Khối điều chế độ rộng xung (Monotable)

CHƯƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.7. Khối điều chế độ rộng xung (Monotable)

-Sơ đồ và dạng sóng:

Hình 2.13 Sơ đồ mach và dạng sóng Monostable dùng ic555 -Nguyên lý hoạt động:

+0 ≤ t<t1: mạch ở trạng thái bền . Ngõ ra v0=0;QRSFF=1; vi =vcc => S=R=1.

 Trasistor dẫn bão hịa.

Vì tụ C mắc song song với transistor nên V c=V (7)=V

 Tụ C không được nạp điện. Mạch luôn tồn tại trạng thái bền. 30

IC555. Ở bộ SS1 có v−¿<v+¿ ¿¿ => R=1 => Q=0 =>v0=1. Mạch chấm dứt thời gian tồn tại trạng thái bền và chuyển sang trạng thái khơng bền. Lúc này vì Q=0 nên transistor tắt => tụ C được nạp điện từ nguồn vcc qua R. Tụ càng nạp thì điện áp trên tụ càng tăng. Mà

vC =v(6) nên khi vcc > 2

3 vcc thì ở bộ SS2 có v−¿≤ v+¿¿ ¿ => S=1, lúc này R=0 vì thời gian

tồn tại xung kích khá nhỏ

=>Q=1=>v0=0. Mạch chấm dứt thời gian tồn tại trạng thái không bền và chuyển sang trạng thái phục hồi.

+t ≥ t1+T 0: Giai đoạn phục hồi.

Do Q=1;v0=0 => transistor T dẫn => tụ xả qua T cho đến khi V c ≈ 0. Sau khi kết thúc giai đoạn phục hồi mạch trở về trạng thái bền ban đầu.

-Tính độ dài xung ra:

T0 là thời gian cần thiết để tụ C tăng từ 0 đến 2

3 vcc. Phương trình nạp của tụ: vc (t )=[v c (∞)−vc (0) ]. ¿) +vc (0) Với V c (0)=0,V c (∞ )=V cc =>V c (t)=V cc . ¿) Khi t=T 0 => vc (T 0 )= 23 vcc  2 3 vcc=V cc .¿)  T 0=RC . ln 3 31 -ĐỒ Á N ĐIỆN TỬ Ứ NG DỤ NG.

Tính thời gian phục hồi: Phương trình xả của tụ : vc (t )=[v c (0)−vc ( ∞) ]. e τ 2 Với V ( c Khi t=T ph => vc (T ph)=vlogic 0 ≈ 0. − T ph  2 vcc . e τ 2 = vlogic0 3  T ph=RCln 32 2.ĐỒ Á N ĐIỆN TỬ Ứ NG DỤ NG.

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

2.8.1 Mạch phân áp

Hinh 2.15 Mạch phân áp lấy mẫu Gọi điên áp lấy mẫu là Vlm

Để cho điện áp lấy mẫu chuẩn thì dịng Ilm phải nhỏ hơn nhất nhiều so với dịng I1 Nên ta có thể xem dịng I1 ≈ I2

LC R11+R12

Gọi K1 là tỷ số cho trước của Vout mach loc LC (VLC ) và Llm => Vlm = K1.VLC Thay vào biết thức (2.30) ta được.

R 11+R12 =

R12

=> R12 = 34

2.8.2 Mạch tạo điện áp chuẩn.

Hình 2.16 Sơ đồ mạch tạo điên áp chuẩn

Để tạo điện áp chuẩn ta sử dụng Diod zener Với chức năng ghim điên áp ở chân K Các giá trị R17 và R18 dùng để hạn dòng bảo vệ cho Diode.

Với giá trị IDiode cho trước ta ta tính dịng đi qua diode thơng qua R1 Với IR17 < 2Diode

Với IR17 =

Hình 2.17 Mạch so sánh khếch đại vi sai Giả sử Opamp là lý tưởng:

CóVN=VP i+ = i- = 0

=> Phương trình điện áp tại điểm N là

Vlm − VN R 13 =>Vout R16 =- RVlm 13 + VN ( R 36

= - Vlm + V R 13+ R 16 R13 N R13.R16 Mà: V =V =V N Chọn: R14=R13, R16=R15 =>V =V=V N = > R 13. R16 Vout => R 16 = > Vout= R R1613 (Vch – Vlm) Đăt K = R 16 V = K V 0 R13 , lm 1 LC 2.8.4 Mạch đệm Hình 2.18 Mạch Opam đêm (2.24) (2.25) 37

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

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

2.9. 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, MƠ PHỎNG VÀ THI CÔNG MẠCH3.1 Giới thiệu chương 3.1 Giới thiệu chương

Trên cơ sở chương 1 và 2 chúng ta đi vào thiết kế và thi cơng cụ thể tồn bộ các khối của mạch ổn áp xung buck.

- Tính tốn mạch lọc LC

- Tính chọn Mosfet

- Tính tốn mạch điều khiển Mosfet

- Tính tốn mạch tạo xung (Astable)

- Tính tốn mạch xén

- Tính mạch điều chế đơ rơng xung (monostable)

- Tính tốn 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

+ 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 Phị! 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. Dòng 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 hòa 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 + Dịng 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

Công 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 công 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 Phị! ng

3.12. Kết luận chương

Dựa vào các cơng 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.