng PWM điều khiển 2.1.3 Mạch tạo mạch PWM 555 2.2 TỔNG QUAN VÀ CÁC LINH KIỆN TRONG MẠCH .4 2.2.1 Mạch nguồn DC 2.3 IC .6 2.3.2 IC 555 .6 2.3.3 Mosfet .9 2.3.3.1 Tổng quan Mosfet .9 2.3.4 Mosfet IRF3205 11 2.3.5 Diode 13 2.3.6 Điện trở biến trở .17 2.3.6.1 Tổng quan điện trở 17 2.3.6.2 Tổng quan biến trở 19 2.3.7 Tụ điện 21 2.3.8 Động chiều (DC) .23 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 27 3.1 THIẾT KẾ 27 3.1.1 Sơ đồ khối .27 3.1.2 Tính tốn PWM 27 3.1.3 PWM IC 555 .28 3.2 DANH SÁCH CÁC LINH KIỆN ĐƯỢC SỬ MẠCH DỤNG TRONG MẠCH .30 3.3 THIẾT KẾ MẠCH 31 3.3.1 Sử dụng phần mền Protues để thiết kế mạch vẽ mạch in 31 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 33 4.1 KẾT LUẬN 33 4.1.1 Board mạch 33 4.1.2 Kiến thức nắm 33 4.2 KHUYNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 33 DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ BẢNG Hình 1: Đồ thị dạng điều xung PWM Hình 2: Mạch tạo mạch pwm 555 .4 Hình 3: Kí hiệu dòng điện chiều (DC) Hình 4: IC 555 Hình 5: Sơ đồ chân IC 555 Hình 6: Hình ảnh Mosfet 10 Hình 7: Cấu tạo Mosfet 10 Hình 8: Sơ đồ chân Mosfet IRF3205 12 Hình 9: Hình ảnh Diode 13 Hình 10: Kí hiệu Diode 13 Hình 11: Sơ đồ nguyên tắc hoạt động diode bán dẫn 13 Hình 12: Diode chỉnh lưu 15 Hình 13: Diode xung 15 Hình 14: Diode tách sóng 16 Hình 15: Cấu tạo hình ảnh Diode phát quang 16 Hình 16: Hình ảnh Diode Zener 17 Hình 17: Hình ảnh điện trở .17 Hình 18: Kí hiệu điện trở 18 Hình 19: Hình ảnh biến trở .19 Hình 20: Kí hiệu biến trở 19 Hình 21: Cấu tạo biến trở 20 Hình 22: Hình ảnh tụ điện 21 Hình 23: Một số kí hiệu tụ điện 22 Hình 24: Cấu tạo tụ điện .22 Hình 25: Động chiều (DC) 24 Hình 26: Cấu tạo động môt chiều (DC) 24 Hình 27: Nguyên lí hoạt động động điện chiều 25Y Hình 1: Sơ đồ khối mạch băm xung PWM điều khiển động 27 Hình 2: Biểu đồ phương pháp điều chế PWM 28 Hình 3: Mạch ngun lý tạo xung vng có điều chỉnh tần số PWM 29 Hình 4: Sơ đồ nguyên lý mạch 31 Hình 5: Sơ đồ mạch in 32 Hình 6: Sơ đồ phối cảnh mạch 32 Bảng 1: Linh kiện sử dụng mạch 30 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI CHƯƠNG GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề Ngày tất nước giới nói chung nước ta nói riêng thiết bị bán dẫn thâm nhập vào sống ngành công nghiệp, nông nghiệp ứng dụng ngày nhiều thành tựu công nghiệp điện tử công suất Ứng dụng điện tử công suất điều khiển tốc độ động lĩnh vực quan trọng phát triển Động điện chiều ứng dụng rộng rãi ứng dụng sống công nghiệp Động điện chiều chạy với tốc độ định cấp nguồn điện vào, nhiên điều chỉnh tốc độ chiều quay động với hỗ trợ mạch điện kèm Là sinh viên ngành tự động hóa sau học xong lý thuyết thực hành môn điện tử công suất Người thực đề tài định tìm hiểu nghiên cứu “ Mạch băm xung PWM sử dụng IC 555” để nắm rõ kiến thức lý thuyết áp dụng thực hành vào sống 1.2 Giới thiệu đề tài Mạch điều khiển động chiều dùng IC 555 cách tạo xung PWM phương pháp thay đổi điện áp vào động Người ta dùng mạch điện tử để thay đổi độ rộng xung ngõ mà không làm thay đổi tần số Sự thay đổi dộ điện áp Điện áp ngõ đặt vào động nhỏ điện áp nguồn Sau xung ngõ thông qua mạch công suất để điều khiển tốc độ động động đạt hiệu làm việc cao PWM phương pháp mà qua tạo điện áp thay đổi cách bật tắt nguồn