Yêu cầu thiết kế

CHƯƠNG III :,THIẾT THẾ, MÔ PHỎNG VÀ THI CÔNG MẠCH

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

+ Dịng trung bình đầu ra IO = 5A

+ Độ gợn áp đỉnh △V o = 0,1 v

+ Độ gợn dòng đỉnh △ I o = 0,1 A

3.ĐỒ Á N ĐIỆN TỬ Ứ NG DỤ NG.

3 Sơ đồ mạch tổng thể

Hình 3.1 Sơ đồ mạch tổng thể

Hình 3.2 Sơ đồ mạch lọc LC

V O

Theo công thứ (2.10) => Lmin = (1− V INmax

f △ IO

Chọn L = 4,5 mH

V O

Theo công thứ (2.11) => Cmin = (1−

V INmax

8 f 2 L △ V O

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 + △ I o = 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 41

ĐỒ Á N ĐIỆN TỬ Ứ NG DỤ NG. GVHD: Nguyễ n Vă n Phò! ng ->VKA≥72V => Chọn Diode MBR20100CT có: ID = 20A VKA = 100 V

Tính chọn thơng số dây quấn cho cuộn cảm Theo công thức (2.14) S = JI

Với j chọn theo bảng 3.1 mật độ dòng điện sau.

Bảng 3.1 mật độ dòng điện j A/mm2 Loại dây dẫn 1, dây dẫn và thanh dẫn trần -Bằng đồng - Bằng nhôm, nhôm lõi thép 2,Cáp cách điện bằng giấy - Bằng đồng - Bằng nhôm

3, Cáp cách điện bằng cao su -Bằng đồng

-Bằng nhơm

Chọn J trong khoảng từ 2 ÷ 3 với dây dẫn đồng cách điện => S = JI

= 2,55

= 2 mm2

Chon dây đồng có đường kính d = 2 √S

π =2 √2

π = 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 khơng có nhãn hiệu chọn µ =7000 (H/m) Theo cơng thức (2.13)

N =

√2.10

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. Dịng qua mosfet

|ID| > (1,5 ÷2)Imax =(1,5 ÷2) ( IO + △ I o) = 2. (5+0.1) = 10,2 A Công suất của mosfet

Pmosfet > (1,5 ÷2). Ptt = 2. RDS(on) . ( I0 +△ I o )2 = 2.20.10−3.5,12 = 1,0404W Với RDS(on) của mosfet thơng dụng khoảng 5mΩ ÷

50mΩ => 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

ĐỒ Á N ĐIỆN TỬ Ứ NG DỤ NG. GVHD: Nguyễ n Vă n Phị! ng

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 hịa 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 hịa khi VGS ≤ - 3,5 V.

3.6 Tính tốn mạch điều khiển Mosfet

(Hình 2.2) Tính chọn Q7 Chọn R23 = 10KHz

Giả sử VCES của BJTQ2 = 0,25 V ta có -> IR23(max) =

=> 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 thơng 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 . 10−3.(18 – 0,25) = 0,0315 W =>Chọn R23 = 10K Ω / 0,25 W.

Để đảm bảo Q7 hoạt động ở chế độ bảo hịa thì

+ VbeQ7 ≥ Vbes = 1 V + Dòng qua I => Chọn IBQ7 ≥ 3. IBQ7(min) = 3. 0,047 = 0,141 mA => R24(max) = => Chọn R24 = 47KΩ PR6 = ¿¿ = (12−1,73−1)2 Chọn R24 = 47KΩ / 0,25W. Để Vbe > 1V thì VR34 > 1 V Với V outmono R24+R34 => R34 ≥ V outmono−1 = 12−1,73−1 Chon R34 = 10K Ω -> VR34

Công suất qua R34 : PR34 =

Chọn Q6 là A1015 vì Q6 chỉ có tác dụng xả điện áp chân G về 0 nên chọn BJT thơng dụng ngồi thị trường có các thơng 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 vng kích dẫn Mosfet thì thời hằng nạp tụ phải bé TRC = 0,1T =0,1.100μs = 10μs = R20C => R20 = 10.10−6 9 =15,625 640.10− => Chọn R20 =10 Tính chọn Q2 Chọn R21 = 10k

Giả sử VCES của BJTQ4 = 0,25 V ta có -> IR21(max) =

=> Điều kiện chọn Q2

Cơng suất của BJT PQ2(max) ≥ 2.Ptt = 2 .VCES. IR24(max)

=2.0,25.1,775.10−3= 0,8875 mW Hiêu điện thế đặt trên BJT VCEO > 2. Vin(max) =472.18 = 36 V

ĐỒ Á N ĐIỆN TỬ Ứ NG DỤ NG. GVHD: Nguyễ n Vă n Phò! ng

Dòng qua BJT IC(max) > 2. IR1(max) = 2. 1,775 = 3,55 mA. Vậy ta chọn BJT C1815 có các thơng 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. 10−3.(18 – 0,25) = 31,5 mW

Để đảm bảo Q2 hoạt động ở chế độ bảo hịa thì: + VbeQ2 > Vbes = 1 V

+ Dòng qua IBQ4(min) =

Chọn dòng IBQ4 ≥ 3. IBQ4(min) = 0,141 mA

=> R23(max) =

=> Vậy R23 = 10KΩ thỏa mãn điều kiện trên P = ¿¿ = (18−1)2

= 0,02898W

R23 10000

3.7 Tính tốn mạch tạo xung (Astable)

Hình 3.4 Sơ đồ mạch Astable thiết kế

Với V o =10.

