Đề tài Thiết kế mạch xung áp một chiều không đảo chiều, điều chỉnh điện áp 0 - 12VDC U V =24V, I max=5A

Với yêu cầu thiết kế bộ băm xung một chiều không đảo chiều để phục vụ cácmục đích đưa ra, chúng em đã cố gắng tìm hiểu về các phương án công nghệ saocho bản thiết kế vừa đảm bảo yêu cầu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP

BÀI TẬP LỚN

HỌC PHẦN: ĐỒ ÁN 1

Sinh viên: Nguyễn Văn Trường - 87483

Đỗ Ngọc Hiếu – Trương Hải Nam - Nhóm (Lớp): DTD61DH

Giảng viên: Ths Vũ Ngọc Minh

HẢI PHÒNG 12/2022

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP

Giảng viên: Ths Vũ Ngọc Minh

HẢI PHÒNG 12/2022

Lời nói đầu

Như đã biết ứng dụng của Điện tử công suất trong truyền động điện – điều khiểntốc độ động cơ là lĩnh vực quan trọng và ngày càng phát triển Các nhà sản xuấtkhông ngừng cho ra đời các sản phẩm và công nghệ mới về các phần tử bán dẫncông suất và các thiết bị điều khiển đi kèm Do đó khi thực hiện đồ án chúng em đã

cố gắng cập nhật những kiến thức mới nhất, những công nghệ mới trong lĩnh vựcđiều khiển các phần tử bán dẫn công suất

Với yêu cầu thiết kế bộ băm xung một chiều không đảo chiều để phục vụ cácmục đích đưa ra, chúng em đã cố gắng tìm hiểu về các phương án công nghệ saocho bản thiết kế vừa đảm bảo yêu cầu kĩ thuật, yêu cầu kinh tế Với hi vọng đồ ánđiện tử công suất này là một bản thiết kế kĩ thuật có thể áp dụng trong thực tế nênchúng em đã cố gắng mô tả cụ thể, tỉ mỉ và tính toán cụ thể các thông số của sơ đồmạch

Tuy nhiên do trình độ hiểu biết của chúng em còn hạn chế nên không thể tránhkhỏi những sai sót Chúng em mong nhận được sự phê bình, góp ý của các thầy cô

để giúp chúng em hiểu rõ hơn các vấn đề trong đồ án cũng như những ứng dụngthực tế của nó để bản đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn Trong quá trìnhlàm đồ án chúng em đã nhận được sự giúp đỡ, hướng dẫn của thầy Vũ Ngọc Minh.Chúng em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH XUNG ÁP MỘT CHIỀU

1.1: GIỚI THIỆU VỀ BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP

Để cắt điện áp nguồn người ta thường dùng các khóa điện tử công suất vìchúng có đặc tính tương ứng với khóa lý tưởng, tức là khi khóa dẫn điện (đóng)điện trở của nó không có đáng kể, còn khi khóa bị ngắt (mở ra) điện trở của nó vôcùng lớn (điện áp trên tải sẽ bằng không) Trên hình 1.1 là sơ đồ nguyên lý và sơ

đồ đường cong điện áp

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý và đường cong điện áp

Các bộ băm áp một chiều thường gặp hiện nay là các bộ băm áp nối tiếp Trongphần thiết kế này quan tâm nhiều đến các loại băm áp đó Trong khoảng thời gian 0

÷ t1, khóa K đóng lại, điện áp trên tải U R sẽ có giá trị điện áp nguồn (U R = E) Còntrong khoảng t1 ÷ t2 thì khóa K mở ra và điện áp U R = 0

Như vậy giá trị trung bình của điện áp trên tải sẽ là:

Trong đó:

- U d: điện áp tải một chiều

- U1: điện áp nguồn cấp một chiều

- t1: khoảng thời gian đóng khóa K

- T ck: chu kì đóng cắt khóa K

- γ: độ rộng xung điện áp

Như vậy bộ biến đổi xung áp có khả năng điều chỉnh và ổn định điện áp ra trênphụ tải

Nó có những ưu điểm cơ bản:

 Hiệu suất cao vì tổn hao công suất trong bộ biến đổi không đánh kể so vớicác bộ biến đổi liên tục;

 Độ chính xác cao cũng như ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường, vìyếu tố điều chỉnh là thời gian đóng khóa K mà không phải là giá trị điện trởcủa các phần tử điều chỉnh thường gặp trong các bộ biến đổi liên tục;

 Chất lượng điện áp tốt hơn so với các bộ biến đổi liên tục;

 Kích thước gọn, nhẹ

Nhược điểm cơ bản của các bộ biến đổi xung áp là:

 Cần có bộ lọc đầu ra, do đó làm tăng quán tính của các bộ biến đổi khi làmviệc trong hệ thống kín;

