Đồ án điện tử dụng bk

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ỔN ÁP1.1 Giới thiệu chương:Hầu hết mọi thiết bị, mạch điện hay hệ thống điện điều cần một nguôn điện đápứng tốt để không làm ảnh hướng tới mọi hoạt động của nó, để bi

Là sinh viên theo h c kh i kỹ thu t nói chung và ngành c đi n t nóiọ ố ậ ơ ệ ửriêng, được h c và th a họ ừ ưởng các ki n th c khoa h c mà các th h đi trế ứ ọ ế ệ ước

đã đ l i, ngoài vi c ph i n m v ng các ki n th c s n có thông qua vi c h cể ạ ệ ả ắ ữ ế ứ ẵ ệ ọ

lí thuy t, các sinh viên kỹ thu t còn ph i đ a các ki n th c đó vào th c ti nế ậ ả ư ế ứ ự ễthông qua vi c t t o ra các s n ph m có kh năng ng d ng vào th c ti n vìệ ự ạ ả ẩ ả ứ ụ ự ễ

th c hi n m t s n ph m m ch đi n t không th tránh kh i đự ệ ộ ả ẩ ạ ệ ử ể ỏ ược nh ng saiữsót, khuy t đi m mong nh n đế ể ậ ượ ực s ch b o c a các th y cô.ỉ ả ủ ầ

Qua đây, em cũng xin c m n th y ả ơ ầ Lê H ng Nam ồ đã giúp chúng em th cự

hi n đ tài này.ệ ề

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ỔN ÁP1.1 Giới thiệu chương:

Hầu hết mọi thiết bị, mạch điện hay hệ thống điện điều cần một nguôn điện đápứng tốt để không làm ảnh hướng tới mọi hoạt động của nó, để biết rỏ hơn về vài tròcũng như phân loại và đặc điểm của từng loại ổn áp thì ở chương này sẻ làm rỏ cácvấn đề đó Đặc biệt là ổn áp xung Boost

1.2 Ổn áp:

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật nói chung và kỹ thuậtđiện tử nói riêng thì ngày nay các thiết bị điện tử đã được sử dụng một cách rộng rải vàngày càng hiện đại, áp dụng vào nhiều lỉnh vực khác nhau trong đời sống hàng ngày,

từ các thiết bị gia dụng, dây chuyền sản xuất, các thiết bị điện tử hiện đại vv Mộttrong những thành phần không thể thiếu và nó ảnh hưởng trực tiếp đến đến sự hoạtđộng của một hệ thống hay mạch điện đó chính là nguồn điện Đa phần hiện nay cácmạch điện hay hệ thống điện đòi hỏi các nguồn điện áp khác nhau cung cấp cho nó từmột nguồn cố định hay đã có sẳn, do vậy cần có một hệ thống đảm bảo cung cấp đúngnguồn điện cho các mạch điện hay hệ thống hoạt động một cách tốt nhất và đảm bảoduy 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 mức điện

áp đầu ra với một điện áp đầu vào có thể thay đổi, cung cấp nguồn hoạt động cho cácmạch 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

1.2.2 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 rộng củacác điều kiện điện áp vào và dòng tải Để làm được điều đó thì một ổn áp thường có :

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

2. Phần tử lấy mẫu : để lấy mẫu điện áp ra

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

4. Phần tử điều khiển: để biến đổi điện áp ra thành điện áp mong muốn khi điềukiện tải thay đổi và được điều khiển bằng tín hiệu sai lệch

Tùy vào kiểu ổn áp khác nhau thì sẻ có các thành phần khác nhau, nhưng cơ bảncác kiểu ổn áp điều có 4 thành phần trên

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

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 líbù

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, anốt đượcnối với lớp bán dẫn P còn catốt được nối với lớp bán dẫn N được bọc trong võ kim loạihoặc nhựa tổng hợp.

