Hình 2.17 Mạch so sánh khếch đại vi sai Giả sử Opamp là lý tưởng:
Có VN = VP i+ = i- = 0
=> Phương trình điện áp tại điểm N là + =0
=>=- + VN (+ ) = - + VN Mà: VN=VP=Vch
= > VN=VP=Vch = > = - + Vch. => = - + = > Vout= (Vch – Vlm) Đăt K0 = , Vlm = K1VLC (2.24) => Vout= Ko (Vch – K1VLC ) (2.25) 2.8.4 Mạch đệm Hình 2.18 Mạch Opam đêm
Mạch khuếch đại đệm dùng để giới hạn những ảnh hưởng của tải hay để phối hợp tổng trở ổn đinh điện áp đầu rá
Có: Vout = Vht (2.26)
2.9. Kết luận chương
Chương này cung cấp cho ta những kiến thức liên quan về các linh kiện được sử dụng trong mạch. Từ đó chúng ta vận dụng vào việc thiết kế mạch tối ưu dựa trên các thông số của linh kiện, đảm bảo mạch hoạt động ổn định và tiết kiệm tối đa chi phí làm mạch
CHƯƠNG III:,THIẾT THẾ, MÔ PHỎNG VÀ THI CÔNG MẠCH
3.1 Giới thiệu chương
Trên cơ sở chương 1 và 2 chúng ta đi vào thiết kế và thi công cụ thể toàn bộ các khối của mạch ổn áp xung buck.
- Tính toán mạch lọc LC - Tính chọn Mosfet
- Tính toán mạch điều khiển Mosfet
- Tính toán mạch tạo xung (Astable)
- Tính toán mạch xén
- Tính mạch điều chế đô rông xung (monostable) - Tính toán mach hồi tiếp
3.2 Yêu cầu thiết kế
Yêu cầu: + Tần số làm việc f = 10Khz,
+ Điện áp trung bình đầu ra VO = 10 v + Điên áp đầu vào VIN = 12 ÷ 18 v + Dòng trung bình đầu ra IO = 5A + Độ gợn áp đỉnh = 0,1 v + Độ gợn dòng đỉnh = 0,1 A
3.3 Sơ đồ mạch tổng thể
3.4, Tính toán mạch lọc LC
Hình 3.2 Sơ đồ mạch lọc LC Theo công thứ (2.10) => Lmin = = = 4,44. H
Chọn L = 4,5 mH
Theo công thứ (2.11) => Cmin = = = 1,2345 . F = 12,345 μF Chọn C = 22 μF
Tụ C phải chiệu được điện áp lớn hơn (1,5÷2).VO = 2.10 = 20V => Chọn tụ Hóa 22 μF/50V
Điều kiện chọn Diode xung Dòng qua Diode ID ≥ 1,5.Imax Với Imax = Io + = 5+ 0,1 = 5,1 A -> ID ≥ 1,5.5,1 = 7,65 A
Điện áp ngược cực đại trên Diode VD ≥ (3÷4)VInmax = 4.18 = 72 V -> VKA ≥ 72 V
=> Chọn Diode MBR20100CT có: ID = 20A
Tính chọn thông số dây quấn cho cuộn cảm Theo công thức (2.14) S =
Với j chọn theo bảng 3.1 mật độ dòng điện sau. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bảng 3.1 mật độ dòng điện j A/mm2
Loại dây dẫn Mật độ dòng điện với Tmax giờ
1000 - 3000 3000 - 5000 >5000 1, dây dẫn và thanh dẫn trần -Bằng đồng - Bằng nhôm, nhôm lõi thép 2,5 1,3 2,1 1,1 1,8 1,0 2,Cáp cách điện bằng giấy - Bằng đồng - Bằng nhôm 3,0 1,6 2,5 1,4 2,0 1,2 3, Cáp cách điện bằng cao su -Bằng đồng -Bằng nhôm 3,5 1,9 3,1 1,7 2,7 1,5
=> S = = = 2 mm2
Chon dây đồng có đường kính d = = = 1,59mm chọn dây đồng có đường kính 2mm Chọn lõi để quấn dây là lõi hình xuyến có R = 18 mm.
r = 12 mm. h = 15 mm. Vật liệu làm lõi là Ferit có µ = 750 -15000 (H/m) Với lõi Ferit không có nhãn hiệu chọn µ =7000 (H/m) Theo công thức (2.13)
N = = = 23 (Vòng)
3.5. Tính chọn Mosfet
Dựa vào Hình 1 khối Buck transistor đóng và Hình 2 khối Buck khi transistor mở Ta thấy vị trí của mosfet có cực nối với nguồn. Vì vậy Chọn mosfet kênh P để dễ dang tạo điện áp VGS để dẫn bão hòa mosfet.
