Bài 12 : Mạch khuếch đại xung
1. Tổng quan về mạch điều chế độ rộng xung (PWM)
PWM là gỡ mà sao nú được ứng dụng nhiều trong điều khiển. Lấy điển hỡnh nhất mà chỳng ta thường hay gặp là điều khiển động cơ và cỏc bộ băm xung ỏp, điều ỏp... Sử dụng PWM điều khiển nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa nú cũn được dựng để điều khiển ổn định tốc độ động cơ.
Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải thỡ PWM nú cũn tham gia và điều chế cỏc mạch nguồn như là: boot, buck, nghịch lưu 1 pha và 3 pha...PWM
chỳng ta cũn gặp nhiều trong thực tế và cỏc mạch điện điều khiển.
Điều đặc biệt là PWM chuyờn dựng để điều khiển cỏc phần tử điện tử cụng suất cú đường đặc tớnh là tuyến tớnh khi cú sẵn 1 nguồn 1 chiều cố định. Như vậy PWM nú được ứng dụng rất nhiều trong cỏc thiết bị điện, điện tử, điện lạnh.
a) PWM là gỡ?
Trước khi tỡm hiểu sõu chỳng ta hóy tỡm hiểu định nghĩa của PWM là gỡ?
Như vậy Phương phỏp điều chế PWM cú tờn tiếng anh là Pulse Width Modulation là phương phỏp điều chỉnh điện ỏp ra tải hay núi cỏch khỏc là
phương phỏp điều chế dựa trờn sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuụng dẫn
130
Cỏc PWM khi biến đổi thỡ cú cựng 1 tần số và khỏc nhau về độ rộng của sườn dương hay hoặc là sườn õm
Hỡnh 13.1. Đồ thị dạng xung điều chế PWM
Trờn là đồ thị dạng xung khi điều khiển bằng PWM. Với độ rộng xung đầu ra tương ứng và được tớnh bằng %. Tựy thớch do chỳng ta điều khiển.
b) Nguyờn lý của PWM.
Đõy là phương phỏp được thực hiện theo nguyờn tắc đúng ngắt nguồn cới tải và một cỏch cú chu kỡ theo luật điều chỉnh thời gian đúng cắt. Phần tử thực hiện nhiện vụ đú trong mạch cỏc van bỏn dẫn.
Xột hoạt động đúng cắt của một van bỏn dẫn. Dựng van đúng cắt bằng
131
Hỡnh 13.2. Giản đồ xung
Hỡnh 13.3. Sơ đồ xung của van điều khiển và đầu ra
Trờn là mạch nguyờn lý điều khiển tải bằng PWM và giản đồ xung của chõn điều khiển và dạng điện ỏp đầu ra khi dựng PWM.
* Nguyờn lý:
Trong khoảng thời gian 0 - to ta cho van G mỏ toàn bộ điện ỏp nguồn Ud được đưa ra tải. Cũn trong khoảng thời gian to - T cho van G khúa, cắt nguồn cung cấp cho tải. Vỡ vậy với to thay đổi từ 0 cho đến T ta sẽ cung cấp toàn bộ, một phần hay khúa hoàn toàn điện ỏp cung cấp cho tải.
132
Gọi t1 là thời gian xung ở sườn dương (khúa mở ) cũn T là thời gian của cả sườn õm và dương, Umax là điện ỏp nguồn cung cấp cho tải.
