BÁO-CÁO-ĐỒ-ÁN-III 06-01

Nhìn chung các phương pháp trên áp dụng cho sản xuấtđiện công nghiệp, còn với các hộ gia đình khi nguồn điện công nghiệp bị cắtphương pháp chủ yếu được sử dụng ở đây là nghịch lưu dòng đ

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 2

CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

1.1 Giới thiệu chung về mạch nghịch lưu 3

1.2 Sơ đô khối và thiết kế các khối mạch 3

1.2.1 Sơ đồ khối và chức năng của các khối 3

1.2.2 Thiết kế các khối chức năng của mạch 8

a) Khối nguồn 8

b) Khối tạo dao động 9

c) Khối công suất 11

d) Khối biến áp 12

CHƯƠNG II THIẾT KẾ, THI CÔNG VÀ KHẢO SÁT MẠCH 16

2.1 Sơ đồ nguyên lý và nguyên tắc hoạt động của mạch 16

2.1.1 Sơ đồ nguyên lý 16

2.1.2 Nguyên tắc hoạt động của mạch 16

2.2 Mô phỏng hoạt động của mạch 17

2.3 Thi công và khảo sát mạch 19

2.3.1 Thiết kế sơ đồ mạch in 19

2.3.2 Dụng cụ và vật tư tiêu hao 19

2.3.3 Các bước thực hiện lắp ráp và chế tạo mạch 20

2.3.4 Khảo sát mạch và kết quả đạt được 20

KẾT LUẬN 22

TÀI LIỆU THAM KHẢO 23

MỞ ĐẦU

Trong thời đại phát triển hiện nay, việc nâng cao và phát triển tối ưu cácứng dụng phục vụ cho đời sống vật chất và tinh thần của con người là một yêucầu cơ bản trong mọi ngành sản xuất Vì vậy mà nhu cầu tiêu thụ điện ngày càngđược nâng cao kèm theo đó là sự khai thác tài nguyên như hiện nay làm chochúng ngày càng cạn kiệt, đòi hỏi cần một nguồn năng lượng mới thay thế như:năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng sinh khối… Bên cạnh đó ở cácvùng sâu, vùng xa việc lắp đặt mạng lưới điện rất khó khăn và tốn kém nên việcđưa điện đến người dân còn nhiều hạn chế Khi vào các mùa khô, tình trạng hạnhán, thiếu nước rất trầm trọng, dẫn đến phải cắt điện diện rộng để giảm tải, điềunày ảnh hưởng rất lớn đến đời sống của con người Vì vậy cần phải khắc phụctình trạng đó để cải thiện cuộc sống của người dân cũng như để bảo vệ môitrường Một trong những giải pháp hiện nay đó là sử dụng pin mặt trời nhưngthiết bị năng lượng này chỉ có thể thu được nguồn điện một chiều Mà các thiết

bị điện dân dụng lại sử dụng nguồn điện xoay chiều Vì vậy, cần phải nghiêncứu, tạo ra cách chuyển đổi nguồn điện một chiều sang xoay chiều để phục vụcho đời sống hằng ngày của con người

Trên cơ sở những kiến thức đã học và hiểu biết của nhóm mình, nhóm

chúng em đã chọn đề tài: Thiết kế mạch nghịch lưu12VDC –220VAC công suất 100W, với đối tượng nghiên cứu là các phần tử linh kiện rời rạc Dưới sự

hướng dẫn tận tình của PGS.TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa đến nay chúng em đã

hoàn thành đề tài của mình

Nhóm sinh viên thực hiện:Phạm Thị Dung

Cao xuân Dũng

Võ Đình ĐiệpNguyễn Văn Đông

CHƯƠNG I

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Giới thiệu chung về mạch nghịch lưu

Như chúng ta đã biết việc tạo ra dòng điện là bước tiến vĩ đại trong lịch sửloài người Để sản xuất ra dòng điện xoay chiều có rất nhiều phương pháp nhưthủy điện, nhiệt điện Nhìn chung các phương pháp trên áp dụng cho sản xuấtđiện công nghiệp, còn với các hộ gia đình khi nguồn điện công nghiệp bị cắtphương pháp chủ yếu được sử dụng ở đây là nghịch lưu dòng điện một chiềuthành xoay chiều Dựa trên phương pháp đó nhóm chúng em đưa ra sơ đồnguyên lý tạo điện áp xoay chiều từ dòng một chiều

1.2 Sơ đô khối và thiết kế các khối mạch

1.2.1 Sơ đồ khối và chức năng của các khối

Sơ đồ khối của mạch nghịch lưu được thể hiện trên hình 1.1 Chức năngcủa các khối chức năng có thể được mô tả như sau:

Hình 1.1 Sơ đồ khối mạch nghịch lưu

 Khối nguồn

Khối nguồn ở đây là nguồn một chiều (DC) Trên thị trường hiện nay córất nhiều lựa chọn cho khối nguồn một chiều với nhiều mức điện áp khác nhaunhư: Pin, ắc quy, pin mặt trời… Tùy theo cấu tạo và chất liệu được sử dụng đểlàm ra chúng khác nhau nên khả năng tích lũy điện cũng sẽ khác nhau

Một số nguồn một chiều thường sử dụng:

- Pin mặt trời (pin quang điện)

Pin mặt trời hay pin quang điện là thiết bị giúp chuyển hóa trực tiếp nănglượng ánh sáng mặt trời (quang năng) thành năng lượng điện dựa trên hiệu ứngquang điện.Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng trong thực tế Chúngđặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện lưới khó vươn tới như: núi cao, ngoàiđảo xa, hoặc phục vụ các hoạt động trên không gian, tuy nhiên giá thành khá cao

và quá trình lắp đặt phức tạp Pin mặt trời có hình dạng như hình 1.2

Hình 1.2 Pin mặt trời

- Ắc quy

Ắc quy là một thiết bị điện có khả năng tích trữ năng lượng và có thể tái sửdụng nhiều lần bằng cách cắm điện và đặt vào bộ sạc để sạc lại Trong quá trìnhhoạt động, ắc quy sẽ tích và phóng điện liên tục

Hình 1.3 Ắc quy

Ắc quy được sử dụng rất phổ biến và rộng rãi, với chi phí thấp, kích thước đadạng sử dụng phù hợp với mọi ứng dụng của người dùng nên chúng em chọn ắcquy làm nguồn cấp cho mạch nghịch lưu.

Mạch sử dụng nguồn 1 chiều do ắc quy cung cấp Thời gian sử dụng phụthuộc vào dung lượng dự trữ của ắc quy

Ngoài ra, chúng ta phải sử dụng thêm mạch ổn áp dùng để cố định nguồn cấpcho mạch dao động, chống dòng ngược và quá tải Ta có thể dùng ic ổn áp hoặcdiode-zener để ổn áp cho mạch

 Khối tạo dao động

Mạch dao động được ứng dụng rất nhiều trong các thiết bị điện tử, như mạchdao động nội trong khối RF Radio, trong bộ kênh Tivi màu, mạch dao động tạoxung trong Tivi, tạo sóng hình sin cho IC vi xử lý hoạt động

Mạch dao động có thể được phân thành 2 loại: mạch tạo ra tín hiệu sin gọi làmạch tạo dao động sin (hay dao động điều hòa) và mạch tạo ra tín hiệt xung nhưxung vuông, xung tam giác gọi là mạch tạo xung

Yêu cầu mạch tạo dao động tạo ra tín hiệu có biên độ, tần số ổn định cao, ítchịu ảnh hưởng của môi trường như: nhiệt độ, độ ẩm Một số mạch dao độngđiển hình thường hay sử dụng bao gồm mạch dao động đa hài và dao động dùngIC555

- Mạch dao động đa hài

Dao động đa hài là những dạng dao động không sin hoặc các dạng sin bị méobiên độ và do vậy khi phân hoạch bằng chuỗi Fourier thì nó tạo ra vô số các daođộng có tần số bằng bội số n của tần số của dao động đang xét đến Các tần sốnf(n là nguyên dương và có giá trị từ 1 đến vô cùng)với n > 2 được gọi là cácsóng hài của tần số f của dao động của tần số đang xét Đặc biệt các dao động đahài khi đi qua mạch điện có tính cảm kháng (qua cuộn dây) hoặc có tính dung

kháng (qua tụ điện) thì nó mới có sự phân tách thành nhiều tần số bằng bội sốcủa tần số đang xét.

Hình 1.4 mô tả mạch dao động đa hài tạo xung vuông

Hình 1.4 Mạch tạo dao động đa hài

Nguồn cung cấp cho IC có thể sử dụng từ 4,5V đến 15V Mạch dao độngdùng IC tương đối đơn giản và dễ sử dụng nên được ứng dụng rất rộng rãi trongthực tế Tuy nhiên mạch khi dùng mạch dao động dùng IC 555 ta phải gắn thêmmột cổng đảo sau tín hiệu dao động lối ra để có 2 tín hiệu đối xứng.