Điều kiện chọn mosfet Điện áp đặt trên mosfet
|VDS| > (1,5 ÷2)VIN(max) = 2. 18 = 36 v. Dòng qua mosfet
|ID| > (1,5 ÷2)Imax =(1,5 ÷2) ( IO + ) = 2. (5+0.1) = 10,2 A Công suất của mosfet
Pmosfet > (1,5 ÷2). Ptt = 2. RDS(on) .
= 2.20.. = 1,0404W
=> chọn RDS(on) 20mΩ
Vậy ta chọn mosft IRF4905 là mosfet trường cảm ứng có các thống số như sau: P = 200W
VDSS = -55V ID = -74A Vgs(th) = -2 ÷-4 V
Hình 3.3 Đặc tuyến –VDS, -ID của Mosfet IRF4905 Theo hình 3.3 ta tính được K = -20(A/V2)
Để Mosfet dẫn bão hòa thì ID = - Imax = - Io = -5A ID = K(VGS - Vgs(th)(min) )2
-5 = -20(VGs - - 4)2 => VGS = -3,5 V
Vậy mosfet dẫn bão hòa khi VGS ≤ - 3,5 V.
3.6 Tính toán mạch điều khiển Mosfet
(Hình 2.2) Tính chọn Q7 Chọn R23 = 10KHz
-> IR23(max) = = = 1,775 mA => Điều kiện chọn Q7
Công suất của BJT PQ7(max) > 2.Ptt = 2 . VCES. IR4(max) = 0,8875 mW Hiêu điện thế đặt trên BJT VCEO > 2. Vin(max) = 2.18 = 36 V
Dòng qua BJT IC(max) > 2. IR1(max) = 2. 1,775 = 3,55 mA. Vậy ta chọn BJT C1815 có các thông số như sau : VCEO = 50V P(max) = 400mW IC(max) = 150mA min = 25 Vbes = 1 V Vces = 0,25 V
-> PR23(max) = IR23(max) . (Vin(max) -Vces)
= 1,75 . .(18 – 0,25) = 0,0315 W =>Chọn R23 = 10K Ω / 0,25 W.
Để đảm bảo Q7 hoạt động ở chế độ bảo hòa thì + VbeQ7 ≥ Vbes = 1 V
+ Dòng qua IBQ7(min) = = = = 0,047mA => Chọn IBQ7 ≥ 3. IBQ7(min) = 3. 0,047 = 0,141 mA => R24(max) = = ≈65744 Ω => Chọn R24 = 47KΩ PR6 = = = 1,82mW Chọn R24 = 47KΩ / 0,25W. Để Vbe > 1V thì VR34 > 1 V Với = => VR34 = > 1V => R34 ≥ = = 5683 Ω Chon R34 = 10K Ω -> VR34 = = 1,62V (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Công suất qua R34 : PR34 = = = 2,6mW => Chon R34 10kΩ /0,25W
Chọn Q6 là A1015 vì Q6 chỉ có tác dụng xả điện áp chân G về 0 nên chọn BJT thông dụng ngoài thị trường có các thông số như sau:
VCEO = -50V P(max) = 400mW IC(max) = -150mA min = 25 Vce = -0,1 V Vbes =-11 V
Theo datasheet của IRF4905 thì giá trị tụ ký sinh trung bình khoảng 640nF, và với yêu cầu tần số 10Khz => chu kỳ là việc T = 100μs
Vậy để tạo xung vuông kích dẫn Mosfet thì thời hằng nạp tụ phải bé TRC = 0,1T =0,1.100μs = 10μs = R20C => R20 = =15,625
=> Chọn R20 =10 Tính chọn Q2 Chọn R21 = 10k
Giả sử VCES của BJTQ4 = 0,25 V ta có -> IR21(max) = = = 1,775 mA
=> Điều kiện chọn Q2
Công suất của BJT PQ2(max) ≥ 2.Ptt = 2 .VCES. IR24(max)
Hiêu điện thế đặt trên BJT VCEO > 2. Vin(max) = 2.18 = 36 V Dòng qua BJT IC(max) > 2. IR1(max) = 2. 1,775 = 3,55 mA. Vậy ta chọn BJT C1815 có các thông số như sau : VCEO = 50V P(max) = 400mW IC(max) = 150mA min = 25 Vbes = 1 V Vces = 0,25 V
-> PR21(max) = IR21(max) . (Vin(max) -Vces)= 1,775. .(18 – 0,25) = 31,5 mW
Để đảm bảo Q2 hoạt động ở chế độ bảo hòa thì: + VbeQ2 > Vbes = 1 V
+ Dòng qua IBQ4(min) = = = = 0,047mA Chọn dòng IBQ4 ≥ 3. IBQ4(min) = 0,141 mA => R23(max) = = ≈78014 Ω
=> Vậy R23 = 10KΩ thỏa mãn điều kiện trên PR23 = = = 0,02898W
3.7 Tính toán mạch tạo xung (Astable)
Hình 3.4 Sơ đồ mạch Astable thiết kế
Ta có Chọn có các thông số :
Chọn IC555 là NE 17555. -Nguồn cung cấp :
-Dòng tiêu thụ trung bình : -Công suất tiêu tán : 600 mW. Khi => Chọn Thiết kế = 50.125 = 620 (A) =>650 kΩ. Chọn .
