CHƢƠNG 4 THIẾT KẾ MẠCH PHÁT CAO TẦN
4.1 Thiết kế mạch tạo xung PWM
Mạch tạo tín hiệu cung cấp tín hiệu xung hoạt động ở tần số siêu âm cho mạch công suất. Ở chế độ dạng xung cảm biến siêu âm sẽ hoạt động ở chế độ đóng ngắt theo một thời gian nhất định (Ton) có tần số thấp hơn tần số cộng hƣởng của riêng nó. Để tạo ra đƣợc tín hiệu có thể điều chỉnh tần số và độ rộng xung trong luận văn này em sử dụng IC SG3525 là IC tạo xung PWM với 2 đầu ra lệch pha nhau 180º đa năng và đƣợc phổ biến đƣợc sản xuất bởi nhiều nhà sản xuất nhƣ ST Microelectronics, Fairchild Semiconductors, On Semconduct.
38
Hình 4.2 Sơ đồ chân IC SG3525A [6]
PWM đƣợc sử dụng trong điều khiển mạch công suất và mạch lái MOSFET, một số ví dụ phổ biến nhƣ điều khiển động cơ, bộ chuyển đổi DC-DC, bộ biến tần DC-AC và bộ điều chỉnh đèn. SG3525 đƣợc sử dụng rất rộng rãi trong bộ chuyển đổi DC-DC, biến tần, hệ thống UPS tại nhà, bộ biến tần năng lƣợng mặt trời, nguồn điện, sạc pin và nhiều ứng dụng khác. Hình 4.2 là mô tả chi tiết về IC SG3525.
39
Chân 1 (Inverting Input – đầu vào đảo), chân 2 (Non Inverting Input – đầu vào không đảo) là đầu vào của bộ khuếch đại sai số. Nó nhƣ một bộ so sánh kiểm soát việc tăng hoặc giảm chu kỳ xung tùy theo mức diện áp đầu vào ở chân đảo và không đảo.
Khi điện áp đầu vào đảo (chân 1) lớn hơn điện áp đầu vào không đảo (chân 2), chu kỳ xung sẽ giảm
Ngƣợc lại khi đầu vào điện áp không đảo (chân2) lớn hơn đàu vào đảo (chân 1), chu kỳ xung sẽ tăng.
Chân 3 (Sycn): dùng để kết hợp với các bộ ổn áp xung khác để hoạt động đồng bộ.
Chân 4 (OSC ouput): Xuất ra tín hiệu tần số dao động
Chân 5 (CT): Tụ điều chỉnh tần số dao động
Chân 6 (RT): Điện trở điều chỉnh tần số dao dộng
Chân 7 (Discharge ): RD điều chỉnh thời gian deadtime
Chân 8 (Soft-start ): Chân này có chức năng khởi động mềm
Chân 9 ( COMP): là chần bù, hiệu chỉnh, nó đƣợc kết hợp với chân 1 để cung cấp sự hiệu chỉnh.
Chân 10 (Shutdown): Khi ở mức thấp PWM đƣợc bật. Khi chốt này cao, chốt PWM đƣợc đặt ngay lập tức. Điều này cung cấp tín hiệu tắt nhanh nhất cho đầu ra. Đồng thời, tụ điện khởi động mềm đƣợc xả với nguồn dòng 150 µA.
Chân 11 và chân 14 là đầu ra của các xung PWM, 2 chân này có xung lệch pha 180º.
Chân 12 (Ground): Chân kết nối với ground của mạch nguồn.
Chân 13 là VC - điện áp cung cấp cho giai đoạn trình điều khiển SG3525. Nó đƣợc kết nối với các collector của các bóng bán dẫn NPN trong giai đoạn cực đại đầu ra.
Chân 15 là VCC - điện áp cung cấp cho SG3525 làm cho nó chạy.
Chân 16 là đầu ra từ phần tham chiếu điện áp. SG3525 chứa mô-đun tham chiếu điện áp bên trong đƣợc đánh giá ở mức + 5.1V đƣợc cắt để cung cấp độ chính xác ± 1%.
