(TIỂU LUẬN) đồ án DIỆN tử ỨNG DỤNG đề tài THIẾT kế MẠCH ổn áp BOOST

Với đề tài “Thiết kế mạch ổn áp Boost ” thì đây là một cơ hội rất tốt để chúng em đi sâu vào tìm hiểu và áp dụng những kiến thức của các học phần lý thuyết liênquan vào việc thiết kế, ch

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN : DIỆN TỬ ỨNG DỤNG

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ỔN ÁP BOOST

Giáo viên hướng dẫn: ThS Vũ Vân Thanh Sinh viên thực hiện: Nguyễn Xuân Khánh

Mai Trọng Thành

LỜI NÓI ĐẦU

CHƯƠNG1: TỔNG QUAN ỔN ÁP 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 Giới thiệu chương 1

Ổn áp 1

.2.1 Ổn áp xoay chiều(AC) 1

.2.2 Ổn áp một chiều (DC) 2

.2.2.1 Phân loại ổn áp một chiều (DC) 2

.2.3 Ổn áp xung Buck 7

.2.3.1 Sơ đồ khối 7

.2.3.2 Nguyên lý làm việc 7

.2.4 Ổn áp xung Kiểu Boost 8

.2.4.1 Sơ đồ khối 8

.2.4.2 Nguyên lý hoạt động 9

.2.4.3 Phương pháp tính toán ổn áp Boost 9

1.3 Kết luân chương 12

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13

2 2 2 2 1 Mạch nguyên lý 13

.2 Các khối điều khiển trong mạch 14

.2.1 Khối tạo xung vuông IC555 14

.2.2 Khối tạo xung răng cưa 15

2 2 2 2 2.3 Khối nguồn 17

.2.4 Khối hồi tiếp (phản hồi) 18

.2.5 Khối kích FET 19

.2.6 Khối công suất 20

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH .22

.1 Giới thiệu chương 22 3

3

.3 Khối công suất 25

.4 Khối kích FET 27

3 3 3 5 Khối xung vuông .28

.6 Khối nguồn dòng 29

.7 Khối mạch nguồn 30

3.8 Giản đồ xung 33

.9 Kết luận chương 35

3 Kết luận 36

Tài liệu tham khảo 37

Là sinh viên theo học khối kỹ thuật nói chung và ngành cơ điện tử nói riêng,được học và thừa hưởng các kiến thức khoa học mà các thế hệ đi trước đã để lại,ngoài việc phải nắm vững các kiến thức sẵn có thông qua việc học lí thuyết, các sinhviên kỹ thuật còn phải đưa các kiến thức đó vào thực tiễn thông qua việc tự tạo ra cácsản phẩm có khả năng ứng dụng vào thực tiễn vì vậy Đồ án Điện tử ứng dụng chính

là cơ hội cho chúng em vận dụng các kiến thức được học ở trường và giúp chúng emrèn luyện thêm nhiều kỹ năng khác

Với đề tài “Thiết kế mạch ổn áp Boost ” thì đây là một cơ hội rất tốt để chúng

em đi sâu vào tìm hiểu và áp dụng những kiến thức của các học phần lý thuyết liênquan vào việc thiết kế, chế tạo một mạch điện tử Là lần đầu thực hiện một sản phẩmmạch điện tử không thể tránh khỏi được những sai sót, khuyết điểm mong nhận được

sự chỉ bảo của các thầy cô

Qua đây, em cũng xin cảm ơn thầy Vũ Vân Thanh đã giúp chúng em thực hiện

đề tài này

Đà Nẵng, ngày 17 tháng 12 năm 2021

Sinh viên thực hiện

Mai Trọng Thành Nguyễn Xuân Khánh

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ỔN ÁP

1.1 Giới thiệu chương:

Hầu hết mọi thiết bị, mạch điện hay hệ thống điện điều cần một nguồn điệnđáp ứng tốt để không làm ảnh hướng tới mọi hoạt động của nó, để biết rỏ hơn về vàitrò cũng như phân loại và đặc điểm của từng loại ổn áp thì ở chương này sẽ làm rỏcác vấn đề đó Đặc biệt là ổn áp xung Boost

nó từ một nguồn cố định hay đã có sẳn, do vậy cần có một hệ thống đảm bảo cungcấp đúng nguồn điện cho các mạch điện hay hệ thống hoạt động một cách tốt nhất vàđảm bảo duy trì tuổi thọ cho các thiết bị điện