==> Ud = Umax.( t1/T) (V)
hay Ud = Umax.D
với D = t1/T là hệ số điều chỉnh và được tớnh bằng % tức là PWM Như vậy ta nhỡn trờn hỡnh đồ thị dạng điều chế xung thỡ ta cú: Điện ỏp trựng bỡnh trờn tải sẽ là:
+ Ud = 12.20% = 2.4V ( với D = 20%)
+ Ud = 12.40% = 4.8V (Vúi D = 40%)
+ Ud = 12.90% = 10.8V (Với D = 90%)
c) Cỏc cỏch để tạo ra được PWM để điều khiển:
Để tạo được ra PWM thỡ hiện nay cú hai cỏch thụng dụng: Bằng phần cứng và bằng phần mền. Trong phần cứng cú thể tạo bằng phương phỏp so sỏnh
hay là từ trực tiếp từ cỏc IC dao động tạo xung vuụng như : 555, LM556...Trong phần mền được tạo bằng cỏc chip cú thể lập trỡnh được. Tạo bằng phần mền thỡ
độ chớnh xỏc cao hơn là tạo bằng phần cứng. Nờn người ta hay sử dụng phần mền để tạo PWM
* Tạo bằng phương phỏp so sỏnh:
Để tạo được bằng phương phỏp so sỏnh thỡ cần 2 điều kiện sau đõy: + Tớn hiệu răng cưa : Xỏc định tần số của PWM
+ Tớn hiệu tựa là tinshieuej xỏc định mức cụng suất điều chế (Tớn hiệu
DC)
Xột sơ đồ mạch sau:
133
Với tần số xỏc định được là f = 1/(ln.C1.(R1+2R2) nờn chỉ cần điều chỉnh R2 là cú thể thay đổi độ rộng xung dễ dàng. Ngoài 555 ra cũn rất nhiều cỏc IC tạo xung vuụng khỏc
* Tạo xung vuụng bằng phần mềm:
Đõy là cỏch tối ưu trong cỏc cỏch để tạo được xung vuụng. Với tạo bằng phần mềm cho độ chớnh xỏc cao về tần số và PWM. Với lại mạch của chỳng ta
đơn giản đi rất nhiều. Xung này được tạo dựa trờn xung nhịn của CPU. Lấy 1 đoạn vớ dụ tạo PWM trong con 8501:
d) PWM trong điều khiển động cơ và trong cỏc bộ biến đổi xung ỏp:
* Trong động cơ:
Điều mà chỳng ta dễ nhận thấy rằng là PWM rất hay được sử dụng trong động cơ để điều khiển động cơ như là nhanh, chậm, thuận, nghịch và ổn định tốc độ cho nú. Cỏi này được ứng dụng nhiều trong điều khiển động cơ 1 chiều và sơ đồ nguyờnlý của mạch điều khiển động cơ DC là:
134
Hỡnh 13.5. Sơ đồ mạch mỏy thực tế
Đõy là mạch đơn giản điều khiển động cơ. Nếu muốn điều khiển động cơ quay thuận quay ngược thỡ phải dựng đến cầu H.
* Trong cỏc bộ biến đổi xung ỏp:
Trong cỏc bộ biến đổi xung ỏp thỡ PWM đặc biệt quan trọng trong việc điều chỉnh dũng điện và điện ỏp ra tải. Bộ biến đổi xung ỏp cú nhiều loại như là biến đổi xung ỏp nối tiếp và bộ biến đổi xung ỏp song song. Vớ dụ 1 mạch nguyờn lý đơn giản trong bộ nguồn Boot đơn giản sau.
Đõy là nguyờn lý của mạch nguồn Boot. Dựng xung điều khiển để tạo tớch lũynăng lượng từ trường để tạo điện ỏp ra tải lớn hơn điện ỏp vào.
Ngoài những cỏi trờn thỡ PWM cũn được sử dụng trong cỏc bộ chuyển đổi
DC - AC, hay trong biến tần, nghịch lưu.
Qua trờn tụi đó núi qua về PWM và ứng dụng của nú trong cỏc mạch điều khiển. Cỏc bạn cú thể tham khảo và biết nguyờn lý của PWM.
135
Hỡnh 13.6. Sơ đồ vỉ mạch mỏy điều hũa thực tế
2.1. Phõn tớch mạch điện:
Đõy là phương phỏp được thực hiện theo nguyờn tắc đúng ngắt nguồn cới tải và một cỏch cú chu kỡ theo luật điều chỉnh thời gian đúng cắt. Phần tử thực hiện nhiện vụ đú trong mạch cỏc van bỏn dẫn.