Dùng hai con biến trở vi chỉnh 500 để thay thế . Thời gian tồn tại xung chính là thời gian nạp xả tụ . Theo (2.18) thời gian nạp tụ là:
Ta có . . Chọn =220 pF. Dòng tối đa qua là : = =
Công suất tiêu tán trên là:
Dòng tối đa qua là : = =
Công suất tiêu tán trên là:
Chọn là loại 1N4001 với ;=1 A Chọn tụ =0,01 để chống nhiễu.
3.8 Tính mạch xén
Hình 3.5 Sơ đồ mạch xén
Khi điện áp ngõ ra của mạch astable ở mức 0 tụ được nạp từ qua đến ngõ ra của mạch astable. Để mạch monotable hoạt động được thì độ dài xung kích đưa vào chân (2) của mạch mono phải nhỏ hơn thời gian tồn tại xung cuả mạch.
-Phương trình nạp tụ :) + Với ,
Gọi là thời gian nạp tụ được ) = (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
= ln(1,5).
Gọi là thời gian tồn tại xung của mạch monotable. là điện áp ngõ ra của ổn áp.
Ta có
=
+Áp vào
+Độ biến thiên áp vào: 12V->18V +Áp ra =10V +Độ gợn :=0,1V Khi = 15V => = = 66,67 . = 12V => = = 83,33 . = 18V => = = 55,55 . Để đảm bảo độ rộng nhỏ hơn ta chọn = = =27,4. Chọn =22nF => = 857 Chọn = 820 .
3.9 Tính mạch điều chế đô rông xung (monostable)
Hình 3.6 Sơ đồ mạch Monostable Chọn IC555 là loại NE17555.
Tính mạch hoạt động bình thường với áp vào =15V Khi =>
.
Chọn .
Dùng biến trở vi chỉnh 500 để thay thế
Thời gian tồn tại xung chính là thời gian tụ nạp điện từ 0 đến Theo (2.20) thời gian nạp tụ là
=
= =225 pF
Chọn =220 pF
Dòng nạp cực đại cho tụ :== = 0,036 mA. Công suất tiêu tán trên là == 0,28 mW. Ta có: = = 48,4.
3.10 Tính toán mach hồi tiếp
3.10.1 Tính giá trị Vht đưa về mạch Monostable
Theo datashet của ic 555: Giá trị điện trở nội trung bình khoảng 10KΩ Chọn R9 =5K6 Ω
Hình 3.7 Sơ đồ mạch tính Vht từ điện trở nội ic555
Giải mạch sơ đồ trên ta rút đươc công thức tính Vc5: Vc5 = + . => Vht = (3.1) -Phương trình nạp tụ của ) + Khi = = 12V ; = = 83,33 =) = 9,85 V + Khi = = 15V ; = = 66,67
=) = 8,97 V
+ Khi = = 18V ; = = 55,56
=) = 8,19V
Thay các giá trị VC5 vào (3.1) Ta nhân đươc các giá tri Vht (3.2)
Với Vin =18V => Vc5 = 8,19 => Vht = 8,35 V Vin =15V => Vc5 = 8,97 => Vht = 9,7 V Vin =12V => Vc5 = 9,85 => Vht = 11,412 V
3.10.2 Tính mạch tạo điên áp chuẩn
(Hình 2.16)
Với điện áp chuẩn là 5,1V =>VR18 5,1 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
V Ta chọn diode 1N4733A, có VD = 5,1 V IDmax = 178 mA
=> Để đảm Diode hoạt động tốt thì Với IR1 << IDmax
Chọn IR1 < = = 89 ma Theo công thức (2.23) IR1 =
=> IR1 < = => R1 > = 77 Ω => Chọn R1 = 1k Ω
3.10.3 Tính mạch so sánh khuyếch đại vi sai (Hình 2.17) (Hình 2.17)
Theo công thức (2.26) : Vout = Vht
Omamp có thế suất ra giá tri ở mức cao là >11,412 V Vậy ta chọn Opamp Lm358 có các thông số như sau Vccmax = 36V
VOhmax ≈ Vcc – 2V
Hình 3.8 Sơ đồ chân của LM358. Thay công thức thay công thức (2.26) vào (2.25)
=> Vht= Ko (Vch – K1VLC ) (3. 3)
Gía trị VLC trong 3 trường hợp khi: (3.4)
Vin = 18V => VLC = tx0f.Vin = 66,67..10000.18 = 12V Vin = 15V => VLC = tx0f.Vin = 66,67..10000.15 = 10V Vin = 12V => VLC = tx0f.Vin = 66,67..10000.12 = 8V
Thay các giá trị Vht ở (3.2) giá trị VLC ở (3.4) vào công thức (3.3) => Ta giả đươc các giá tri KO = 3,405
K1 = 0,222 Theo công thức (2.33) K0 = = 3,405 => Chọn R16 = 1MΩ
=> R13 = = = 0,2936 MΩ = 293,6 KΩ => Chon R13 là vi trở 500kΩ
3.10.4 Tính toán mạch lấy mẫu (Hình 2.15) (Hình 2.15) Theo công thức (2.22) R12 = . Chọn R11 = 100KΩ => R12 = = 28,62 KΩ Chọn R12 là vi trở 50KΩ
3.12. Kết luận chương
Dựa vào các công thức được thiết lập ở chương 2 chúng em đã thiết kế được sơ đồ mạch, tính toán giá trị của các linh kiện sử dụng trong mạch và chế tạo thành công mạch ổn áp Buck
Tiến gia gia công mạch và đo xung, kết quả thực tế cho thấy:
Tần số xung vẫn không hoàn toàn chính xác như tính toán lý thuyết so sai số của linh kiện điện tử có ngoài thì trường.