 Tần số đóng cắt lớn sẽ tạo ra nhiễu cho nguồn cũng như các thiết bị điềukhiển

Đối với các bộ biến đổi công suất trung bình (hàng chục kW) và nhỏ (vài kW),người ta thường dùng các khóa điện tử là các bóng bán dẫn lưỡng cực IGBT.Trong trường hợp công suất lớn (vài trăm kW trở lên) người ta thường dùng GTOhoặc triristo Tùy thuộc đầu vào điện áp mà người ta chia ra: bộ biến đổi xung áp

có đảo chiều và bộ biến đổi xung áp không đảo chiều

1.1.1: Mạch xung áp một chiều

Các bộ biên đổi xung áp một chiều có vai trò đặc biệt quan trọng trong phạm

vi ứng dụng ngày càng to lớn Nếu điện áp xoay chiều có thể dùng máy biến áp đểbiến đổi điện áp thì điện áp một chiều bắt buộc phải dùng bộ biến đổi xung áp Các

bộ biến đổi xung áp dần loại trừ các loại biến áp tần số thấp trong các bộ nguồn,dẫn đến kích thước các thiết bị điện tử ngày càng nhỏ gọn Hai loại bộ biến đổixung áp một chiều: các bộ băm xung áp (chopper) và các bộ biến đổi nguồn DC-DC

Ưu điểm:

 Sử dụng các phần tử MOSFET, IGBT, đặt biệt là MOSFET, với cáctần số đóng cắt cao, vài chục đến vài trăm kHz;

 Nhờ tần số đóng cắt cao giảm được độ đập mạch của dòng điện, điện

áp một chiều, tiến tới lý tưởng;

 Kích thước các phần tử phản khác như điện cảm, tụ điện giảm đáng

kể, giảm kích thước bộ biến đổi nói chung đến mức rất nhỏ;

 Không dùng biến áp nguồn tần số thấp nữa Giảm tổn hao, tiết kiệmsắt thép

Nhược điểm:

 Phát sinh nhiều vấn đề nghiên cứu

Phần tử cơ bản là khóa điện tử V, là một van điều khiển hoàn toàn (GTO, IGBT,MOSFET, BJT), được mắc nối tiếp giữa tải và nguồn Diode D có vai trò quantrọng trong sự hoạt động của sơ đồ, gọi là diode không Diode này sẽ dẫn dòng tải

V khóa

Khi V thông iR + L di dt = E

Khi V khóa iR + L di dt = 0

1.2: GIỚI THIỆU CÁC THÀNH PHẦN TRONG MẠCH XUNG ÁP MỘT

Hình 1 4 Ký hiệu

1.2.2: Tranzito

Là phần tử bán dẫn có cấu trúc gồm ba lớp bán dẫn p-n-p hoặc n-p-n, tạonên hai lớp tiếp giáp p-n Cấu trúc này thường đưuọc gọi là BJT, được thểhiện qua hình 1.5

Hình 1 5 Cấu tạo và ký hiệu của transistor

Hình 1 6: Quá trình quá độ của transistor

1.3: GIỚI THIỆU MẠCH XUNG ÁP

1.3.1: Mạch xung áp một chiều không đảo chiều:

Hình 1.10: Mạch xung áp một chiều không đảo chiều

Bộ biến đổi xung áp (hình trên) cho phép điều chỉnh điện áp (Ut) lớnhơn hoặc nhỏ hơn điện áp vào (E) Van điện tử T được đóng mở nhờ tín hiệuđiều khiển UG Khi van dẫn điện, cuộn kháng K được tích một năng lượngnhất định từ nguồn E (dòng nạp cho cuộn kháng là dòng iL1) Tại thời điểm t1van T bị khoá lại, sức điện động tự cảm của cuộn kháng L sẽ duy trì dòngqua cuộn kháng vẫn theo chiều cũ, năng lượng tích trữ trong cuộn kháng sẽđược nạp cho tải và tụ C (dòng iL2) Khi van T lại dẫn điện, tụ C sẽ phóngđiện qua tải và duy trì cho điện áp trên tải là bằng phẳng, đồng thời cuộnkháng lại được tích năng lượng Đồ thị điện áp và dòng điện

Tương ứng trong khoảng 0  t1, dòng qua van T là iT = iL1

Trong khoảng t1  T, dòng qua diode là ID = iL2

Điện áp trên cuộn kháng sẽ bằng E khi van T dẫn và khi van T khoá

sẽ có giá trị là –U1

Hình 1.9: Đồ thị xung của bộ xung áp một chiều không đảo chiều

Khi van T dẫn, diode sẽ chịu một điện áp ngược:

UD = E + UC = E + Ut (1.7)Khi van T bị khoá, T sẽ có một điện áp thuận:

UT = E + UC = E + Ut (1.8)

Hình 1.10 Sơ đồ thay thế của bộ xung áp

-Điện trở của diode

Giá trị của các điện trở tương đương trong sơ đồ thay thế sẽ là:

(1.10)

Từ sơ đồ thay thế ta rút ra:

(1.11)