Xột hoạt động đúng cắt của một van bỏn dẫn. Dựng van đúng cắt bằng
Mosfet
Sơ đồ trờn là mạch nguyờn lý điều khiển tải bằng PWM và giản đồ xung của chõn điều khiển và dạng điện ỏp đầu ra khi dựng PWM
* Nguyờn lý:
Trong khoảng thời gian 0 - to ta cho van G mỏ toàn bộ điện ỏp nguồn Ud được đưa ra tải. Cũn trong khoảng thời gian to - T cho van G khúa, cắt nguồn cung cấp cho tải. Vỡ vậy với to thay đổi từ 0 cho đến T ta sẽ cung cấp toàn bộ, một phần hay khúa hoàn toàn điện ỏp cung cấp cho tải.
- Cụng thức tớnh giỏ trị trung bỡnh của điện ỏp ra tải:
Gọi t1 là thời gian xung ở sườn dương (khúa mở ) cũn T là thời gian của cả sườn õm và dương, Umax là điện ỏp nguồn cung cấp cho tải.
→ Ud = Umax.( t1/T) (V)
136
Với D = t1/T là hệ số điều chỉnh và được tớnh bằng % tức là PWM
Như vậy ta nhỡn trờn hỡnh đồ thị dạng điều chế xung thỡ ta cú: Điện ỏp trựng bỡnh trờn tải sẽ là:
+ Ud = 12.20% = 2.4V ( với D = 20%)
+ Ud = 12.40% = 4.8V (Vúi D = 40%)
+ Ud = 12.90% = 10.8V (Với D = 90%) 3. KIỂM TRA, SỬA CHỮA MẠCH ĐIỆN:
3.3.Kiểm tra nguội:
Dựng đồng hồ kiểm tra xem cỏc linh kiện trong mạch cũn hoạt động tốt
hay khụng. Nếu phỏt hiện linh kiện hỏng cú phương ỏn thay thế linh kiện phự hợp khỏc vào linh kiện hỏng để mạch hoạt động bỡnh thường
3.4 . Kiểm tra núng:
Khi khụng thể kiểm tra nguội bằng mắt thường và đồng hồ Vom ta sử dụng phương phỏp kiểm tra núng bằng cỏch cấp nguồn điện vào mạch. Sau khi cấp nguồn sẽ dựng đồng hồ Vom để đo điện ỏp tai chõn cỏc linh kiện trong mạch. Qua đú phỏt hiện vị trớ linh kiện bị lỗi và cú phương phỏp sửa chữa thay thế.
* Cỏc bước và cỏch thực hiện cụng việc:
1. THIẾT BỊ, DỤNG CỤ, VẬT TƯ:
1.1. Vật liệu:
- Cỏc vật liệu linh kiện thụ động: cỏc loại tụ điện, cỏc loại điện trở, cỏc loại cuộn cảm, cỏc loại biến ỏp, Transistor trường,IGBT, IC, dõy nối.
- Thiếc, nhựa thụng.
1.2. Dụng cụ và trang thiết bị:
Stt Tờn dụng cụ
và trang thiết bị Chỉ tiờu kỹ thuật Số lượng
Ghi chỳ
1 Đồng hồ đo vạn năng transistor Sanwa 1 cỏi / nhúm
2 Bộ dụng cụ nghề điện tử 1 bộ / nhúm
3 Cỏc loại linh kiện L,R,C,Transistor IC
20 cỏi/1 loại
4 Vỉ mạch nguồn Của cỏc mỏy điều
hũa thụng dụng 5 loại mạch
5 Mỏ hàn 220V 1 cỏi/1sinhviờn
1.3. Học liệu:
- Tài liệu hướng dẫn mụ-đun - Tài liệu hướng dẫn bài học - Sơ đồ mạch điện nguyờn lý - Phiếu kiểm tra
137 1.4. Nguồn lực khỏc: - Phũng học, xưởng thực hành cú đủ ỏnh sỏng, hệ thống thụng giú đỳng tiờu chuẩn - Projector 1.5. Chia nhúm:
Chia từng nhúm, mỗi nhúm từ 3 đến 5 học sinh 2. QUI TRèNH THỰC HIỆN:
- Chuẩn bị phũng thực tập (làm vệ sinh sạch sẽ phũng thực tập).
- Tập kết dụng cụ làm việc, thiết bị đo, linh kiện đỳng vị trớ.
- Kiểm tra sơ bộ thiết bị đo và cỏc linh kiện.