Ổn áp là một hệ thống được thiết kế để cung cấp và duy trì ổn định một mứcđiện áp đầu ra với một điện áp đầu vào có thể thay đổi, cung cấp nguồn hoạt độngcho các mạch điện hoặc hệ thống điện

Trên thực tế có nhiều loại ổn áp khác nhau hoạt động trên nguyên lí không giốngnhau, về cơ bản ổn áp được chia làm ổn áp xoay chiều và ổn áp một chiều, tùy thuộcvào đặc điểm hoạt động khác nhau thì ổn áp một chiều lại được chia làm nhiều loạikhác nhau nữa

1.2.1 Ổn áp xoay chiều (AC):

Ổn áp xoay chiều là một thiết bị có thể tự động duy trì điện áp ra xoay chiềuthay đổi trong một phạm vi nhỏ khi điện áp vào thay đổi trong một phạm vi lớn Dovậy ổn áp xoay chiều không có khả năng sinh ra năng lượng mà chỉ có nhiệm vụ ổn

SVTH: Mai Trọng Thành – Nguyễn Xuân Khánh 1

áp và giử điện ra ổn định Ổn áp xoay chiều được chia làm ổn áp xoay chiều một pha

và ổn áp xoay chiều ba pha Tùy thuộc vào lưới điện sử dụng để người ta chọn loại

ổn áp phù hợp

1.2.2 Ổn áp một chiều (DC):

Mọi ổn áp DC đều có nhiệm vụ đó là biến đổi điện áp vào DC (một chiều) thànhđiện áp ra DC xác định, ổn định và duy trì điện áp đó không đổi trên một tầm rộngcủa các điều kiện điện áp vào và dòng tải Để làm được điều đó thì một ổn áp thường

có :

1

2

3

Phần tử chuẩn : để cung cấp một mức điện áp ra biết trước

Phần tử lấy mẫu : để lấy mẫu điện áp ra

Phần tử khuếch đại sai lệch: để so sánh mẫu điện áp chuẩn và cho sai

tín hiệu sai lệch

4 Phần tử điều khiển: để biến đổi điện áp ra thành điện áp mong muốn

khi điều kiện tải thay đổi và được điều khiển bằng tín hiệu sai lệch

Tùy vào kiểu ổn áp khác nhau thì sẽ có các thành phần khác nhau, nhưng cơbản các kiểu ổn áp điều có 4 thành phần trên

Hình 1.1: sơ đồ khối của một nguồn ổn áp cơ bản

SVTH: Mai Trọng Thành – Nguyễn Xuân Khánh 2

1.2.2.1 Phân loại ổn áp một chiều (DC)

Ổn áp DC được chia làm 2 nhóm chính : ổn áp tham số và ổn áp theo nguyên

lí bù

a.Ổn áp Zener ( ổn áp tham số )

Là loại ổn áp dùng để ổn định điện áp một chiều sử dụng đi ốt bán dẫn Zener,loại ổn áp này có nhược điểm là dòng qua tải nhỏ, không có hồi tiếp

Diode Zener gồm có 1 lớp tiếp xúc P-N và 2 chân cực là anốt và catốt, anốtđược nối với lớp bán dẫn P còn catốt được nối với lớp bán dẫn N được bọc trong vỏkim loại hoặc nhựa tổng hợp

Đặc tuyến vôn-ampe của Diode:

Hình: 1.2 Đặc tuyến vôn-ampe

- Phần thuận của đặc tuyến ( Khi UAK >0)

Khi Diode được phân cực thuận thì dòng tăng rất nhanh, ta phải chủ ý đếndòng điện thuận cực đại Ith.max , diode không được làm việc với dòng điện cao

hơn trị số này Khi UAK > 0 nhưng trị số nhỏ thì dòng điện thuận quá nhỏ nên

diode chưa được coi là phân cực thuận, chỉ khi U AK≥ U thì diode mới được tínhD

là phân cực thuận UD được gọi là điện áp thuận ngưỡng của diode, khi UAK = UD

SVTH: Mai Trọng Thành – Nguyễn Xuân Khánh 3

thì dòng điện thuận có trị số khoảng 0.1Ith.max và khi U AK> U thì dòng tăng rấtDnhanh UD có giá trị (0,1-0,3)V đối với diode gecmani và (0,4-0,8)V đối với silic.