Tần số của PWM phụ thuộc vào sự điều chỉnh tụ và điện trở. Tụ điều chỉnh kết nối giữa chân 5 và ground. Điện trở điều chỉnh kết nối giữa chân 6 và
40 ground Điện trở nằm giữa chân 5 và chân 7 (RD)xác định thời gian deadtime ( và cũng có ảnh hƣởng đến tần số ).
f =
RT và RD đơn vị là Ώ , CT là Fara , f là Hezt.
Có một flip-flop nằm trƣớc tầng điều khiển, do đó tín hiệu đầu ra sẽ có tần số bằng một nửa tần số dao động tính bằng cách sử dụng công thức trên. Ví dụ nếu cần tần số 5khz để điều khiển FET thì tần số lái FET là 5khz thì tần số dao động là 10khz.
Sau đây là một số thông số quan trọng của nhà sản xuất đƣa ra mà chúng ta cần chú ý. [6]
Bảng 4-1 Các chỉ số tối đa mà IC SG3525A có thể cung cấp
Ký hiệu Tham số Giá trị Ghi chú
VI Điện áp cung cấp <=40V VC Điện áp cung cấp chân collector <=40V Io Dòng đầu ra 500mA Ton Độ rộn xung 0%<Ton<=49%
Bảng 4-2 Các giá trị điều kiện hoạt động mà nhà sản xuất đƣa ra
Tham số Giá trị
Điện áp đầu vào 8 – 35V
Điện áp cung cấp Collector (Vc) 4.5 – 35V Phạm vi tần số dao động 100Hz – 400KHz
RT 2KΏ – 150KΏ
CT 0.001µF – 0.1µF
41
Hình 4.4 Sơ đồ mạch tạo PWM sử dụng IC SG3525
Trong sơ đồ hình 4.4 chức năng vai trò của cac linh kiện nhƣ sau:
RT, CT, RV1 có chức năng xác lập tần số xung dao động R1, C16, C15 mạch lọc nguồn cho chân 15 (VCC), R2, C1, C2 mạch lọc nguồn cho chân 13 (VC).
RD : tạo thời gian deadtime ban đầu, xác lập tần số dao động RV2, R3 có chức năng điều chỉnh độ rộng xung đầu ra. Tần số dao động mạch tạo ra có băng thông từ 22khz – 95khz, Có thể điều chỉnh đƣợc tần số thông quá biến trở RV1.
42
Hình 4.5 Dạng tín hiệu PWM ở đầu ra của IC SG3525 4.2 Thiết kế mạch điểu khiển MOSFET mạch công suất. 4.2 Thiết kế mạch điểu khiển MOSFET mạch công suất.
Xung tín hiệu đƣợc tạo sẽ đƣợc truyền đến mạch điều khiển FET sử dụng IC IR2110 dùng để điều khiển hoạt động của 2 MOSFET trong mạch công suất sử dụng mạch cầu H. Ta dùng 2 tín hiệu PWM A, B ở mạch tạo xung để điều khiển, PWM HIN, LIN là 2 xung đảo ngƣợc nhau. Tín hiệu ra ở chân HO dùng cho việc lái những con FET nằm trên điện áp lơ lửng có thể lên hàng trăm Volts, tín hiệu ra ở chân LO dùng cho những con FET có chân S nối mass.