- Thực hiện Modun:
- Giỏo viờn hướng dẫn, theo dừi, kiểm tra kết quả thực hành, và nhận xột.
- Học sinh theo dừi hướng dẫn và thực hành.
- Thu dọn vật tư, thiết bị đo về đỳng vị trớ ban đầu.
- Dọn vệ sinh phũng thực hành.
* Bài tập thực hành của học sinh, sinh viờn:
TT NỘI DUNG
CễNG VIỆC PHƯƠNG PHÁP THAO TÁC
YấU CẦU KỸ
THUẬT CHÚ í
1 Lựa chọn linh
kiện Lựa chọn linh kiệ
n Phõn loại linh kiện theo thụng số và chủng loại - Trỏnh gẫy õn linh kiện 2 Đọc cỏc tham số
của linh kiện Từng linh kiện Đỳng cỏc tham số
Trỏnh nhầm lẫn
3 Đo cỏc tham số
của linh kiện Từng linh kiện Đỳng cỏc tham sốlẫn Trỏnh nhầm
4 Lắp rỏp mạch Kết nối mạch Hàn đỳng kỹ thuật Đỳng trị số
* Yờu cầu về đỏnh giỏ kết quả học tập: (tớnh theo thang điểm 10):
Mục tiờu Nội dung Điểm chuẩn
Kiến thức - Phõn loại được cỏc linh kiện 1
- Phõn tớch được nguyờn lý làm việc 1
Kỹ năng
- Đọc, đo được cỏc tham số 2
- Lắp được mạch theo yờu cầu 2
- Xỏc định được hư hỏng 2
Thỏi độ - Chấp hành qui định trong học tập 1
138
BÀI 14: MẠCH NGHỊCH LƯU
Mó bài: MĐ28 - 14
Mục tiờu:
- Giải thớch được tỏc dụng cỏc linh kiện trong mạch
- Trỡnh bầy được nguyờn lý làm việc của mạch điện
- Trỡnh bầy cỏch kiểm tra mạch điện trờn sơ đồ nguyờn lý
- Xỏc định được loại linh kiện cơ bản
- Biết cỏch kiểm tra linh kiện
- Khắc phục được mạch điện đỳng quy trỡnh, đảm bảo yờu cầu kỹ thuật, thời gian
- Sử dụng dụng cụ, thiết bị đo kiểm đỳng kỹ thuật
- Cẩn thận, chớnh xỏc, nghiờm chỉnh thực hiện theo quy trỡnh
- Chỳ ý an toàn cho người và thiết bị.
Nội dung chớnh:
1. TỔNG QUAN VỀ MẠCH NGHỊCH LƯU:a/ Sơ đồ khối mạch nghịch lưu một pha: a/ Sơ đồ khối mạch nghịch lưu một pha:
Vào Ra
Hỡnh 14.1. Sơ đồ khối mạch nghịch lưu một pha
b/ Nhiệm vụ cỏc khối: - Khối nguồn:
Nguồn điện được sử dụng ở đõy là nguồn điện một chiều lấy từ bỡnh ắc
quy. Thời gian sử dụng phụ thuộc chủ yếu vào dung lượng lưu trữ của ắc quy.
Cụng thức tớnh cụng suất phỏt của acquy như sau:
P = u.i
vớ dụ: acquy12V 100Ah thỡ cụng suất phỏt: 12.100=1200W Nếu chạy búng đốn compac 20W sẽ được 60 giờ.
- Khối tạo tần số 50Hz:
Nhiệm vụ của khối tạo ra súng dao động đưa vào khối cụng suất với tần số điện cụng nghiệp. Súng ở đõy thường là hai dạng chớnh là hỡnh sin hoặc vuụng. Thường thỡ khối cụng suất trở khỏng đầu vào rất nhỏ nờn trờn thực tế chỳng ta
Khối nguồn Tạo tần số 50HZ Khối cụng suất Biến ỏp nghịch lưu
139
cần một khối khuyếch đại đệm nhiệm vụ ổn định khối phỏt xung dao động giảm trở khỏng đầu vào cho tầng cụng suất.