Điện trở của diode khi phân cực thuận:

Sự ổn định của điện áp điện thực hiện bằng phương pháp hồi tiếp Khi điện

áp vào Vi biến thiên, điện áp ngõ ra Vo cũng biến thiên thì mạch sẽ tạo ra một tínhiệu điều khiển để bù vào sự biến thiên đó Đây là mạch làm việc dựa theo nguyên

lí bù

Hình 1.4 sơ đồ khối mạch ổn áp tuyến tính

- Ưu điểm của ổn áp tuyến tính:

-Dễ thiết kế và thi công

Nhược điểm của ổn áp tuyến tính:

- Nguyên lí hoạt động của ổn áp xung:

Nguồn DC chưa ổn định được đưa đến phần tử điều chỉnh làm việc như mộtkhóa điện tử Khi khóa dẫn nguồn DC được nối với một ngõ ra, khóa tắt cắt nguồn

SVTH: Mai Trọng Thành – Nguyễn Xuân Khánh 5

ra khỏi mạch Như vậy tín hiệu ra của khóa là một dãy xung Muốn có điện áp mộtchiều cho tải người ta sử dụng bộ lọc Thông thường dung mạch lọc RLC, tùythuộc vào tần số và độ rộng xung ngõ ra của khóa mà trị số điện áp một chiều ởtrên tải có thể lớn hoặc nhỏ Để ổn định điện áp trên tải người ta thường so sánh

nó với một mức điện áp chuẩn Sự sai lệch sẽ được biến đổi thành tín hiệu xung

để điều khiển khóa điện tử Dưới đây là sơ đồ hoạt động của ổn áp xung:

Hình 1.5 sơ đồ hoạt động của ổn áp xung

 Phân loại ổn áp xung :

+ Tùy thuộc vào phần tử điều chỉnh nổi tiếp hay song song với tải người tachia làm ổn áp xung nối tiếp và ổn áp xung song song

Tùy thuộc vào điện áp ngõ vào và ngõ ra người ta chia làm ổn áp xungBuck, ổn áp xung Boost, ổn áp xung Buck-Boost, ổn áp xung Cuk

 Ưu điểm của ổn áp xung:

Tổn hao ít nên hiệu suất cao ( thường trên 80%)

xung, xung vuông có độ rộng thay đổi được đưa tới phần tử điều chỉnh để điềukhiển sự đóng ngắt của nó Trong thời gian không tồn tại xung điều khiển dòng rađược đảm bảo nhờ tự C và cuộn cảm L.

Gọi t x là thời gian mở của phần tử chuyển mạch:

Điện áp trung bình trên tải:

Hình 1.7: Sơ đồ khối ổn áp Boost

1.2.4.3 Phương pháp tính toán ổn áp Boost

Chế độ dòng liên tục: Nếu điện cảm rất lớn, thì dòng điện trong 1 chu kỳ điệncảm sẽ không thay đổi nhiều mà chỉ dao động quanh giá trị trung bình.Chế độ liêntục có hiệu suất và chất lượng bộ nguồn tốt hơn nhiều chế độ không liên tục, nhưngđòi hỏi cuộn cảm có giá trị lớn hơn nhiều lần

Trong thời gian (푡푡푡 ) Transistor đóng, điện áp nguồn được đặt hoàn toàn vào

cuộn cảm L1, khi đó sự thay đổi dòng điện chạy qua cuộn dây trong khoảng đượcxác định theo công thức

Hình 1.8 Nguyên lí hoạt động ổn áp Boost

- Thời gian t on ( khóa S đóng):

