Thiết kế và lắp ráp mạch điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều sử dụng IC555

LỜI NÓI ĐẦU ...................................................................................................... 3 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ............................... 4 1.1.Tổng quan về điện tử công suất ................................................................... 4 1.2.Giới thiệu về động cơ điện một chiều .......................................................... 7 1.3.Điều chỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiều ....................................................... 9 CHƯƠNG II: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN VÀ THIẾT KẾ .......................... 15 2.1. Lựa chọn phương án thiết kế ..................................................................... 15 2.2. Sơ đồ khối ................................................................................................. 15 2.3.Sơ đồ nguyên lý .......................................................................................... 18 2.4.Lựa chọn, phân tích các thành phần có trong mạch ................................... 19 2.4.1. Điện trở .................................................................................................. 19 2.4.2. Tụ điện .................................................................................................... 20 2.4.3. IC NE555 ................................................................................................ 21 CHƯƠNG III: THI CÔNG SẢN PHẨM ......................................................... 27 3.1. Bảng vật tư, linh kiện ................................................................................ 27 3.2. Lắp ráp, đấu nối mạch ............................................................................... 29 3.2.1. Mạch PCB .............................................................................................. 29 3.2.2. Thi công.................................................................................................. 29 CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN ............................................................................... 32 4.1. Kiến thức ................................................................................................... 32 4.2. Hạn chế ...................................................................................................... 32 4.3. Hướng phát triển ...................................................................................... 32 LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................... 33

Giảng viên hướng dẫn : Th.S Hoàng Trung Hiệp Sinh viên thực hiện : Bùi Thị Ngọc Lệ PH30871

Triệu Việt Hoàng PH33098

Lê Xuân Đạt PH41811 Nguyễn Chí Anh PH41835

Năm 2023

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 3

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 4

1.1.Tổng quan về điện tử công suất 4

1.2.Giới thiệu về động cơ điện một chiều 7

1.3.Điều chỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiều 9

CHƯƠNG II: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN VÀ THIẾT KẾ 15

2.1 Lựa chọn phương án thiết kế 15

2.2 Sơ đồ khối 15

2.3.Sơ đồ nguyên lý 18

2.4.Lựa chọn, phân tích các thành phần có trong mạch 19

2.4.1 Điện trở 19

2.4.2 Tụ điện 20

2.4.3 IC NE555 21

CHƯƠNG III: THI CÔNG SẢN PHẨM 27

3.1 Bảng vật tư, linh kiện 27

3.2 Lắp ráp, đấu nối mạch 29

3.2.1 Mạch PCB 29

3.2.2 Thi công 29

CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN 32

4.1 Kiến thức 32

4.2 Hạn chế 32

4.3 Hướng phát triển 32

LỜI CẢM ƠN 33

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của thế giới về mọi mặt, trong đó khoa học

công nghệ nói chung và ngành công nghệ kỹ thuật Điện Tử nói riêng có nhiều phát

triển vượt bậc, góp phần làm cho thế giới ngày càng hiện đại và văn minh hơn Sự

phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị có các đặc điểm

với sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ linh hoạt và hoạt động ổn định Đó

là những yếu tố cần thiết làm cho năng suất, hiệu quả trong công việc được tăng

cao, hoạt động của con người được giảm bớt

Với sự phát triển như vũ bão như hiện nay thì kỹ thuật điện tử , đang xâm

nhập vào tất cả các ngành khoa học – kỹ thuật khác và đã đáp ứng được mọi nhu

cầu của người dân

Sau đây em xin giới thiệu một mạch điều chỉnh tốc độ động cơ khá hiệuquả sử

dụng IC555 Để góp một phần nhỏ vào việc này chúng em đã thực hiện đề tài “

Thiết kế và lắp ráp mạch điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều sử dụng IC”

Trong quá trình thực hiện đề tài, chúng em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của

Thầy Hoàng Trung Hiệp cùng các bạn trong lớp, nhóm chúng em xin cảm ơn sự

giúp đỡ của cô và các bạn đã giúp nhóm em hoàn thành đề tài đúng thời hạn

Chúng em xin chân thành cảm ơn !!!

