đồ án môn học điện tử ứng dụng mạch ổn áp buck dùng ic555

Ổn áp xung có những ưu điểm vượt trội so với ổn áp tuyến tính như sau: Ưu điểm: - Có tổn hao ít nên hiệu suất cao thường trên 80% - Độ ổn định cao do phần tử điều khiển làm việc ở chế độ

Nguồn DC

chưa ổn định

Phần tử

Lấy mẫu

So sánh

Điều chỉnh điện áp

PHẦN A : PHẦN LÝ THUYẾT 1 Tổng quan về ổn áp xung: 1.1 Khái niệm: Ổn áp xung còn gọi là ổn áp đóng ngắt, là ổn áp dựa trên nguyên lý hồi tiếp (nguyên lý bù), trong đó phần tử điều chỉnh làm việc ở chế độ xung Ổn áp xung có những ưu điểm vượt trội so với ổn áp tuyến tính như sau: Ưu điểm: - Có tổn hao ít nên hiệu suất cao (thường trên 80%) - Độ ổn định cao do phần tử điều khiển làm việc ở chế độ xung - Thể tích và trọng lượng bộ nguồn nhỏ Nhược điểm chính của ổn áp xung: - Phân tích, thiết kế phức tạp - Bức xạ sóng, can nhiễu trong dải tần số rộng do đó cần có bộ lọc xung ở ngõ vào nguồn và bộ nguồn phải được bọc kim 1.2 Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của ổn áp xung: 1.2.1 Sơ đồ khối:

1.2.2 Nguyên lý hoạt động:

Nguồn DC chưa ổn định được đưa đến phần tử điều chỉnh làm việc như một khóa điện

tử Khi khóa dẫn thì nguồn nối đến ngõ ra Khi khóa tắt thì cắt nguồn DC ra khỏi mạch Như vậy tín hiệu ở ngõ ra của khóa là một dãy xung, do vậy muốn có tín hiệu DC ra tải phải dùng bộ lọc LC Tuỳ thuộc vào tần số và độ rộng của xung ở ngõ ra của khóa mà trị

số điện áp 1 chiều trên tải có thể lớn hay nhỏ Để ổn định điện áp DC trên tải, người ta thường so sánh nó với mức điện áp chuẩn Sự sai lệch sẽ được biến đổi thành tín hiệu xung để điều khiển khóa điện tử Có 3 phương pháp thực hiện tín hiệu điều khiển:

- Điều chế độ rộng xung: giữ tần số tín hiệu xung không đổi nhưng thay đổi độ rộng xung làm thay đổi điện áp ra

- Điều chế tần số xung: giữ độ rộng xung không thay đổi nhưng thay đổi chu kỳ tín hiệu xung làm thay đổi điện áp ra

- Điều chế xung: vừa thay đổi độ rông xung, vừa thay đổi độ rộng xung

1.3 Phân loại ổn áp xung: có 4 loại ổn áp xung

- Ổn áp Buck: là loại ổn áp có điện áp trung bình ngõ ra nhỏ hơn ngõ vào

- Ổn áp Boost: là loại ổn áp có điện áp trung bình ngõ ra lớn hơn ngõ vào

- Ổn áp Buck_Boost: là loại ổn áp có điện áp ngõ ra lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp ngõ vào

- Ổn áp Cuk: là ổn áp có điện áp ngõ ra có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp ngõ vào nhưng cực tính ngược với điện áp ngõ vào

1.4 Ổn áp xung kiểu Buck:

Ổn áp Buck là loại điện áp trung bình ngõ ra nhỏ hơn điện áp ngõ vào, hoạt động theo phương pháp điều chế độ rộng xung

điện áp ra với điện áp chuẩn, kết quả sự sai lệch đựơc khuếch đại lên Mạch điều chế xung căn cứ vào sự sai lệch điện áp để điều chế độ rộng xung, tạo xung vuông có độ rộng thay đổi để đưa đến transistor điều khiển thời gian điều khiển của nó Trong khoảng thời gian không tồn tại xung điều khiển, dòng ra được bảo đảm nhờ tụ C và cuộn cảm L.