Hình 1.9 Ổn áp Boost chế độ t on .SVTH: Mai Trọng Thành – Nguyễn Xuân Khánh 9

Trong suốt trạng thái On của khóa S, điện áp đầu vào Vs đặt lên cuộn dây,tạo ra dòng thay đổi xuyên qua cuộn dây:

Với D là chu kì năng suất

- Thời gian toff ( khóa S mở):

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Mạch nguyên lý

Hình 2.1 Sơ đồ mạch nguyên lí

SVTH: Mai Trọng Thành – Nguyễn Xuân Khánh 13

2 .2 Các khối điều khiển trong mạch 2.1 Khối tạo xung vuông IC555

Hình 2.2: Khối tạo xung vuông

Chức năng: Tạo ra vuông có tần số không đổi, từ đó kết hợp với BJT để

nạp với xả tụ, kết hợp với mạch nguồn dòng để tạo xung răng cưa

Khi tụ C3 được nạp thì cho ngõ ra ở chân số 3 mức 1

Khi tụ C3 được xả thì cho ngõ ra ở chân số 3 mức 0

Với mạch IC555 trên, thì tụ sẽ được nạp điện qua trở R9 và R10 và tụ sẽ

xả qua trở R10

SVTH: Mai Trọng Thành – Nguyễn Xuân Khánh 14

.2.2 Khối xung răng cưa

.2.3 Khối nguồn

2

Hình 2.5: Khối nguồn-

-Chức năng: Từ điện áp đầu vào 12VDC tạo ra áp đầu ra 9VDC cung cấp

cho các IC trong mạch hoạt động

Nguyên lí hoạt động: Điện áp 12VDC còn gợn, nhấp nhô nên tụ C5 và C6

dùng để san phẳng điện áp nhấp nhô đó Sau khi qua IC7809, điện áp ra 9VDC

đi qua tụ C7 và C8 giúp điện áp được san phẳng

SVTH: Mai Trọng Thành – Nguyễn Xuân Khánh 17

.1.5 Khối hồi tiếp (phản hồi)

2

Hình 2.6 Sơ đồ mạch hồi tiếp

Chức năng: Tạo ra một tín hiệu xung đường thẳng để so sánh với xung răng cưa,

từ đó tạo ra xung điều khiển, dẫn đến điều khiển Mosfet

Nguyên lý hoạt động: Để tạo ra được điện áp 18V ở ngõ ra thì điện áp so sánh

Khi điện áp đầu ra lớn hơn 18V thì điện áp phản hổi Vphanhoi > Vchuan:-

SVTH: Mai Trọng Thành – Nguyễn Xuân Khánh 18

Đầu out 2 của op-amp U1:B cho ra mức điện áp 0V → tụ C1 sẻ xả từC1 qua R7 rồi qua chân số 2 của op-amp U1:B ( khi đó chân số 2 sẻnối với GND).

Khi đó điện áp ở tụ sẻ giảm → tạo ra tín hiệu đường thẳng giảm → sosánh với xung răng cưa tạo ra xung điều khiển có độ rộng xung D lớnhơn, dẫn đến Mosfet tắt nhiều hơn , dẫn đến điện áp giảm

Khi điện áp đầu ra giảm bé hơn 18V thì điện áp phản hồi Vphanhoi <

Vchuan

-Đầu out 2 của op-amp U1:B cho ra mức điện áp không xác định → tụC2 sẻ được nạp 푡푡푡 qua R8 và qua D3

Quá trình cứ lặp đi lặp lại liên tục

2.1.6 Khối kích FET tần số cao

Khi opamp (LM339) cho ra 0V ở chân out số 1 (V+<V-)

Xuất hiện IC3 → Q3 dẫn → Xuất hiện IC3 → VC3 = 12V → IB4

Khi đó IB4 → Xuất hiện IC4 → VG đạt tới 12V

SVTH: Mai Trọng Thành – Nguyễn Xuân Khánh 19

Khi đó Mosfet sẻ dẫn.