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

1.1 Tổng quan về điện tử công suất

Điện tử công suất:

Ứng dụng các thành tựu của kỹ thuật điện tử trong công nghiệp

Với dòng điện lớn, điện áp cao

Nhằm biến đổi năng lượng điện sao cho phù hợp với yêu cầu của phụ tải và công nghệ đặt ra

Quá trình biến đổi năng lượng trong mạch được thực hiện bởi các phần tử bán dẫn công suất lớn

Chỉnh lưu (Rectifier): biến đổi năng lượng xoay chiều thành năng lượng một chiều (P~ → P= )

Nghịch lưu (Inverter): biến đổi năng lượng một chiều thành năng lượng xoay chiều (P= → P~ )

Bộ biến đổi xung áp: có hai loại:

BBĐXA một chiều (còn gọi là bộ băm xung một chiều): P= → P= thay đổi được giá trị

BBĐXA xoay chiều (còn gọi là bộ điều áp xoay chiều ĐAXC): P~ → P~ thay đổi được giá trị

Biến tần: biến đổi năng lượng xoay chiều, thay đổi tần số không phụ thuộc f1

1.1.1 Đặc tính cơ bản của linh kiện điện tử công suất

Phân loại

Van không điều khiển: điôt

Van bán điều khiển: tiristor triac

Van điều khiển hoàn toàn: BJT MOSFET GTO IGBT

 T khóa nhờ mạch lực ↔ UAK < 0 hoặc IT < Idt •

 T mở nhờ mạch điều khiển ↔ UAK > 0 và IG ≠ 0

c Triac

d BJT – FET

 BJT là phần tử điều khiển bởi dòng bazơ

 FET là phần tử điều khiển bởi áp

1.2 Giới thiệu về động cơ điện một chiều

Động cơ điện 1 chiều DC (được viết tắt của cụm từ “Direct Current Motors”) là một loại động cơ điều khiển bằng dòng điện có hướng được xác định

Hay nói theo một cách khác thì đây chính là loại động cơ hoạt động bằng nguồn điện áp DC điện áp 1 chiều

Hình 1.1 Động cơ điện một chiều

 Chổi than (Brushes): là nơi tiếp xúc và có thể tiếp điện được cho bộ phận

 Đối với động cơ DC nhỏ thường được sử dụng trong các công cụ, đồ chơi

và các thiết bị gia dụng khác nhau

 Trong công nghiệp, động cơ DC được ứng dụng như băng tải và bàn xoay việc sử dụng động cơ DC công suất lớn trong các ứng dụng như phanh và đảo chiều

 Động cơ một chiều còn được ứng dụng nhiều trong ngành chế tạo Robot

1.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiều

Về phương diện điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với loại động cơ khác, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng

Để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều, có một số phương án phổ biến sau đây:

Sử dụng biến trở điều khiển (Rheostat): Đây là một phương án điều khiển tốc

độ đơn giản nhất Biến trở điều khiển được kết nối vào mạch nguồn để điều chỉnh điện trở và giảm tốc độ động cơ điện một chiều Tuy nhiên, phương án này không hiệu quả về mặt năng lượng, và tổn thất nhiệt là khá lớn

Sử dụng biến áp tự động (Autotransformer): Biến áp tự động cung cấp các bậc

điều chỉnh tốc độ khác nhau bằng cách thay đổi điện áp đầu vào đến động cơ Tuy nhiên, phương án này cũng gây ra tổn thất năng lượng và hiệu suất không cao

Sử dụng phương pháp phân chia xung PWM (Pulse Width Modulation):

Phương pháp này điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi thời gian tín hiệu xung được cấp cho động cơ Bằng cách điều chỉnh tỷ lệ giữa thời gian xung cao và thời gian xung thấp, ta có thể kiểm soát tốc độ động cơ

Sử dụng phương pháp điều khiển dòng điện: Điều khiển tốc độ động cơ bằng

cách giảm dòng điện đầu vào Phương pháp này thường sử dụng mạch điều khiển tổng hợp tín hiệu điện từ động cơ và điều chỉnh dòng điện thông qua mạch điện

tử

Sử dụng biến tần (Inverter): Biến tần là một giải pháp hiện đại và phổ biến để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều Biến tần chuyển đổi điện năng xoay chiều thành điện năng điều chỉnh được xoay chiều, cho phép điều chỉnh tốc độ một cách hiệu quả và linh hoạt Biến tần cũng giúp tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu tổn thất