Gọi t x là thời gian mở của transistor chuyển mạch

Điện áp trung bình trên tải:

= t∫x v s dt

T

v

0 0

Vậy điện áp ra luôn nhỏ hơn điện áp vào

1.4.3 Phương pháp tính toán ổn áp Buck:

* Sơ đồ mạch:

Hoạt động của mạch chia làm 2 mode:

Mode 1: Ứng với thời gian BJT Q dẫn bão hòa ( V CEsat ≈ 0)

Bắt đầu khi Q dẫn ở tại thời điểm bằng t = 0, nếu bỏ qua V CEsat thì V D = V s ⇒ D tắt

Dòng ngõ vào chạy qua L, tụ C và tải.Điện áp qua L:

dt

di L

0

1 1 1

1 2

I L t t

I L t

I I L V V V

s s

Mode 2: Trong khoảng thời gian t2

Bắt đầu khi Q tắt tại t = t 1 Dòng qua L giảm đột ngột → xuất hiện suất điện động tự cảm có chiều như hình vẽ để chống lại sự giảm Lúc này, D dẫn và L đóng vai trò là nguồn xả năng lượng từ trường qua L, C, D và tải Dòng qua L giảm từ I1 → I2 cho đến khi Q dẫn trở lại trong chu kì kế tiếp

Điện áp ngang qua L:

0

2 2

2

1 2

I L t t

I L t

I I L V

0 0

2

V I L V

I L V V

I L t t T

−

∆

=+

V

V kV

T

T V V

s s

s

Từ (3) suy ra:

s s s

s

s

V V

V V

V fL V

V V V L

T I

)1(1

)(

0 0

0 0

I = (1− ) s

∆ (1.4) ∆I: độ gợn dòng đỉnh - đỉnh của cuộn L

i L ≈ ∆ C = ∆

∆

⇒ (1.5)

VO-

Dòng trung bình trên tụ:

42

1 2 0

I dt

I T I

T

∫ (1.6)

(1.6) Điện áp trên tụ: ( ) = 1 ∫ i (t)dt + v (t = 0)

C t

I C dt t i C v

t v V V

T T

C C

C

1)

(

1)0()

0

2 0

kV k

8

)1( −

=

∆ (1.8)

Từ (4) và (8) ta có thể chọn L, C nếu biết độ gợn dòng đỉnh - đỉnh của cuộn và độ gợn

áp đỉnh - đỉnh của tụ bằng công thức sau:

I f

kV k

8

)1(

V L f

kV k

∆

−

= (1.10)

IC 555 gồm 2 mạch khuếch đại thuật toán SS1, SS2 thực hiện chức năng so sánh, một

RS Flip Flop, 1 BJT Q1 và 3 điện trở R có giá trị 5K, 1 cổng NOT

Sơ đồ vi mạch định thời IC555:

Chân 1: chân mass

Chân 2: chân kích khởi ( trigger )

Chân 3: chân ngõ ra

Chân 4: chân Reset: “0” cấm, “1” cho phép mạch làm việc

Chân 5: chân điều khiển bằng điện thế Nếu không dùng thì nối qua tụ 0.01μF tới mass

Chân 6: chân ngưỡng (chân thềm)

Chân 7: chân ngõ ra phụ

Chân 8: nguồn Vcc, bộ Opamp SS2 có mức ngưỡng điện thế là 2/3Vcc, bộ SS1 có điện thế ngưỡng là 1/3Vcc.

* 0 ≤ t < t 1: giả sử mạch ở trạng thái không bền ban đầu Ngõ ra V = 10 ⇒ Q RSFF = 0, BJT Q1 tắt: không có dòng đổ qua BJT Q1 ⇒ tụ C được nạp điện từ nguồn Vcc qua điện

R1

trở R1 qua Diode D với chiều như hình vẽ để hướng đến giá trị V CC Tụ càng nạp thì điện

áp trên tụ càng tăng (v tăng ) cho đến khi áp trên tụ C v C v v V CC

3

2

≥

=

= (6) (2) Lúc đó:

01

1:

0:

0 2

+

−

v Q

S v

v SS

R v

v SS

Mạch chấm dứt thời gian tồn tại trạng thái không bền ban đầu và chuyển sang trạng thái không bền thứ 2