- Mạch tạo dao động dùng IC 4047

Mạch tạo dao động dùng IC 4047 được mắc như hình:

Hình 1.6 Mạch tạo dao động dùng IC 4047

 Khối công suất

Từ dạng sóng nhận được từ khối tạo dao động, khối công suất sẽ khuếch đạiđưa đến biến áp tạo điện áp xoay chiều Khối này sử dụng các linh kiện côngsuất chịu dòng lớn như transistor D718, 2N3055 Yêu cầu cho khối này hoạtđộng tốt cần có hệ thống tản nhiệt làm mát

Một số transistor công suất thông dụng:

Hình 1.7 transistor công suất

 Biến áp nghịch lưu

Đây là thành phần chính quyết định tới công suất phát của mạch Biến ápđược sử dụng là biến áp nghịch lưu có tỷ số vòng dây của cuộn thứ cấp lớn hơnrất nhiều cuộn sơ cấp Công suất của mạch được tính như sau: Pmax =U.I

Với I là dòng điện biến áp chịu được U là hiệu điện thế đặt vào cuộn sơ cấp

Ví dụ một biến áp nghịch lưu 12V → 220V dòng điện 10A

Công suất tối đa của mạch sẽ là: Pmax = 12.10=120W

1.2.2 Thiết kế các khối chức năng của mạch

a) Khối nguồn

Nguồn điện được sử dụng ở đây là nguồn điện một chiều lấy từ bình ắcquy và sử dụng ổn áp để ổn định điện áp đầu vào của khối tạo dao động khôngthay đổi khi điện áp nguồn ắc quy thay đổi

Thời gian sử dụng phụ thuộc chủ yếu vào dung lượng lưu trữ của ắc quy.Công thức tính công suất phát của acquy như sau: P = U.I

Ví dụ: Acquy 12V 10Ah thì công suất phát: P = 12.10=120W

Nếu chạy bóng đèn Compac 20W sẽ được 6 giờ

- Mạch ổn áp dùng Diode-Zener

Từ nguồn 12V thông qua điện trở hạn dòng và gim trên Diode-Zener 9V

để lấy ra một điện áp cố định là 9V để cung cấp cho mạch

Khi thiết kế một mạch ổn áp như trên ta cần tính toán điện trở hạn dòng(R) sao cho dòng điện ngược cực đại qua Dz phải nhỏ hơn dòng (25mA) mà Dzchịu được

Hình 1.7 Mạch ổn áp dùng Diode-ZenerNhư sơ đồ trên thì dòng cực đại qua Diode-Zener bằng sụt áp trên R chiacho giá trị R, gọi dòng điện này là I ta có:

I= 12−9

220 ≈13mA

b) Khối tạo dao động

Nhiệm vụ của khối tạo ra sóng giao động đưa vào khối công suất với tần

số điện công nghiệp Dạng tín hiệu thu được ở đây là sóng vuông Thường thìkhối công suất trở kháng đầu vào rất nhỏ nên trên thực tế chúng ta cần một khốikhuếch đại đệm nhiệm vụ ổn định khối phát xung dao động giảm trở kháng đầuvào cho tầng công suất

 Chân 1: Đầu vào tụ C

 Chân 2: đầu vào điện trở R

 Chân 3: đầu vào R-C tạo dao động với tần số định sẵn

 Chân 10: đầu ra xung vuông bán chu kỳ dương

 Chân 11: đầu ra xung vuông bán chu kỳ âm

 Chân 7: cấp nguồn âm

Chu kỳ xung vuông được tính theo công thức: T= 4.4RC

Để có tần số 50Hz, chọn tụ 0.1uF và theo công thức trên ta có thể tínhđược giá trị điện trở cần dùng:

R= 4.4∗0.1∗10T −6 = f ∗4.4∗0.1∗101 −6 = 50∗4.4∗0.1∗101 −6 = 45.5k

Tuy nhiên, trong mạch chúng tôi sử dụng điện trở 22k nối tiếp với biến trở50k để điều chỉnh tần số thay đổi từ 50Hz - 60Hz cho mạch

c) Khối công suất

Khối công suất có nhiệm vụ khuếch đại tần số từ khối tạo dao động rồiđưa đến biến áp tạo điện áp xoay chiều Thường thì khối này sử dụng các linhkiện công suất dùngtransistor chịu dòng lớn như D718, 2N3055,H1061 Yêu cầucho khối này hoạt động tốt cần có hệ thống tản nhiệt làm mát

Hình 1.10 Khối công suấtTransistorD718 có nhiệm vụ đóng mở liên tục với tần số 50HZ cho 2 cuộndây của cuộn sơ cấp Khối công suất sử dụng 4 transistor D718 chịu được dòngI= 30 A (I max của mỗi con I =15A) dòng tính toán qua cuộn sơ cấp máy biếnáp:

Lấy hiệu suất máy biến áp là 0.8, ta có:

P1 = P 20,8 = 1000,8 = 125WVậy dòng điện qua cuộn sơ cấp:

Hình 1.11 Biến ápHình 1.11 là hình dạng của biến áp Tùy theo yêu cầu mà biến áp có thể cónhiều vòng dây khác nhau.