1.4 Các phương pháp điều chỉnh động cơ tốc độ cho động cơ DC

 Mạch điều khiển tốc độ động cơ DC dùng Mosfet đơn giản

 Mạch điều khiển tốc độ động cơ điện dùng IC555

 Mạch điều khiển tốc dộ motor DC bằng arduino

 Mạch cầu H dùng mosfet kênh N

 Mạch điều khiển tốc độ motor DC dùng module L298

1.4.1 Mạch điều khiển tốc độ động cơ điện dùng IC555

 IC NE555 nhận xung điện áp có dạng xung răng cưa do mạch R, C tạo ra tại chân 2, chân 6 Sau khi qua IC555 ta được độ rộng xung, có độ rộng xung có thể thay đổi được giá trị trung bình của điện áp Tần số xung điện phụ thuộc vào giá trị R, C

 IC555 tạo ra xung có thể điều khiển tốc độ của động cơ bằng phương pháp điều khiển đầu ra PWM

Hình 1.4.1 Mạch điều khiển tốc độ động cơ DC dùng IC555

1.4.2 Mạch điều khiển motor DC bằng Arduino

 Tương tự với IC555, chỉ khác ở mạch điều khiển dùng vi điều khiển Arduino thay vì IC555 Arduino có khả năng tạo xung PWM có tần số 490Hz và 980Hz

 Ưu điểm: Mạch điều khiển đơn giản, có công suất và hiệu suất cao Được lập trình nên dễ dàng thay đổi bằng phần mềm Và có thể mở rộng thêm các ứng dụng khác chạy song song với Arduino

 Nhược điểm: Arduino UNO có giá cao hơn so với IC555 Cần lập trình cho Arduino đọc hiểu giá trị biến trở và tạo ra xung PWM Không thể đảo chiều động cơ

Hình 1.4.2 Mạch điều khiển motor DC bằng Arduino

1.4.3 Mạch điều khiển tốc độ động cơ DC dùng Mosfet

Mạch điện điều khiển động cơ DC bằng Mosfet: Điều chỉnh tốc độ bằng biến trở

Tại đây, điều chỉnh điện áp ở cực G để điều khiển Mosfet Điện áp phân áp tăng thì điện áp trên Mosfet giảm, tốc độ động cơ nhanh hơn và ngược lại, điện áp phân

áp giảm thì điện áp trên Mosfer tăng, tốc độ động cơ điện chậm lại

Đơn giản chỉ với vài linh kiện mạch điện có thể thay đổi điện áp động cơ DC 12V, motor điện 3 pha công suất nhỏ Điểm hạn chế của mạch này là công suất

nhỏ do điện áp rơi trên Mosfet lớn, nếu động cơ lớn sẽ làm nóng hư Mosfet

Hình 1.4.3 Mạch điều khiển tốc độ động cơ DC dùng Mosfet

1.4.4 Mạch cầu H dùng mosfet kênh N

 Ưu điểm mạch điều khiển và động lực được hoạt động riêng biệt nên điện

áp phần điều khiển không phụ thuộc phần mạch công suất Do đó điều khiển được động cơ công suất lớn, điện áp lên đến 220V Điều khiển đảo chiều động cơ qua biến trở

 Nhược điểm: Mạch điện phức tạp, cần am hiểu kiến thức cơ bản về điện

tử để làm mạch này

Hình 1.4.4 Mạch cầu H dùng mosfet kênh N

1.4.5 Mạch điều khiển tốc độ động cơ DC 220V với chip L298N

L298N chính là trình điều khiển của động cơ H-Bridge kép, chúng sẽ cho phép điều khiển tốc độ và hướng của 2 động cơ DC cùng 1 lúc Nó có thể điều khiển được động cơ DC có điện áp nằm trong khoảng từ 5 – 35V, với dòng điện cực đại có thể lên đến 2A

Con IC này có thể làm giảm điện áp xuống khoảng 2V Vì vậy, nếu chúng ta đang sử dụng nguồn điện 12V thì điện áp tại các chân động cơ sẽ có giá trị vào khoảng 10V Điều đó có nghĩa là người dùng sẽ không thể cung cấp được tốc độ tối đa khi khởi động động cơ DC được