* t ≤ t < 1 t : 2

Tại thời điểm t = t 1: mạch tồn tại ở trạng thái không bền thứ 2 Q =1, v = 0 Vì Q = 1 0

nên BJT Q1 dẫn → tụ C xả điện tích qua R2 → chân số 7 → BJT Q1 → mass Tụ càng xả thì điện áp trên tụ càng giảm → điện áp tại chân số 2 và chân số 6 cùng giảm xuống Khi điện áp trên tụ C giảm đến giá trị V CC v C V CC

3

2

≤

≤ 3

1

thì ta có:

0:

0:

v SS

R v

v SS

1:

v SS

R v

v SS

do điện thế ở chân số 2 chặn trên)

và quá trình cứ tiếp diễn như vậy để liên tục tạo độ dài xung ra

c.Tính độ dài xung ra:

Gọi: T là thời gian ứng với ngõ ra 1 v = 1 o

T là thời gian ứng với ngõ ra 2 v = 0 o

T là chu kì dao động của mạch : T = T +1 T2

T CC

1

1 1

1

CR T

e e

T T

=τ

CR T

e V V

T CC

V v Q v

⇒ S = R = 1 Transistor dẫn bão hoà

Vì tụ C mắc song song với transistor nên v C = v(7) = v CES = 0,2V ≈ 0V → tụ C không

được nạp điện Mạch luôn tồn tại trạng thái bền

= 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 bắt đầu chuyển sang trạng thái phục hồi

* t≥ t1+ T0: giai đoạn phục hồi

Do Q = 1, v = 0 0 ⇒ 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

c.Tính độ dài xung ra:

T là thời gian cần thiết để tụ C tăng từ 0 0 → 23V CC

Phương trình nạp của tụ :

( ) [ ( ) (0)] 1 1 (0)

C

t C

C

V v

0)0(

V e

ph

0 log

3

2ln

ic

CC

V RC

R

U v R

U v

F F

v R

v R

R

1

1 1

R

v R

R

U R

v

F

N F

=

⇒

12

r c

d

k

r c

scr k

1 1

R

R R

R U

R R

v R

R R

v U

U

+

=+

=

=

1

2 2

2

( chọn R F = R P,R1 = R2)

1 1 2

R

R v v

Cho Relay ngắn mạch phía sau

Khóa K làm tiếp điểm thường đóng Khi SCR

dẫn, Relay làm hở mạch, muốn mạch làm

việc trở lại thì phải ấn nút K để SCR mất nguồn

cung cấp suy ra SCR tắt suy ra Relay mất tác động

Do khóa K thường đóng nên khi vừa nhả khóa K thì mạch tiếp tục làm việc

RC : chống lại sự tăng du dt

C : vài chục nF đến 1μF

q c

d

R : vài chục Ω đến 100Ω

b Mạch bảo vệ dưới áp và quá áp:

Khi điện áp vào nằm trong phạm

mạch Nếu áp vào giảm xuống,

làm cho D xuống mức ngưỡng Zb

Khi áp vào tăng thì:

V beQ = const ⇒ V0 = const

Trong quá trình chuyển mạch, do có tính trễ nên BJT không dẫn ngay mà phải trải qua 1 thời gian tạo sườn lên và khi tắt phải trải qua thời gian tao sườn xuống.

Đối với transistor làm việc ở chế độ xung, công suất tiêu tán chủ yếu ở giai đoạn chuyển đổi trạng thái, còn trong giai đoạn dẫn bão hòa công suất tiêu tán rất nhỏ

Ta có : P = P r + P sat + P f

* 0≤ t ≤ T r

r C

t I

s ces

T

t T V t T

V V

t

)

*Trong giai đoạn bão hoà:

P sat = V ces I cmax + V es I bs

*Trong giai đoạn T : f

ces s

bes c

ces sat T

ce

T I

V I

V T

T dt t V t I

1)

()(1

T c ce

T

t T t V I T dt t V t I

0

max 0

0

1)

()(1

s

T

t T

t T

V I

2 0

max

r

T r r

s c

T

t T

t T

V I

0 2

3 2

I c s r

= (*)

t T t V I T dt t V t I

0 0

1)

()(

I c s f

= (**)Thay (*) và (**) vào P:

P =

0

max 0

max 0

max

6

I V I

V T T

T V I T

T V

sat f

s c r s

c s ( r f ) sat (V ces I c V bes I bs)

T

T T T T

V I

++

+

0 0

(2.6) Trong đó N: số vòng dây

S: tiết diện ống dây

7

10.4

(2.7)

16

PHẦN B : PHẦN TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

Yêu cầu :

* Dùng IC555 để điều chế độ rộng xung

TÁC DỤNG CỦA CÁC LINH KIỆN

* R , sa VR a: phân áp, chọn điện áp ngưỡng

* D : làm cho mạch chuyển đổi trạng thái nhanh za

* Q a ,Q1: bảo vệ quá áp

* K: công tắc Reset

* Q b ,Q2: bảo vệ dưới áp.

* R a , R3: điện trở tăng tốc độ chuyển đổi trạng thái.

* R sb,R b,D zb,R2,R3',VR b: tương tự như mạch bảo vệ quá áp

* R : định thiên dòng cho diode 6 D z1

* C : tụ lọc nguồn, tránh nhiễu,8 ổn định điện áp

18

* D : bảo vệ cho SCR.1

* R7,R8,VR2,C2: xác định thời hằng cho mạch Astable

* D : tách đường nạp và xả thành hai đường.3

* IC555(1): mạch dao động không trạng thái bền

* R9,C4: mạch vi phân, tạo xung kích cho Monostable

* R10,VR3,C5,IC555(2): mạch điều chế độ rộng xung.

* R11, R12 : điện trở phân cực cho Q 4

* Q : transistor chuyển mạch , đóng hoặc mở sẻ làm cho 4 Q , 5 Q dẫn hay tắt.6

* C : làm cho 7 Q chuyển đổi trạng thái nhanh hơn.4

* R : điện trở tải của 13 Q 4

* R : ổn định, tăng tốc độ chuyển đổi.11

* Q : ghép Darlington bổ phụ với 5 Q 6

* Q : transistor chuyển mạch.6

* D : đảm bảo cho 5 Q6 dẫn bão hoà

* R : tăng tốc độ chuyển đổi.15

* L ,C6: mạch lọc, tích luỹ năng lượng trong thời gian Q , 5 Q dẫn để cung cấp năng 6

lưọng cho mạch khi Q , 5 Q tắt.6

* R16,D6,D z2: tạo điện áp chuẩn để đưa đến mạch so sánh.

* R21,VR3,R22: lấy mẫu tín hiệu ra để đưa đến mạch so sánh

* VR : thay đổi điện áp chuẩn.3

* R17,R18,R19,R20,µA741(1): mạch so sánh

* µA741(2): OP_AMP đệm.

* VR : hiệu chỉnh để thoả mãn độ gợn áp ra.4

1 Tính chọn mạch Astable:

Chọn IC555 là HA17555 có các thông số sau:

• Nguồn cung cấp: Vcc = 15 v

• Dòng tiêu thụ trung bình: Itb = 10 mA

• Công suất tiêu tán: 600 mW

Thời gian tồn tại xung chính là thời gian nạp xả tụ C2

Theo (2.1) thời gian nạp tụ C2 là:

10 3

2

1 7

+

=

VR R

103

Khi điện áp ngõ ra của mạch Astable ở mức logic 0

Tụ C4 được nạp từ Vcc qua R9 đến ngõ ra của mạch

Astable

Để mạch Monotable hoạt động tốt thì độ dài xung

kích đưa vào chân số (2) của mạch Monotable phải

nhỏ hơn thời gian tồn tại xung của mạch Monotable

Phương trình nạp của tụ C4 là:

v C (t) = [V C (∞ )− V C (0)] −1 e− tτ  + V C (0)

Gọi tx là thời gian tồn tại xung của mạch Monotable

Gọi Vo là điện áp ra của ổn áp

V = ∫x =

0 0

1

f V

V T V

V t

s s

10 15

Chọn R 9 là 700Ω

Công suất tiêu tán trung bình của R 9:

22

8 4 7 6

2

3 Vcc

C5 vi R10 VR2

dt R

t v T P

CC R

2 9 9

1)