- Khối cụng suất:
Từ dạng súng nhận được từ khối phỏt khối cụng suất sẽ khuyếch đại đưa đến biến ỏp tạo điện ỏp xoay chiều. Thường thỡ khối này sử dụng cỏc linh kiện cụng suất như thysistor transistor chịu dũng lớn như D718,2N3055….yờu cầu cho khối này hoạt động tốt cần cú hệ thống tản nhiệt làm mỏt.
- Biến ỏp nghịch lưu:
Đõy là thành phần chớnh quyết định tới cụng suất phỏt của mạch. Biến ỏp được sử dụng là biến ỏp nghịch lưu cú tỷ số vũng dõy của cuộn thứ cấp lớn hơn rất nhiều cuộn sơ cấp. Cụng suất của mạch được tớnh như sau: Pmax = U.I
Với I là dũng điện biến ỏp chịu được U là hiệu điện thế đặt vào cuộn sơ cấp220V dũng điện 40A
Vớ dụ một biến ỏp nghịch lưu 12V
Cụng suất tối đa của mạch sẽ là:12.40 = 480W chạy được một ti vi 2 quạt
và 3 búng tớp 40W
2. PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỆN:
2.1. Sơ đồ mạch điện thực tế:
Hỡnh 14.2. Sơ đồ mạch nghịch lưu một pha
2.2. Tỏc dụng cỏc linh kiện và nguyờn lý làm việc:
Đầu tiờn IC 4047 phỏt ra súng vuụng với hai nửa chu kỳ. Để tần số hoạt động là 50Hz tớnh toỏn theo cụng thức T = 2,48RC ta được thụng số R, C như
140
Tớn hiệu súng vuụng được xuất ra trờn cỏc chõn 10,11 qua điện trở 4,7k tới IC lm358 khuyếch đại đệm với hệ số K = 1. Nhiệm vụ chớnh của IC này là giảm trở khỏng đầu vào cho tầng cụng suất, ổn định chế độ làm việc của bộ phận
phỏt xung 4047 .
Trasistor H1061 là tran cụng suất tầm trung nhiệm vụ trong mạch
kớch mở tầng tran cụng suất lớn. Cụ thể khi cú tớn hiệu từ IC lm358 đưa vào tran mở khi đú điện ỏp của tớn hiệu được khuyếch đại đủ để kớch mở cặp tran D718. Diot trong mạch cú tỏc dụng bảo vệ tran, nghĩa là nếu vụ tỡnh đặt ngược điện ỏp thỡ phần điện ỏp này sẽ chảy qua diot. Điện trở 1k tỏc dụng trỏnh dũng Ib bóo hũa khi mạch điện chạy ở chế độ khụng tải.
Cặp tran cụng suất D718 hoạt động như một khúa điện tử đúng ngắt liờn tục với tần số 50Hz của bộ phỏt xung. Từ sự đúng ngắt này dũng điện qua biến ỏp thay đổi theo dạng tớn hiệu súng vuụng. Ở chu kỳ dương cuộn L1 của phần sơ cấp được cấp nguồn, điện ỏp ở đầu ra được khuyếch đại theo tỷ số vũng dõy của biến ỏp. Lỳc này đầu ra là chu kỳ dương. Ngược lại ở chu kỳ õm cuộn L2 của phần sơ cấp được cấp điện, điện ỏp đầu ra là chu kỳ õm của tớn hiệu.
Do đú đầu ra của biến ỏp điện ỏp là dũng điện xoay chiều tần số 50Hz, dạng súng vuụng.
3. CÁCH VẼ MẠCH ĐIỆN THEO ĐÚNG QUI ƯỚC CÁC LINH KIỆN:
141 4. PHƯƠNG PHÁP SỬA CHỮA:
* Kiểm tra nguội:
Dựng đồng hồ kiểm tra xem cỏc linh kiện trong mạch cũn hoạt động tốt
hay khụng. Nếu phỏt hiện linh kiện hỏng cú phương ỏn thay thế linh kiện phự hợp khỏc vào linh kiện hỏng để mạch hoạt động bỡnh thường
* Kiểm tra núng:
Khi khụng thể kiểm tra nguội bằng mắt thường và đồng hồ Vom ta sử dụng phương phỏp kiểm tra núng bằng cỏch cấp nguồn điện vào mạch. Sau khi