43
Hình 4.7 Sơ đồ khối IC 2110 [7] Bảng 4-3 Định nghĩa các chân của IC 2110
Ký hiệu Mô tả Chỉ số nhà cung cấp
đề nghị
VDD Nguồn Logic VS÷3 -> VS÷20
HIN Xung đầu vào cho điều khiển FET ở
mức cao VSS ->VDD
SD Đầu vào logic dùng để bật tắt IC VSS -> VDD LIN Xung đầu vào cho điểu khiển FET ở
mức thấp VSS-> VDD
VSS Logic ground -5 -> 5V
VS Nguồn cung hồi tiếp mức cao <500V
VCC Nguồn cung mức thấp 10 -> 20V
LO Đầu ra lái FET mức thấp 0 -> VCC HO Đầu ra lái FET mức cao VS -> VB COM Chân trở về mức thấp
VB Điện áp tuyệt đối bên tải mức cao VS÷10 -> VS÷20 Có một vài điều ta cần lƣu ý khi thiết kế mạch với IC 2110 là điều khiển MOSFET dùng cơ chế tụ boostraps [5], khi nguồn cấp là điên áp thấp thì điện áp kích FET phía trên có thể cao hơn cả nguồn ở cực D (lên tới hàng trăm Volts. Ví dụ IR2110 là 500V). Một lƣu ý nữa chân VSS và COM chúng ta cần nối xuống mass. [4]
44
Hình 4.8 Sơ đồ mạch điều khiển MOSFET sử dụng IC IR2110 [12]
Trong sơ đồ mạch hình 4.8 HIN, LIN là các đầu vào của xung PWM A, PWM B đƣợc tạo ra từ mạch tạo dao động. C2, C3, C4 là tụ lọc nguồn. Ở sơ đồ này ta chú ý đến tụ boostrap C1. Khi MOSFET Q2 ON, Q1 OFF sẽ kéo điểm Out (chân S Q1) xuống thấp làm cho chân âm tụ C1 ≈ GND khi đó sẽ có điện áp nạp cho tụ C1 thông qua diode D1. Trong nửa chu kỳ còn lại Q2 OFF, lúc này khối logic trong IC2110 sẽ điều khiển cho Q1 mở, nguồn kích đƣợc xả từ tụ C1 đƣợc nạp ở nửa chua kì trƣớc. Quá trình boostrap lặp lại nhƣ vậy.
45
4.3 Thiết kế mạch công suất.
Mạch công suất có nhiệm vụ khuếch đại công suất tín hiệu lên vài chục Watts đến hàng kWatts. Trong luận văn này em sử dụng mạch nửa cầu H đề dùng khuếch đại công suất, ƣu điểm làm dễ thiết kế và không dùng biến áp xung. Yêu cầu của mạch là đầu ra công suất của mạch đạt từ 120W trở lên, Điện áp hiệu dụng cung cấp là 110V.
Một trong nhƣng lƣu ý quan trọng là dòng đỉnh chạy qua FET là IPeak-Average cần tính toán để chọn MOSFET phù hợp tránh gây hỏng hóc linh kiện.
Ipeak-Averge = (1*) Trong đó: Pout là công suất đầu ra
Eff là hiệu suất làm việc Vin là điện áp đầu vào D là chu kỳ làm việc.
Với thông số bài toán là công suất Pout = 120W, Vin =12V, D = 50%, giả sử Eff = 90%
(1*) Ipeak-Averge = = 1,72 (A)
Dòng đỉnh trung bình vẫn nằm trong mức cho phép của MOSFET nhƣng dòng địch thực sự của nó có thể lên rất cao.
Công suất tiêu tốn cho MOSFET có thể tính nhƣ sau :
PTH = P(control) + P(leakage) + P(Rds_on) + P(switch) (2*) Trong đó:
P(control) - Công suất tiêu thụ cho mạch điều khiển đầu vào Mosfet. P(leakage) - Công suất tiêu thụ do dòng rò của Mosfet.
P(Rds_on) - Công suất tiêu thụ khi Mosfet ở trạng thái on (phụ thuộc chủ yếu vào Rds(on) và Uds(on) của Mosfet).
P(switch) - Công suất chuyển mạch (phụ thuộc vào điện áp trên Mosfet khi Mosfet ở trạng thái off - Voff và dòng điện dẫn khi Mosfet ở trạng thái on và tần số chuyển mạch) [3].
Ta có P(Rds_on) = HS-Rds_on*I2out + LS- Rds_on*I2out (3*)
Trong đó: HS-Rds_on là high-side Rds_on , LS- Rds_on là low_side Rds_on , Iout là dòng ra trung bình.