(1

C R

t

T

C V

2 8 2

Chọn IC555 là loại HA17555

Tính mạch hoạt động bình thường với áp vào Vs= 25V

Thời gian tồn tại xung tx chính là thời gian tụ C5 nạp

10.40)

103

2

2 10

+

=

VR R

V

Công suất tiêu tán trên R là: 10 P R10 = I R210.R10 = (0,6)2.10−6.16.103 = 5,76 mW

Công suất tiêu tán trên VR là: 2 P VR2 = (0,6)2.10−6.103 = 0,36 mW

Vậy chọn R = 16 kΩ/ 1010 1 W

VR = 1 kΩ/ 1001 W

t CC

V k k

t

suy ra: = ( − ) =

01,0.10.12

25.48,0.48,01

01,08

8

)1(

3 2

I V

L f

kV k

L = 4π.10−7 2 .µ

24

Q6 D5

Q5 R14

R15

R13 Q4

C7

R11 R12

µπ

=

10.4

7S

L l N

Với µ = 1000

1000.4

)01,0(.10.4

10.52.04,0

2 7

3

ππ

)01,0(.10.4

10.52.04,0

2 7

3

ππ

*Điện áp ngược cực đại khoảng (3÷4)V s

*Dòng trung bình thuận I > 10AF

Q là transistor chuyển mạch chỉ làm việc trong

thời gian có xung ra ở đầu ra của mạchmonotable

Khi Q5,Q6dẫn thì nguồn DC được đưa đến đầu ra,

khi Q5,Q6 tắt thì cắt nguồn DC ra khỏi mạch.

Dòng trung bình ngõ vào: IS = k I0= 0,48.10 = 4,8A

Mà : IS = I CSQ6 + ICSQ5 + IR14

Dòng chảy qua Q lớn nhất , Chọn 6 ISQ6= 4,6A

a Tính chọn Q 6:

Để dễ tính toán,chọn thời gian tắt mở của các BJT là

như nhau Thông thường thời gian tắt(mở) là 10ns ÷ 1µs

*Ở đây tính toán với T r = T f = 1µs.

Theo (2.5) ta có:

Công suất của Q là:6

C S f sat (V ces I C V bes I bs)

T

T T T

V I

0 0

max

.3

*Chọn BJT có β min= 30

Ta có

30

6,4

min

=β

P P

V V

V

C tt

S CE

6,4I

W51,317,1.3.3

V v

v

CQ bsQ

bes besQ

153,030

6,4

8,0

min

6 6

6

=

=β

8,0

0 2

15

2 15

S

3

BE BS C

CE sat f

S C

T

T T

T V I

26

.3

1.25.1632,0

= 0,069 W

Chọn Q 5 thỏa các điều kiện sau:

W207,0069,0.33

1632,0

S CE

P P

A I

I

V V

V v

v v

csQ bQ

bes R

besQ

44,530

1632,0

8,0

min

5 5

14 5

=

=β

8,0

5,

BE BS C

CE o

sat o

f S

T

T T

T V I

1.25.84,59

++

3

84,59

S

m P

P

mA I

I

tt

C C

V v

mA

I I

beS R

beQ

C bQ

8,0

995,130

84,59

12 4

min

S 4

R12 Chọn R = 47 Ω12

13,6 W

47

8,

IC555 5

10k A

= =

620

7 ,

12 2 11

1

3 7

* Mạch OP_AMP đệm đưa về điều khiển ICMonotable:

Tổng trở ra của OP_AMP khoảng 75Ω

22,0

977,0

1075

,05

−

out A

A A out A

CC

V V

V V V

V V

Ở đây V là điện áp cần có ở chân 5 của IC555 Monostable A

VớI các giá trị V = 10V,11.86V,8.42V thế vào phương trình trên ta được A V out ≈ V A

Vậy ta xem V out = V A

a Mạch tạo điện áp chuẩn:

16 2

7 2

DZ

D DZ

o DZ

D DZ

o

I

V V

V V

R I

V V

V

10.15

7,01001,01210

.15

7,01001,012

−

−

−

−+

−+

−

R

V v

R R

V R

v R

v

N lm out

19 18

19 18

R R V R

20

R R

R V

19

R R

R V

19 18 19 18

19 18

R R R R

R V

R

V R

v

ch lm

++

V R

V R

Vch