điện đến thiết bị điện tử với tốc độ nhanh Điện áp trung bình phụ thuộc vào chu kỳ làm việc tín hiệu lượng thời gian tín hiệu BẬT so với lượng thời gian tín hiệu TẮT khoảng thời gian quy định 1.3 Phương pháp thực Người thực đề tài chủ yếu sử dụng hai phương pháp:  Phương pháp tham khảo tài liệu: Nguồn tài liệu chủ yếu tiếng việt tiếng anh tìm kiếm Internet  Phương pháp thực hành: Song song với việc nghiên cứu tài liệu, nhóm Trang CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI thực đề tài thực hành mơ hình để dễ nắm bắt lý thuyết 1.4 Mục đích đề tài Mục đích đề tài phải thỏa mãn yếu tố sau:  Có thể điều khiển tốc độ động DC  Tải động có cơng suất lớn  Có thể ứng dụng vào nhiều vấn đề thực tiễn sống  Hoạt động ổn định, bền bỉ 1.5 Ý nghĩa đề tài Đề tài giúp người thực đề tài nắm vững kiến thức lí thuyết thực hành nâng cao kiến thức chuyên ngành để tạo tiền đề giúp người thực đề tài hồn thiện đồ án mơn học đồ án tốt nghiệp mang tính kỹ thuật cao Đề tài có tính sáng tạo tính tốn thiết kế mạch điện giúp tác giả đề tài có thêm cảm hứng học tập sáng tạo Trang CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT CHƯƠNG CƠ SỞ LÍ THUYẾT 2.1 Cơ sở lí thuyết 2.1.1 Phương pháp điều xung PWM gì? Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) phương pháp điều chỉnh điện áp tải, hay nói cách khác, phương pháp điều chế dựa thay đổi độ rộng chuỗi xung vuông, dẫn đến thay đổi điện áp Các PWM biến đổi có tần số khác độ rộng sườn dương hay sườn âm Hình 1: Đồ thị dạng điều xung PWM 2.1.2 Ứng dụng PWM điều khiển PWM ứng dụng nhiều điều khiển Điển hình mà thường hay gặp điều khiển động xung áp, điều áp Sử dụng PWM điều khiển độ nhanh chậm động hay cao nữa, cịn dùng để điều khiển ổn định tốc độ động Ngồi lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải PWM tham gia điều chế mạch nguồn : boot, buck, nghịch lưu pha pha PWM gặp nhiều thực tế mạch điện điều khiển Điều đặc biệt PWM chuyên dùng để điều khiển phần tử điện tử cơng suất có đường đặc tính tuyến tính có sẵn nguồn chiều cố định Như PWM ứng dụng nhiều thiết bị điện- điện tử PWM nhân tố mà đội Robocon sử dụng để điều khiển động hay ổn định tốc độ động Trang CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT Ứng dụng dùng nhiều thực tế là biến trở làm áp để thay đổi độ sáng đèn LED đèn 220V Biến trở làm nhiệm vụ thay đổi điện áp để tăng giảm độ sáng đèn Khuếch đại âm điều chỉnh lớn nhỏ volume 2.3.7 Tụ điện a Khái niệm Tụ điện là loại linh kiện điện tử thụ động tạo hai bề mặt dẫn điện được ngăn cách bởi điện môi Khi có chênh lệch điện thế tại hai bề mặt, bề mặt xuất hiện điện tích cùng điện lượng nhưng trái dấu Sự tích tụ điện tích hai bề mặt tạo khả tích trữ năng lượng điện trường của tụ điện Khi chênh lệch điện hai bề mặt là điện xoay chiều, tích luỹ điện tích bị chậm pha so với điện áp, tạo nên trở kháng của tụ điện mạch điện xoay chiều Hình 22: Hình ảnh tụ điện b Kí hiệu Trang 22 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT Hình 23: Một số kí hiệu tụ điện c Cấu tạo tụ điện Một tụ điện thông thường có cấu tạo bao gồm:  Tụ điện gồm hai dây dẫn điện thường dạng kim loại Hai bề mặt đặt song song với ngăn cách lớp điện môi  Điện môi sử dụng cho tụ điện chất không dẫn điện gồm thủy tinh, giấy, giấy