Máy biến áp (MBA) là thiết bị hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứngđiện từ, dùng để biến đổi điện áp xoay chiều mà không làm thay đổi tần số củanó

Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động:

Máy biến áp gồm hai cuộn dây có số vòng khác nhau quấn trên một lõi sắtkín Lõi thường làm bằng các lá sắt hoặc thép pha silic, ghép cách điện với nhau

để giảm hao phí điện năng của dòng Fu-cô Các cuộn dây thường làm bằng đồngđặt cách điện với nhau và được cách điện với lõi

Hoạt động của MBA dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Một trong haicuộn của MBA được nối nguồn điện xoay chiều, được gọi là cuộn sơ cấp Cuộnthứ hai được nối với tải tiêu thụ điện năng, được gọi là cuộn thứ cấp Dòng điệnxoay chiều chạy trong cuộn sơ cấp gây ra từ thông biến thiên qua cuộn thứ cấp,làm xuất hiện trong cuộn thứ cấp một suất điện động xoay chiều Nếu mạch thứcấp kín thì có dòng điện chạy trong cuộn thứ cấp

Với N1 là vòng dây cuộn sơ cấp, N2 là vòng dây cuộn thứ cấp ta thấy: NếuN2> N1 thì U2> U1, ta gọi máy biến áp là máy tăng áp Nếu N2< N1 thì U2< U1, tagọi máy biến áp là máy hạ áp Nếu hao phí điện năng trong máy biến áp khôngđáng kể thì công suất của dòng điện tổng mạch sơ cấp và trong mạch thứ cấp cóthể bằng nhau.

Như vậy:

U1.I1 = U2.I2Hay

Tính biến áp nghịch lưu cho tải P 0 = 100W.

- Lấy hiệu suất biến áp là n=0,8 Ta có công suất ở cuộn sẽ là:

Vậy ta chọn biến lõi sắt biến áp có thiết diện 3cm x 4cm.

- Số vòng ứng với 1 volt cuộn sơ cấp ( N0 ):

N0=38

S ≈3 => N0=3(vòng /volt )

Ở cuộn thứ cấp phải nhân với hệ số hao hụt (chọn 1.1)

- Số vòng dây ở cuộn sơ cấp và thứ cấp

+ Số vòng dây cuộn sơ cấp:

n1 = 12 x 3 = 36 (vòng)Quấn 2 cuộn dây 36 vòng có điểm chung ở giữa

P2 = I2 V2 → I2 = U 2 P2= 100220≈ 0,45 A

D2 =√I 2

π = √0,45

π ≈ 0,37 mm → chọn dây 0,35mm

CHƯƠNG II THIẾT KẾ, THI CÔNG VÀ KHẢO SÁT MẠCH 2.1 Sơ đồ nguyên lý và nguyên tắc hoạt động của mạch

2.1.1 Sơ đồ nguyên lý

Sau khi đã nguyên cứu lý thuyết của mạch nhóm tiến hành thiết kế mạchđiện Sử dụng phần mềm Proteus 8 để thiết kế mạch

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lýTrên đây là mạch nguyên lý sau khi đã tiến hành mô phỏng mạch nghịchlưu trên các phần mềm vẽ mạch như Proteus

2.1.2 Nguyên tắc hoạt động của mạch

Để biến áp hoạt động được, ta cần phải cung cấp cho biến áp một dòngđiện biến thiên, dòng điện biến thiên sinh ra từ trường biến thiên, từ trường nàylại sinh ra dòng điện Để có hiện tượng cảm ứng điện từ trên biến áp, cần phải cóđiện từ biến Biến áp thường hoạt động ở tần số thấp (âm tần)