46 Ta có: Giả sử ta tính công suất tổn hao khi chuyển mạch từ trạng thái on sang off, thời gian chuyển là tfall , điện áp giảm từ Vds_off đến 0 và dòng tăng từ 0 lên Ids_on
Phƣơng trình của điện áp: V(t) = Vd * (1-t/tfall) 0<=t<=tfall
Phƣơng trình của dòng điện: I(t) = Iout * (t/tfall) 0<=t<=tfall
Công suất tổn hao thực: Pswitch_on(t) = V(t) * I(t) (4*)
Công suất tổn hao trung bình trong 1 chu kỳ T
Pswitch_on =
=
= …. = (5*)
Tƣơng tự với công suất tổn hao trong quá trình MOSFET chuyển từ trạng thái off sang on .
Pswitch_off = (6*)
P(switch) = Pswitch_on + Pswitch_off ≈ [Vd*Iout*(tfall+trise)]/2*T = [Vd*Iout*(tfall+trise)]*fsw/2.
Còn các công suất P(control) và P(leakage) thƣờng thì quá nhỏ so với các công suất còn lại nên có thể bỏ qua.
Nhƣ vậy:
(3*)(4*) PTH = HS-Rds_on*I2out + LS- Rds_on*I2out + [Vd*Iout*(tfall+trise)]*fsw/2
Với tfall = 98ns, trise = 120ns , Rds_on = 0,27 Ώ, Vd =110 ,Ids_on = Iout =
= , fsw =40khz.
PTH = 1.,212*0,27+ 1,212*0,27+ (110 *1,21*(120 + 98)*10- 9
*40*103))/2 = 2,44 W
Tổng công suất yêu cầu mà MOSFET cần: P = Ptải + Phao tổn
47 Một trong những lƣu ý quan trọng khi thiết kế mạch cầu H hoặc nửa cầu H là tránh khả năng trùng dẫn khi các FET đƣợc kích đối ngƣợc, nghĩa là khi ta chỉ sử dụng 1 xung PWM thì xung còn lại tắt nhƣng khi bị trùng dẫn xung đang hoạt động chƣa kịp tắt thì xung kia đã đƣợc bật. Khi đó FET sẽ bị nóng và có thể bị phá hủy do dòng qua nó liên tục. Thời gian trễ khi mở hoặc khi đóng phụ thuộc vào các tụ ký sinh Cgs, Cgd, Cds tuy nhiên nhà sản xuất thƣờng cho dƣới dạng các trị số tụ CISS, CRSS, COSS với những điều kiện nhất định nhƣ điện áp UDS, UGS.Từ đó có thể tính ra các : [2]
Cgd = CRSS Cgs = CISS –CRSS Cds = COSS - CRSS
Hình 4.10 Hiện tƣợng MOSFET bị trùng dẫn
Vì vậy để tránh bị hiện tƣợng trùng dẫn gây phá hủy linh kiện, ta cần phải tạo một khoảng thời gian deadtime giữa 2 lần tắt mở xung để tránh hiện tƣợng trùng dẫn từ 1us – 5us.
Với những tính toán trên, trong mạch công suất này sử dụng 1 cặp MOSFET IRFP460 có các thông số cơ bản mà ta cần lƣu ý nhƣ Bảng dƣới đây.
48
Hình 4.11 Ký hiệu và hình ảnh thực tế của MOSFET IRFP460
Bảng 4-4 Các thông số quan trọng của IRFP460P [8]
Ký hiệu Tham số Giá trị
(Max) Ghi chú VDS Điện áp trên chân D và S <500V
ID Dòng chạy từ cực D đến cực S 20A
10A Tc = 100ºC VGS Điện áp vào cực G so với cực S ±20V
Pw Max 250W
RDS Điện trở ở cực D và S 270mΏ
Fc Tần số cắt 1MHz
Trong số các thông số mà nhà sản xuất đƣa ra, chúng ta cần chú ý tới 4 thông số quan trọng đó là : VGS , VDS, ID, Công suất hao tổn. Sau đây là sơ đồ mạch nguyên của phần công suất sử dụng mạch nửa cầu H.