tẩm hóa chất, gốm, mica, màng nhựa khơng khí Các điện mơi khơng dẫn điện nhằm tăng khả tích trữ lượng điện tụ điện Hình 24: Cấu tạo tụ điện Trang 23 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT d Nguyên lý hoạt động tụ điện Nguyên lý phóng nạp tụ điện hiểu khả tích trữ lượng điện ắc quy nhỏ dạng lượng điện trường Nó lưu trữ hiệu electron phóng điện tích để tạo dịng điện Nhưng khơng có khả sinh điện tích electron Đây điểm khác biệt lớn tụ điện với ắc qui Nguyên lý nạp xả tụ điện tính chất đặc trưng điều nguyên lý làm việc tụ điện Nhờ tính chất mà tụ điện có khả dẫn điện xoay chiều Nếu điện áp hai mạch không thay đổi đột ngột mà biến thiên theo thời gian mà ta cắm nạp xả tụ dễ gây tượng nổ có tia lửa điện dòng điện tăng vọt Đây nguyên lý nạp xả tụ điện phổ biến e Phân loại Các loại tụ điện thông dụng thị trường:  Tụ điện gốm  Tụ điện giấy  Tụ mica  Tụ hóa f Ứng dụng Tụ điện có ứng dụng sau:  Tụ điện linh kiện điện tử thiếu bo mạch điều khiển từ công nghiệp đến dân dụng : Tivi, tủ lạnh, máy giặt,…  Để khởi động – động pha bắt buộc phải dùng tụ điện để kích hoạt motor  Bên máy hàn điện tử sử dụng tụ điện nhiều dùng nạp phóng điện mạch khuếch đại Để làm nóng chảy kim loại cần dịng điện lớn, máy hàn tăng dòng điện lõi kim loại dây đồng  Ứng dụng tụ điện thực tế lớn việc áp dụng thành cơng nguồn cung cấp lượng, tích trữ lượng 2.3.8 Động chiều (DC) Trang 24 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT a Khái niệm Động chiều DC (DC từ viết tắt Direct Current Motors) động điều khiển dòng có hướng xác định hay nói cách khác loại động chạy nguồn điện áp DC - điện áp chiều Hình 25: Động chiều (DC) b Cấu tạo Cấu tạo động điện chiều thường gồm phận sau:  Stator: hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu nam châm điện  Rotor: phần lõi quấn cuộn dây để tạo thành nam châm điện  Chổi than (brushes): giữ nhiệm vụ tiếp xúc tiếp điện cho cổ góp  Cổ góp (commutator): làm nhiệm vụ tiếp xúc chia nhỏ nguồn điện cho cuộn dây rotor Số lượng điểm tiếp xúc tương ứng với số cuộn dây rotor Trang 25 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT Hình 26: Cấu tạo động mơt chiều (DC) c Nguyên lý hoạt động Stato động điện chiều thường nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hay nam châm điện, rotor gồm có cuộn dây quấn kết nối với nguồn điện chiều Một phần quan trọng khác động điện chiều phận chỉnh lưu, phận làm nhiệm vụ đổi chiều dòng điện chuyển động quay rotor liên tục Thông thường, phận có thành phần: cổ góp chổi than tiếp xúc với cổ góp Trang 26 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT Nếu trục động điện chiều kéo lực ngồi động hoạt động máy phát điện chiều, tạo xuất điện động cảm ứng Electromotive force Khi vận hành chế độ bình thường, rotor quay phát điện áp gọi sức phản điện động counter-EMF sức điện động đối kháng, đối kháng lại với điện áp bên đặt vào động Sức điện động tương tự sức điện động phát động sử dụng máy phát điện Như điện áp đặt động bao gồm thành phần: sức phản điện động điện áp giáng tạo điện trở nội cuộn dây phản ứng Hình 27: Ngun lí hoạt động động điện chiều d Ứng dụng  Nhờ có loại động điện chiều khác nhau, nên có nhiều ứng dụng cho loại động DC  Ở xung quanh chúng ta, động DC nhỏ sử dụng công cụ, đồ chơi thiết bị gia dụng khác  Trong công nghiệp, ứng dụng động DC bao gồm băng tải, bàn xoay ứng dụng phanh đảo chiều… Trang 27 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG 3.1 Thiết kế 3.1.1 Sơ đồ khối Hình 1: Sơ đồ khối mạch băm xung PWM điều khiển động  Khối 1: Nguồn DC 12V sử dụng để cấp nguồn cho toàn mạch bao gồm IC định thời 555 động 12V DC  Khối 2: Bộ định thời 555 sử dụng để tạo tín hiệu PWM với trợ giúp vài thành phần thụ động.   