ĐỒ Á N ĐIỆN TỬ Ứ NG DỤ NG. GVHD: Nguyễ n Vă n Phị! ng Ta có V cc=¿ V o +1,73 V . Chọn V cc=12V . có các thơng số : Chọn IC555 là NE 17555. -Nguồn cung cấp : V cc=12V .

-Dịng tiêu thụ trung bình : Itb=10 mA . -Cơng suất tiêu tán : 600 mW.

Khi V c (T1 )=¿ 1 .V cc  R5+R6=¿ 3 I R5R6 Chọn I R5 R6 ≫I pc Thiết kế I R5 R6=50. I pc= 50.125 = 620 (μA) =>R5 +R6 =¿650 kΩ. Chọn R5=R6=325 kΩ.

Dùng hai con biến trở vi chỉnh 500kΩ để thay thế Thời gian tồn tại xung chính là thời gian nạp xả tụ Theo (2.18) thời gian nạp tụ C2 là: T 1=0,7 C2 R5

R5 ,R6.

Chọn C2=220 pF. 50 ĐỒ Á N ĐIỆN TỬ Ứ NG DỤ NG. 2.V cc = I R5= 3 R5

Công suất tiêu tán trên R5 là:

PR5=IR52 . R5=0,0252 .325=0,2 mW .

Dòng tối đa qua R6 là :

Công suất tiêu tán trên R6 là:

PR6=IR6 2 . R6=0,0252 .325=0,2mW . Chọn D3 là loại 1N4001 với =50V ;I D=1 A Chọn tụ C3=0,01 μF để chống nhiễu. 3.8 Tính mạch xén V RRM

Hình 3.5 Sơ đồ mạch xén

Khi điện áp ngõ ra của mạch astable ở mức 0  tụ C4 được nạp từ V cc qua R7 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 :vC 4 (t )=[vC4 (∞ )−vC 4 (0 )]. ¿) +vC 4 (0 )

Với V C4 (0)=0,V C4 (∞ )=V cc =>V C4 (t )=V cc .¿)

Gọi t1 là thời gian nạp tụ C4 được 1 3 vcc

VC4 (t1 )=V cc . ¿) = 13 V cc

 t1= R8 C4ln(1,5).

Gọi t x là thời gian tồn tại xung của mạch monotable.

v0 là điện áp ngõ ra của ổn áp. Ta có v0=  t x= vv s.0f +Áp vào vs=15 V

+Độ biến thiên áp vào: 12V->18V +Áp ra v0=10V

+Độ gợn :∆ v0=0,1V Khi vs= 15V => t

x0=

vs= 12V => t x0= vs= 18V => t x0=  R8 C4= 11,11 ln1,5 =27,4.10−6 Chọn C4=22nF => R8= 857 Ω Chọn R8= 820 Ω.

3.9 Tính mạch điều chế đơ rơng xung (monostable)

Hình 3.6 Sơ đồ mạch Monostable Chọn IC555 là loại NE17555.

Tính mạch hoạt động bình thường với áp vào V s=15V Khi V c 5=¿ 2

. V cc => V R10=

Chọn R10=220 k Ω.

Dùng biến trở vi chỉnh 500k Ω để thay thế R10 .

Thời gian tồn tại xung t x chính là thời gian tụ C5 nạp điện từ 0 đến 54

ĐỒ Á N ĐIỆN TỬ Ứ NG DỤ NG. GVHD: Nguyễ n Vă n Phò! ng

Theo (2.20) thời gian nạp tụ C5 là

T0=R10 C5 . ln3= tx0

 C5=

Chọn C5=220 pF

Dòng nạp cực đại cho tụ C5 :I R10= 3

Công suất tiêu tán trên R10 là P

R10=I2

R10 . R10= 0,28 mW. Ta có: τ5=R10 C5 = 48,4μs.

3.10 Tính tốn 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

ĐỒ Á N ĐIỆN TỬ Ứ NG DỤ NG. GVHD: Nguyễ n Vă n Phị! ng

Hình 3.7 Sơ đồ mạch tính Vht từ điện trở nội ic555

Giải mạch sơ đồ trên ta rút đươc cơng thức tính Vc5:

V= 2 R9 .Vcc + 2 R . Vht . c5 3 R9+ 2 R 3 R9+ 2 R => Vht = -Phương trình nạp tụ của C5 VC5 (t)=V cc . ¿) + Khi V s= V ¿min= 12V ; t x= t xmax= 83,33μs 56

 V C5=12 .¿) = 9,85 V + Khi V s= V ¿tb = 15V ; t x= t x0= 66,67μs  V C5=12 .¿) = 8,97 V + Khi V s= V ¿max= 18V ; t x= t xmin= 55,56μs  V C5=12 .¿) = 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 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 < I Dmax = 178 = 89 ma 2 2 Theo công thức (2.23) IR1

ĐỒ Á N ĐIỆN TỬ Ứ NG DỤ NG.