Đầu tiên, ta dùng IC 4047 để tạo ra hai dãy xung vuông góc với nhau vàlệch pha nhau 180o Hai xung này được đưa đến tầng thúc, tầng thúc này dùnghai Transistor C1815 Tín hiệu cho vào chân B và lấy ra ở chân E nên nó có tácdụng làm tăng biện độ và đồng thời cho vuông hóa tín hiệu, mạch khuếch đạivào B ra E cùng pha.Tầng công suất ráp theo dạng cầu đẩy kéo cân bằng với 2transistor H1061 và 4 transistor D718 có tác dụng như một khóa điện đóng mởnhanh Mạch công suất mắc theo kiểu dalington để khuếch đại dòng điện 2 lần.Khi tín hiệu vào chân B của Q1 ở mức áp cao đồng thời tín hiệu vào chân B củaQ2 ở mức áp thấp thì Q1, Q3 và Q4 dẫn điện, còn Q2, Q5 và Q6 tắt Ngược lại,tín hiệu đảo pha và chân B của Q1 và chân B của Q2 thì Q1, Q3 và Q4 tắt, cònQ2, Q5 và Q6 dẫn điện Điều này sẽ luôn tạo ra dòng điện đảo chiều chạy quacuộn sơ cấp của biến áp đối xứng, ở ngã ra trên cuộn dây thứ cấp sẽ có điện ápcao 220V xuất hiện Với tầng kéo đẩy cân bằng, biên độ tín hiệu ở ngõ ra sẽ cótính đối xứng cân bằng tốt.

- Khối tự động bật, tắt khi mất điện

Ở đây chúng em sử dụng relay 220v 2 khóa để đóng mở đồng thời 2 phadương và âm của điện xoay chiều

Relay với 2 nguồn điện 220vAC của mạch nghịch lưu và điện lưới songsong mắc lối vào relay và lối ra relay nối chung tải

Khi có điện lối ra mạch nghịch lưu thì relay được cấp nguồn, lúc này cuộndây trong relay sẽ hút khóa điện sang nối tải với mạch nghịch lưu

Khi ắc quy hết, mất nguồn nuôi cho relay, lúc này khóa điện được chuyểnsang để nối tải với nguồi điện lưới

2.2 Mô phỏng hoạt động của mạch

Hình 2.2 Hình ảnh mô phỏng tín hiệu lối vào biến áp nghịch lưu

Tín hiệu lối vào biến áp nghịch lưu có độ rộng biên độ 24vAC, sóngvuông

Hình 2.3 Hình ảnh mô phỏng tín hiệu lối ra biến áp nghịch lưu

Tín hiệu lối ra biến áp nghịch lưu có độ rộng biên độ là 220vAC, sóngvuông.

2.3 Thi công và khảo sát mạch

Ắc quy, dây dẫn, các thiết bị linh kiện điện tử, bóng đèn dưới 100W …

2.3.3 Các bước thực hiện lắp ráp và chế tạo mạch

Sau khi đã thiết kế xong mạch in nhóm tiến hành in mạch và tiến hành làmmạch thật

Hình 2.5 Mạch in

2.3.4 Khảo sát mạch và kết quả đạt được

Tín hiệu thu được ở 2 đầu vào biến áp nghịch lưu

Hình 2.6 Hai tín hiệu đối xứng tại lối vào biến áp nghịch lưu

Tín hiệu lối ra biến áp nghịch lưu có biên độ quá lớn (220v) nên không thểquan sát được trên máy dao động ký (Oscilloscope) Mặc dù vậy, sau khi hoàn thành sản phẩm chúng tôi đã sử dụng đồng hồ vạn năng để đo đạc khảo sát.

Hình 2.7.Mạch thực tế sau khi hoàn thành và đóng gói

KẾT LUẬN

Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu đề tài Chúng em đã hoàn thànhthiết kế, chế tạo “mạch nghịch lưu 12VDC – 220VAC công suất 100W” Quađây một phần nào đó giúp ta hiểu rõ về lợi ích của lĩnh vực điện tử cũng nhưkiến thức về nó

Trong quá trình thiết kế mạch và hoàn thiện sản phẩm chúng tôi rút rađược một số kết luận sau đây:

- Tìm hiểu về mạch nghịch lưu và hoạt động của nó

- Thiết kế và thi công được mạch với điện áp ra 22VAC công suất 100W

- Sau khi khảo sát thì thấy mạch hoạt động ổn định và đạt yêu cầu đặt ra

- Qua việc làm mạch thật chúng tôi rút ra được lý thuyết và thực tế khácnhau rất nhiều Để hoàn thành được một mạch điện tử chúng ta cần phải tìm tòinghiên cứu và làm thực hành thật nhiều

Trong quá trình thiết kế mạch và hoàn thiện khó tránh được những sai sótmong quý thầy cô đóng góp ý kiến để chúng tôi rút ra được kinh nghiệm cho bảnthân

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa đãhướng dẫn chúng em hoàn thành đề tài này