Hình 1.4.5 Mạch điều khiển tốc độ động cơ DC 220V với chip L298N

CHƯƠNG II: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN VÀ THIẾT KẾ

2.1 Lựa chọn phương án thiết kế

Từ các phương án điều chỉnh tốc độ động cơ đưa ra như trên nhóm chúng em đã xem xét và lựa chọn: “Thiết kế và lắp ráp mạch điều chỉnh tốc độ động cơ DC sử dụng IC555”

2.2 Sơ đồ khối

1 Khối nguồn

Chúng ta có thể điều khiển tốc độ của động cơ DC bằng cách điều khiển điện áp đầu vào của động cơ Với mục đích đó, chúng ta có thể sử dụng PWM, hoặc điều chế độ rộng xung

Đây là một mạch cơ bản của IC 555 hoạt động ở chế độ astable và chúng

ta có thể nhận thấy rằng đầu ra ở mức CAO khi tụ C1 đang nạp qua các điện trở R1 và R2

Source: Howtomechatronics.com

Thông thường điện trở R1 nhỏ hơn nhiều so với điện trở của biến trở, ví dụ, 1K

so với 100K của biến trở Bằng cách đó, có thể điều khiển 99% điện trở nạp và

xả trong mạch Chân điều khiển của IC 555 không được sử dụng nhưng nó được kết nối với tụ điện 100nF để loại bỏ bất kỳ nhiễu bên ngoài nào từ chân đó Thiết lập lại, chân số 4, hoạt động ở mức thấp, do đó, nó được kết nối với VCC

để ngăn chặn bất kỳ thiết lập lại không mong muốn nào của đầu ra

Đầu ra của IC 555 có thể để trống hoặc cấp dòng điện 200mA cho tải Vì vậy, nếu động cơ mà chúng ta muốn điều khiển vượt quá định mức này, chúng ta cần

sử dụng transistor hoặc MOSFET để điều khiển động cơ Trong mạch này,

nhóm em đã sử dụng một Mosfet IRFBE20

Source: Howtomechatronics.com

Đầu ra của IC cần được kết nối với chân của transistor thông qua một điện trở, sử dụng điện trở 1k Để ngăn chặn bất kỳ sự biến đổi điện áp nào được tạo ra bởi động cơ, chúng ta cần sử dụng một diode flyback được kết nối song song với động cơ

2.4 Lựa chọn, phân tích các thành phần có trong mạch

2.4.1 Điện trở

a Khái niệm: điện trở là linh kiện điện tử thụ động không thể thiếu trong các mạch

điện và điện tử, chúng có tác dụng cản trở dòng điện tạo sự sụt áp để thực hiện các chức năng khác tùy theo vị trí của điện trở trong mạch:

Đơn vị : ôm ( )

Công thức tính :

b Cách kiểm tra điện trở

1 Kiểm tra bằng mát thường:

2 Kiểm tra bằng đồng hồ vạn năng: Xem có đúng với giá trị thực ghi trên điện trở không

3 Kiểm tra để đo biến trở:

-Vặn đồng hồ về thang đo Ohm

-Đo cặp chân 1-3 rồi đối chiếu với giá trị ghi trên điện trở

-Đo tiếp cặp chân 1-2 rồi dùng tay chinh thử xem kim đồng hồ có thay đổi không: + Nếu thay đổi chậm ta xác định VR là loại A

+ Nếu thay đổi nhanh ta xác định VR là loại B

+ Nếu kim đồng hồ thay đổi rồi chuyển hẳn về là biến trở bị đứt

+ Nếu kim đồng hồ thay đổi rồi lại chuyển về rồi lại trở về vị trí gần đó là biế trở bị bẩn , rỗ mặt

2.4.2 Tụ điện

a Khái niệm

Tụ điện gồm hai bản cực ghép song song làm bằng chất dẫn điện, giữa hai bản cực là chất điện môi (cách điện), là một bình chứ điện nhỏ, nạp và phóng điện lúc cần thiết Giá trị dòng điện qua tụ điện tỉ lệ với tốc độ biến dổi điện áp trên nó theo thời gian:

+ Điện dung: Cho biết khả năng chứa điện của tụ điện

+ Điện áp: Cho biết khả năng chịu đựng của tụ điện

Đơn vị: fara (F), F, nF







+ Công suất tiêu thụ (max) 600mW

b Chức năng và sơ đồ chân

+ Tạo xung

+ Điều chế được độ rộng xung (PWM)

+ Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng trong thu phát hồng ngoại)

25

.01 50

1500 1,5KV

Tất cả các IC thời gian đều cần 1 tụ điện ngoài để tạo ra 1 thời gian đóng cắt của xung đầu ra Nó là một chu kì hữu hạn để cho tụ điện (C) nạp điện hay phòng điện thông qua một điện trở R Thời gian này được xác định thông qua điện trở R và tụ điện C

Đường cong nạp của tụ điện

Mạch nạp RC cơ bản như trên hình 4 Giả sử tụ ban đầu phóng điện Khi mà đóng công tắc thì tụ điện bắt đầu nạp thông qua điện trở Điện áp qua tụ điện từ giá trị

0 lên đến giá trị định mức vào tụ Đường cong nạp được thể hiện qua hình 4A Thời gian đó nó để cho tụ điện nạp đến 63.2% điện áp cung cấp và hiểu thời gian này là 1 hằng số Giá trị thời gian đó có thể tính bằng công thức đơn giản sau:

t = R.C

IC NE555 N gồm có 8 chân

 Chân 1 (GND): Chân nối GND để giúp cung cấp dòng cho IC hay còn được gọi

là mass chung

 Chân số 2 (TRIGGER): Được biết đến là chân đầu vào thấp hơn so với điện áp

so sánh và được sử dụng giống như 1 chân chốt của một tần số áp Mạch so sánh

ở đây được sử dụng là các Transistor PNP với điện áp chuẩn là ⅔ Vcc

 Chân số 3 (OUTPUT): Đây là chân được lấy tín hiệu logic đầu ra Trạng thái tín hiệu ở chân số 3 này được xác định ở mức thấp (mức 0) và mức cao (mức 1)

 Chân số 4 (RESET): Dùng để lập định trạng thái đầu ra của IC 555 Khi chân 4 được nối với Mass thì OUTPUT sẽ ở mức 0 Còn khi chân 4 ở mức cao thì trạng thái đầu ra sẽ phụ thuộc theo mức áp trên chân số 2 và chân số 6 Trong trường hợp, muốn tạo dao động thường chân này sẽ được nối trực tiếp với nguồn Vcc

 Chân số 5 (CONTROL VOLTAGE): Chân này được sử dụng để làm thay đổi mức điện áp chuẩn trong IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng ở các điện trở ngoài nối với chân số 1 GND

 Chân số 6 (THRESHOLD): Là một trong những chân đầu vào để so sánh điện

áp và cũng được dùng như một chân chốt

 Chân số 7 (DISCHAGER): Đây được coi như một khóa điện tử và chịu tác động điều khiển từ tầng logic của chân 3 Khi đầu ra là chân OUTPUT ở mức 0 thì

- Thời gian mức 1 ở ngõ ra chính là thời gian nạp điện, mức 0 là xả điện

Nhìn vào sơ đồ mạch trên ta có công thức tính tần số, độ rộng xung

Mức thời kì cao (T1) là khoảng thời kì xung duy trì ở mức cao (5V) trong sóng đầu ra Điều này có thể được tính là:

Tần số (F) = 1,44 / (R1 + 2 × R2) × C1

= 1,44 / (10000 + 2 × 42000) × 0,00001

F = 1,532 (Hz)

Chu kỳ xung luôn được cho dưới dạng phần trăm, nếu thời kì cao bằng thời

kì thấp thì xung có 50% chu kỳ xung và nếu thời kì tắt bằng 0, nó có chu kỳ xung 100% Chúng ta có thể tính toán chu kỳ xung là:

Chu kì xung = (T1 / T) × 100

= (0,360 / 0,651) × 100

DC = 55,3%

NE555P

hẹn giờ IC

Điện áp đầu vào: 2 – 18V Dòng tiêu thụ: 6mA - 15mA Điện áp logic ở mức cao: 0.5 - 15V Điện áp logic ở mức thấp: 0.03- 0.06V Công suất tiêu thụ (max) 600mW

Điện trở

1k 10k 220 Nhiệt độ hoạt động: -55oC - 150oC Linh kiện xuyên lỗ: 0.5mm

Tụ điện

1nF, 22nF Điện áp tối đa: 10V Loại: điện dung cố định

Công suất tiêu tán tối đa là: 5W