=> IR1 < Vcc−V D

R 1

=> Chọn R1 = 1k Ω

3.10.3 Tính mạch so sánh khuyếch đại vi sai

(Hình 2.17)

Theo cơng thức (2.26) : Vout = Vht

Với các giá tri Vht ở ở giá trị (3.2) ta thấy giá trị Vhtmax = 11,412V Omamp có thế suất ra giá tri ở mức cao là >11,412 V

Vậy ta chọn Opamp Lm358 có các thơng 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 = 66,67.10−6.10000.18 = 12V Vin = 15V => VLC = tx0f.Vin = 66,67.10−6.10000.15 = 10V Vin = 12V => VLC = tx0f.Vin = 66,67.10−6.10000.12 = 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) K = R 16 = 3,405 0 R13 => R13 = => Chon R13 là vi trở 500kΩ 3.10.4 Tính tốn mạch lấy mẫu (Hình 2.15) Theo cơng thức (2.22) R12 = Chọn R11 = 100KΩ => R12 = 100.0,222 = 28,62 KΩ 1−0,222 Chọn R12 là vi trở 50KΩ

3.11 Kết quả đo xung thưc tế.

ĐỒ Á N ĐIỆN TỬ Ứ NG DỤ NG. GVHD: Nguyễ n Vă n Phị! ng

Hình 3.9 Xung ra của khối Astable

ĐỒ Á N ĐIỆN TỬ Ứ NG DỤ NG. GVHD: Nguyễ n Vă n Phị! ng

Hình 3.10 Xung ra mạch Xén

Hình 3.11 Xung ra của khối Monostable

ĐỒ Á N ĐIỆN TỬ Ứ NG DỤ NG. GVHD: Nguyễ n Vă n Phị! ng

Hình 3.14 Xung ra của khối điều khiển Mosfet

Hình 3.12 Xung ra của Chân D Mosfet

ĐỒ Á N ĐIỆN TỬ Ứ NG DỤ NG. GVHD: Nguyễ n Vă n Phò! ng

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 tốn 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 khơng hồn tồn chính xác như tính tốn lý thuyết so sai số của linh kiện điện tử có ngồi thì trường.

Biên dạng xung khơng hồn tồn giống như theo lý thuyết do sai số của linh kiện.

KẾT LUẬN

Sau thời gian thực hiện đề tài nhóm đã tính tốn ,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 cơng việc tính tốn thiết kế.

- Hiểu công dụng của các linh kiện cũng như cách thức xây dựng, bố trí và hồn 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.

- 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 cơng mạch vẫn chưa hồn tồn 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.

ĐỒ Á N ĐIỆN TỬ Ứ NG DỤ NG. GVHD: Nguyễ n Vă n Phò! ng

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 hồn thành nhưng khơng 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 hồn thiện hơn.

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

TÀI LIÊU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Văn Phịng, Giáo Trình Kỹ Tht Xung Số

[2] Nguyễn Duy Nhật Viễn, Giáo Trình Điện Tử Cơng Suất

[3] Nguyễn Duy Nhật Viễn, Giáo Trình Kỹ Thuật Điện Tử

[4] Ngơ 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

[9] Trang Web Sử Dụng Datasheet: https://www.alldatasheet.com/

ĐỒ Á N ĐIỆN TỬ Ứ NG DỤ NG. GVHD: Nguyễ n Vă n Phò! ng

Phụ Lục

ĐỒ Á N ĐIỆN TỬ Ứ NG DỤ NG. GVHD: Nguyễ n Vă n Phò! ng

2,ĐỒ Á N ĐIỆN TỬ Ứ NG DỤ NG.

Datasheet A1015

ĐỒ Á N ĐIỆN TỬ Ứ NG DỤ NG. GVHD: Nguyễ n Vă n Phò! ng

3, Datasheet A1943

ĐỒ Á N ĐIỆN TỬ Ứ NG DỤ NG. GVHD: Nguyễ n Vă n Phò! ng

4,ĐỒ Á N ĐIỆN TỬ Ứ NG DỤ NG.

Datasheet Omamp LM358

ĐỒ Á N ĐIỆN TỬ Ứ NG DỤ NG. GVHD: Nguyễ n Vă n Phò! ng

6,ĐỒ Á N ĐIỆN TỬ Ứ NG DỤ NG.

Datasheet IRF4905

ĐỒ Á N ĐIỆN TỬ Ứ NG DỤ NG. GVHD: Nguyễ n Vă n Phò! ng

7,ĐỒ Á N ĐIỆN TỬ Ứ NG DỤ NG.

Datasheet IC LM317

ĐỒ Á N ĐIỆN TỬ Ứ NG DỤ NG. GVHD: Nguyễ n Vă n Phò! ng

Khối điều chế độ rộng xung (Monotable)

Mạch tạo điện áp chuẩn