KẾT LUẬN
Sau thời gian thực hiện đề tài nhóm đã tính toán ,thiết kế, và thi công thành công mạch ổn áp xung buck và tiến hành thử nghiệm khả năng hoạt động. Tuy nhiên vẫn tồn tại một số vấn đề cần khác phục về mạch hồi tiếp để đảm bảo khả năng ổn định của mạch .
Trong thời gian sắp tới nhóm sẻ tiến hành nghiên cứu để cải thiện thêm nhằm đảm bảo khả năng ổn định của mạch.
Qua quá trình thực hiện đề tài nhóm đã đưa ra được một và đánh giá về ưu nhược điểm của đề tài, cũng như bản thân từng thành viên
Ưu điểm :
- Thiết kế được mạch ổn áp cấp nguồn ổn định.
- Áp dụng được lý thuyết vào công việc tính toán thiết kế.
- Hiểu công dụng của các linh kiện cũng như cách thức xây dựng, bố trí và hoàn thành một mạch điện tử.
- Nâng cao tày nghề thi công mạch điện tử.
- Mạch ổn áp nhỏ gọn, giá thành rẻ và dể dàng sử dụng. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Mạch thiết kế không quá phức tạp, dể dàng mô phỏng bằng phần mền, linh kiện điện tử phổ biến dể dàng tìm kiếm và giá thành rẻ.
Nhược điểm :
- Mạch hoạt động chưa được ổn định. - Gia công mạch vẫn chưa hoàn toàn tối ưu.
Hưởng phát triển đề tài:
- Hoàn thiện mạch hồi tiếp để nâng cao khả năng ổn định của mạch ổn áp. - Phát triển và tích hợp thêm mạch bảo vệ quá dòng, quá áp vào mạch ổn áp.
- Cùng với Buck nghiên cứu phát triển thêm về ổn áp xung Boost, Boost - Buck và Cuk.
Trong thời gian thực hiện đồ án nhóm đã gặp phải nhiều khó khăn nhưng với sự hướng dẫn tận tình của Thầy Nguyễn Văn Phòng và sự nỗ lực chúng em đã từng bước vượt qua được và hoàn thành đồ án.
Tuy đã hoàn thành nhưng không thể tránh khỏi được những sai sót và hạn chế trong cách thiết kế của nhóm mong được sự góp ý xây dựng của các thầy và các bạn để thiết kế của nhóm được hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
TÀI LIÊU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Văn Phòng, Giáo Trình Kỹ Thuât Xung Số [2] Nguyễn Duy Nhật Viễn, Giáo Trình Điện Tử Công Suất
[3] Nguyễn Duy Nhật Viễn, Giáo Trình Kỹ Thuật Điện Tử
[4] Ngô Thanh Bình, Giáo Trình Linh Kiện Điện Tử Và Ứng Dụng, Nhà Xuất Bản Giáo Dục
[5] Phạm Quốc Hải, Hướng Dẫn Thiết Kế Điên Tử Công Suất, Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật
[6] Nguyễn Hữu Khái, Thiết Kế Máy Điên Và Trâm Biến Áp, Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuât.
[7] Lê Hùng, Điện Từ Học 2, Nhà Xuất Bản Giáo Dục Việt Nam.
[8] Trần Văn Thinh,Thiết Kế Cuộn Dây Và Biến Áp Trong Thiết Bi Điện Tử Công Suất, Nhà Xuất Bản Giáo Duc Viêt Nam