Khối 3: Tín hiệu PWM tạo sau áp dụng cho động DC dựa chu kỳ hoạt động tín hiệu PWM, cường độ động cao thấp.    Khối 4: Xuất tín hiệu PWM động DC 12V 3.1.2 Tính tốn PWM Một mạch tạo dao động xung vng điều chỉnh độ rộng xung mà giữ nguyên tần số dao động gọi mạch băm xung PWM ( điều chỉnh độ rộng xung) Trong thực tế mạch điện băm xung PWM thiết kế cách lập trình vi xử lý sử dụng khuếch đại thuật toán OPMP Phương pháp điều chế PWM ( Pulse Width Modulation) phương pháp điều chỉnh điện áp tải hay nói cách khác phương pháp điều chế dựa thay đổi độ rộng chuỗi xung vuông dẫn đếm thay đổi điện áp Để dễ hiểu ta có hình vẽ sau : Trang 27 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG Hình 2: Biểu đồ phương pháp điều chế PWM Sơ đồ dạng xung điều chế chu kì thời gian xung lên (Sườn dương) thay đổi dãn co vào Và độ rộng tính phần trăm tức độ rộng tính sau : Độ rộng  =   t1 100 (%) T (3.1) t1 T (3.2) Trong đó: t1: Thời gian Ton (s) T: Chu kì (s) U0 = Uv Trong đó: U0: Điện áp đầu (V) UV: Điện áp đâ vào (V) t1: Thời gian Ton (s) T: Chu kì (s) Như thời gian xung lên lớn chu kì điện áp đầu lớn Nhìn hình vẽ ta tính điện áp tải :  Đối với PWM = 25% ==> Ut = Umax.(t1/T) = Umax.25% (V)  Đối với PWM = 50% ==> Ut = Umax.50% (V)  Đối với PWM = 75% ==> Ut = Umax.75% (V) Cứ ta tính điện áp đầu tải với độ rộng xung 3.1.3 PWM IC 555 Trang 28 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG Thực chất trình làm thay đổi độ rộng xung 555 thực chất ta thay đổi thời gian nạp xả tụ điện Thời gian nạp tụ điện tương đương với đầu mức cao thời gian xả tụ điện tương đương với thời gian mức thấp Như cần điều chỉnh số thời gian nạp xả điều chỉnh PWM Xét mạch ngun lý tạo xung vng có điều chỉnh tần số PWM: Hình 3: Mạch ngun lý tạo xung vng có điều chỉnh tần số PWM Ở linh kiện cần quan tâm : R , R2, C1 Một ba linh kiện làm thay đổi tần số PWM đầu Ở ta dùng biến trở R để điều khiển điện trở dễ kiếm thơng dụng dễ đo đạc tính tốn Như ta biết IC 555 IC dao động tạo xung vng có điểu chỉnh tần số PWM Q trình làm dựa vào q trình phóng nạp tụ điện  Khi tụ nạp điện chân mức xung đầu mức cao  Khi tụ xả điện chân mức cao xung đầu mức thấp Tần số dao động chung : f= ln 2.C 1.(R 1+2 R 2) Trong đó: f: Tần số giao động (Hz) C1: Giá trị tụ C1 (F) R1: Giá trị điện trở R1 (Ω) R2: Giá trị điện trở R2 (Ω) Trang 29 (3.3) CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG Nhìn dựa vào cơng thức tính tần số ta thấy cần điều chỉnh giá trị R 1, R2, C1 tần số đầu thay đổi dùng điều chỉnh R2 cho đơn giản Sơ đồ xung vng đầu : Nhìn sơ đồ xung ta thấy chu kì dao động :  T = t1 + t2 (s) (3.3) Như vấn đề thay xung sườn dương tức thay đổi thời gian t1 Nếu mà t1 lớn chu kì  thì điện áp trung bình tải lớn thời gian t1 nhỏ chu kì điện áp trung bình nhỏ Và đảm bảo t