Trong đó: I0, IL, U1, E1, UR, It là các giá trị trung bình

Đường cong Ut sẽ có điểm cực trị đối với  Như vậy khi thayđổi  ta có thể thay đổi được điện áp ra Để đảm bảo có thể tăng điện

áp ra lớn hơn vào, điện trở trong của nguồn R0 phải đủ nhỏ (xem côngthức (1.10) Nếu coi R0 là không đáng kể, từ (1.11) suy ra:

(1.12)

Có thể nhận thấy Ut < E0 khi 0 <  < 0,5 và Ut > E0 khi 0,5 < 

<1

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH XUNG ÁP MỘT CHIỀU KHÔNG ĐẢO

-Do V¿ = 8 ÷ 40V nên ta chọn C¿ = 470μ F để ổn định điện áp vào

-C1 = 105 (tụ gốm) = 10x105pF = 1μ F để lọc nhiễu đầu vào

-C2 = 105 (tụ gốm) = 10x105pF = 1μ F để lọc nhiễu đầu vào

-L = 47μ H /12 A chọn tần số switching cho mosfet tích hợp bên trong IC4016

Chọn 12A là dòng định mức cho cuộn L để tránh toả nhiệt sẽ gây ra hiện tượng bão hoà cuộn cảm và cuộn cảm này dùng để lọc nhiễu.

-Diode schottky: MBR1545 → ổn định điện áp đầu ra <vì mắc ngược như diode zenet>

-U rayêu cầu 0÷12V → Chọn C out = 25V/1000μ F > điện áp ra yêu cầu

R2, R1 chọn thỏa mãn V out = 1,25x(1+R2

R1) Chọn R1 = 1K

-Driver này có nhiệm vụ là một bộ trung gian để chuyển đổi các tín hiệu Khi tín hiệu các bộ khuếch đại, các tín hiệu răng cưa và tín hiệu từ Osoillator gửi đến driver thì driver sẽ tạo ra một xung với tần số đóng cắt thích hợp để mosfet hoạt động được

Proteus là phần mềm mô phỏng mạch điện tử của Lancenter Electronics, mô phỏng cho hầu hết các linh kiện điện tử thông dụng, đặc biệt hỗ trợ cho cả các MCU như PIC, 8051, AVR, Motorola

Hình 3.1: Giao diện phần mềm proteus

Phần mềm bao gồm 2 chương trình: ISIS cho phép mô phỏng mạch và ARES dùng để vẽ mạch in Proteus là công cụ mô phỏng cho các loại Vi Điều Khiển khá tốt, nó hỗ trợ các dòng VĐK PIC, 8051, PIC, dsPIC, AVR, HC11, MSP430, ARM7/LPC2000 các giao tiếp I2C, SPI, CAN, USB, Ethenet, ngoài

ra còn mô phỏng các mạch số, mạch tương tự một cách hiệu quả Proteus là bộ công cụ chuyên về mô phỏng mạch điện tử

ISIS đã được nghiên cứu và phát triển trong hơn 12 năm và có hơn 12000 người dùng trên khắp thế giới Sức mạnh của nó là có thể mô phỏng hoạt động của các hệ vi điều khiển mà không cần thêm phần mềm phụ trợ nào Sau đó, phần mềmISIS có thể xuất file sang ARES hoặc các phần mềm vẽ mạch in khác

Trong lĩnh vực giáo dục, ISIS có ưu điểm là hình ảnh mạch điện đẹp, cho phép ta tùy chọn đường nét, màu sắc mạch điện, cũng như thiết kế theo các mạch mẫu (templates)

Những khả năng khác của ISIS là:

• Tự động sắp xếp đường mạch và vẽ điểm giao đường mạch;

• Chọn đối tượng và thiết lập thông số cho đối tượng dễ dàng;

• Xuất file thống kê linh kiện cho mạch;

• Xuất ra file Netlist tương thích với các chương trình làm mạch in thông dụng;

• Đối với người thiết kế mạch chuyên nghiệp, ISIS tích hợp nhiều công cụ giúp choviệc quản lý mạch điện lớn, mạch điện có thể lên đến hàng ngàn linh kiện;

• Thiết kế theo cấu trúc (hierachical design);

• Khả năng tự động đánh số linh kiện

3.2: Hình mô phỏng trên phần mềm

Sử dụng Proteus, ta xây dựng như hình 3.2

Hình 3.2: Mạch xung áp một chiều không đảo chiều

Xây dựng mạch như trong hình, ta sẽ đo được dạng tín hiệu ra như hình 3.3

Hình 3.3: Tín hiệu ra

3.3: Mạch thực

Dựa trên số liệu và các thông số đã cho, ta xây dựng được mạch thực như hình 3.4

Hình 3.4: Mạch thực

Tài liệu tham khảo

Điện tử công suất – Võ Minh Chính – Phạm Quốc Hải – Trần Trọng MinhTính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất – Trần Văn Thịnh