 Khi opamp (LM339) cho ra một mức điện áp không xác định (V+>V-)

Khi đó IB3 mất → Q3 tắt → khi đó IB5 sẻ xuất hiện → IC5

Khi đó VG → 0V

Khi đó Mosfet sẻ tắt

Kết luận: Mosfet sẻ được kích theo chu kì chân out số 1 của opamp (LM339) U1:AChân out số 1 cho ra 0V thì Mosfet sẻ dẫn

Chân out số 1 cho ra mức điện áp không xác định thì Mosfet sẻ tắt

2.1.7 Khối công suất

Hình2.8: Khối công suất

Cuộn cảm sẻ tích điện lại

Khi FET tắt : Cuộn cảm sẻ được xả điện qua diode → tụ điện (C1), tải ghépsong song → GND

Điện áp ở đầu ra 푡 : Là sự kết hợp của 푡 với điện áp do cuộn cảm

SVTH: Mai Trọng Thành – Nguyễn Xuân Khánh 21

CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH

3.1 Giới thiệu chương

Qua hai chương trên ta đã tìm hiểu và biết được chức năng, nguyên lý hoạtđộng của từng mạch, qua chương này chúng ta sẽ đi vào tính toán giá trị của các linhkiện mô phỏng và thi công mạch

Sau khi tính toán tiến hành thi công, kiểm nghiệm và chỉnh sửa để cho mạchhoạt động ổn định

Sơ đồ mạch tổng thể:

Hình 3.1: Sơ đồ mạch tổng thể

SVTH: Mai Trọng Thành – Nguyễn Xuân Khánh 22

.2 Khối công suất

Điện áp phản hồi trong khoảng 0 ÷ 5V

Chọn biến trở RV1: Dùng để tạo điện áp chuẩn so ánh với điện áp phản hồi của khối

công suất , chọn RV1 = volume 1K (푡) để điều chỉnh được điện áp so sánh từ 0V –5V

.4 Khối kích FET

3

Hình 3.5: Khối kích FETKhi LM339 ra ở mức thấp (0V), dòng điện đi từ 푡푡푡 → Q3 → R5 →

UR5

27

Chọn R4 = 220 (Ω))

Chọn R3 = 2k2 để xả Mosfet IRF3205 để tránh hiện tượng đoản mạch

Chọn Q4 là C1815 có:

3.2 Bảng thông số kỹ thuật của C1815

Nhiệt độ hoạt Tần số chuyển Hệ số khuếch

+ Chọn tần số điều khiển ban đầu mạch là: 50kHz

.8 Giản đồ xung

3

Trường hợp điều khiển

Hình 3.9: Giản đồ xung trường hợp điều khiển

SVTH: Mai Trọng Thành – Nguyễn Xuân Khánh 32

Giản đồ xung hồi tiếp

Hình 3.10: Giản đồ xung trường hợp tăng 10%

SVTH: Mai Trọng Thành – Nguyễn Xuân Khánh 33

Hình 3.11: Giản đồ xung trường hợp giảm 10%

.9 Kết luận chương

3

Dựa vào các công thức được thiết lập ở chương 2 chúng em đã thiết kế được

sơ đồ mạch, tính toán các giá trị linh kiện sử dụng trong mạch và mô phỏng mạchtrên proteus Do không có điều kiện nên nhóm chúng em chưa làm được mạch thật

SVTH: Mai Trọng Thành – Nguyễn Xuân Khánh 34

KẾT LUẬN

Sau thời gian thực hiện đề tài nhóm đã tính toán ,thiết kế, và mô phỏng thànhcông mạch ổn áp xung boost và tiến hành thử nghiệm khả năng hoạt động Tuy nhiênvẫn tồn tại một số vấn đề cần khắc phục về mạch hồi tiếp để đảm bảo khả năng ổnđịnh của mạch , tín hiệu xung chưa được như mong muốn.Trong thời gian sắp tớinhóm sẻ tiến hành nghiên cứu để cải thiện thêm nhằm đảm bảo khả năng ổn định củamạch Quá trình thực hiện nhóm em có một số ưu nhược điểm sau:

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 vàhoàn thành một mạch điện tử

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Điện tử công suất: Nguyễn Duy Nhật Viễn

Điện tử công nghiệp: Nguyễn Văn Phòng

SVTH: Mai Trọng Thành – Nguyễn Xuân Khánh 36