Hình 4.12 Sơ đồ mạch nguyên lý của phần mạch công suất
Với sơ đồ mạch nguyên lý nhƣ hình trên ta có sơ đồ mạch tƣơng đƣơng nhƣ sau:
49
Hình 4.13 Sơ đồ mạch tƣơng đƣơng của mạch công suất
Sơ đồ nghịch lƣu nguồn áp nửa cầu H hình: gồm hai khóa Q1 và Q2 , nguồn đầu vào dùng hai tụ C1 và C2 có giá trị đủ lớn và bằng nhau tạo nên bộ phân áp. Điện áp mỗi tụ bằng nhau và bằng Vd/2. Tải đƣợc nối giữa đầu ra nghịch lƣu với điểm giữa của nguồn một chiều. Các khóa Q1, Q2 điều khiển luân phiên, khi Q1 mở thì Q2 khóa và ngƣợc lại. Khóa Q1 đƣợc điều khiển trong nửa chu kì 0< t< =T/2, đặt điện áp Vd/2 của nhánh tụ C35 lên tải. Q2 mở trong nửa chu kì còn lại T/2 <t <=T điện áp –Vd/2 của nhánh tụ C46 đặt lên tải. Điện áp đầu ra có hình nghịch lƣu hình chữ nhật với biên độ - Vd/2 đến Vd/2. Do tải mang tính dung kháng dòng chỉ thực sự chảy qua Q1 trong nửa chu kì đầu từ cực + của Vd qua Q1 qua tải quá nhánh C46 về cực – của Vd. Tại thời điểm Q2 mở Q1 khóa, nhƣng dòng vẫn chạy theo chiều cũ. Nhƣ vậy năng lƣợng lấy từ nguồn Vd trong khoảng thời gian từ 0 -> T/2, từ T/2 - > T là năng lƣợng lấy từ trong tải trả về nguồn nạp cho tụ C46. [1, 2]
50
Hình 4.14 Dạng sóng đầu ra khi lắp biến tử siêu âm
Dạng sóng tín hiệu đầu ra bị các xung nhiễu ở đỉnh sƣờn lên và sƣờn xuống, nguyên nhân do tụ kí sinh trong MOSFET và tính dung kháng của transducer gây ra.
4.4 Thiết kế các bộ phân vỏ hộp và giá đỡ.
51 Trong thiết kế máy rửa siêu âm trong luận văn này, biến tử siêu âm (transducer) đƣợc gắn dƣới đáy bể. Bể rửa đƣợc làm vật liệu inox không gỉ nhập tử Hàn Quốc. Các tấm vỏ hộp đƣợc thiết kế bằng phần mềm AutoCAD 2010 với các thông số nhƣ dƣới đây và đƣợc làm bằng vật liệu mica độ dày 5mm.
4.5 Kết quả
4.5.1 Sản phẩm sau hoàn thiện
Sản phẩm sau khi đƣợc hoàn thành và đã chạy thử nghiệm với 500ml nƣớc trong bề đạt hiệu quả tốt nhất.
52
Bảng 4-5 Thông số kỹ thuật của máy
Thông số kỹ thuật Giá trị
Nguồn cung cấp 100 – 120VAC
Công suất 120W
Tần số cộng hƣởng 40Khz
Thể tích bể tối đa 2L
4.5.2 Thử nghiệm kết quả đạt đƣợc
Để thử nghiệm kết quả làm việc của máy rửa siêu âm, luận văn đã cho máy thử rửa một màng lọc kháng khuẩn. Màng lọc trƣớc khi rửa đƣợc phá ra và soi trên kính hiển vi điện tử quét bề mặt SEM. Sau khi rửa thử nghiệm, các vết bẩn vết bám trên thị kính đã hoàn toàn bị đánh bật tƣơng đối nhiều. Sau đây là kết quả của thử nghiệm.
Hình 4.17 Hình ảnh của màng lọc đã dùng soi trên kính hiển vi điện tử quét
Hình 4.18 Hình ảnh của màng lọc sau khi rửa soi trên kính hiển vi điện tử quét
53
4.5.3 Một số quy tắc khi sử dụng máy rửa siêu âm
Sử dụng cho đánh các vết bẩn vết bám.
Rửa kỹ sau khi dùng xong.
Đậy nắp bể khi chạy máy.
Giữ đáy bể sạch khỏi các chất bẩn bám dính.
KHÔNG chạy máy khi không có nƣớc trong bể.