Đặc tuyến vôn-ampe của Diode:

Hình: 1.2 Đặc tuyến vôn-ampe

- Phần thuận của đặc tuyến ( Khi U AK>0)

Khi Diode được phân cực thuận thì dòng tăng rất nhanh, ta phải chủ ý đến dòngđiện thuận cực đại I th.max , diode không được làm việc với dòng điện cao hơn trị số này.Khi U AK > 0 nhưng trị số nhỏ thì dòng điện thuận quá nhỏ nên diode chưa được coi làphân cực thuận, chỉ khi U AK ≥U D thì diode mới được tính là phân cực thuận U D đượcgọi là điện áp thuận ngưỡng của diode, khi U AK =U D thì dòng điện thuận có trị số

khoảng 0.1I th.max và khi U AK >U D thì dòng tăng rất nhanh U D có giá trị (0,1-0,3)V đốivới diode gecmani và (0,4-0,8)V đối với silic

Điện trở của diode khi phân cực thuận:

Với V T là điện thế nhiệt, I là dòng qua diode, R B điện trở gộp bao gồm điện trởtrơ của vật liệu bán dẫn và điện trở tiếp xúc.

Phân tích mạch DC chứa Diode zener:

Hình: 1.3 Mạch DC chưa diodeKhi diode được phân cực thuận thì dòng qua diode sẻ là :

1.2.3 Ổn áp tuyến tính

- Nguyên lí hoạt động của ổn áp tuyến tính:

Sự ổn định của điện áp điện thực hiện bằng phương pháp hồi tiếp Khi điện ápvào Vi biến thiên, điện áp ngõ ra Vo cũng biến thiên thì mạch sẽ tạo ra một tín hiệuđiều 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:

+ Ổn áp tuyến tính có độ ổn định cao

+ Ít gây nhiễu

+ Dể 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 một khóađiện tử Khi khóa dẫn nguồn DC được nối với một ngõ ra, khóa tắt cắt nguồn ra khỏimạch Như vậy tín hiệu ra của khóa là một dãy xung Muốn có điện áp một chiều chotải người ta sử dụng bộ lọc Thông thường dung mạch lọc RLC, tùy thuộc vào tần số

và độ rộng xung ngõ ra của khóa mà trị số điện áp một chiều ở trên tải có thể lớn hoặcnhỏ Để ổn định điện áp trên tải người ta thường so sánh nó với một mức điện ápchuẩn Sự sai lệch sẻ 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 ta chialàm 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 xung Buck,

ổn áp xung Boost, ổn áp xung Buck-Boost, ổn áp xung Cuk

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

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

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

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

- Ưu điểm của ổn áp xung:

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

+ Độ ổn định cao cao do phần tử điều khiển làm việc ở chế độ xung

+ Thể tích và trọng lượng bộ nguồn nhỏ

- Nhược điểm của ổn áp xung:

và cuộn cảm L

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

Điện áp trung bình trên tải:

0 0

1.2.6 Ổn áp xung kiểu Boost:

Ổn áp Boost là loại ổn áp có điện áp trung bình ngỏ ra lớn hơn điện áp trung bìnhngỏ vào,hoạt động theo phương pháp điều chế độ rộng xung

độ rộng của xung được tạo ra bởi khối điều chế độ rộng xung, khối này nhận tín hiệu

xung kích hướng âm được tạo ra bởi mạch xén và tín hiệu sai lệch để xác định độ rộngcủa xung kích sao cho tín hiệu ra Vo ổn định Dòng ra được bảo đảm nhờ tụ C và cuộncảm L Tín hiệu ra được lấy một phần ( Lấy mẫu) đem so sánh với điện áp chuẩn tạo ratín hiệu sai lệch để điều chế độ rộng xung.

1.3 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 liên tục

có hiệu suất và chất lượng bộ nguồn tốt hơn nhiều chế độ không liên tục, nhưng đòihỏi cuộn cảm có giá trị lớn hơn nhiều lần

Trong thời gian () Transistor đóng, điện áp nguồn được đặt hoàn toàn vào cuộncảm L1, khi đó sư thay đổi dòng điện chạy qua cuộn dây trong khoảng được xác địnhtheo công thức

Hình 1.8 Nguyên lí hoạt động ổn áp Boost

- Thời gian t on ( khóa S đóng):

Với D là chu kỳ năng suất

- Thời gian t off ( khóa S mở):

V V dt V V D T I

(1.10)Giả thuyết ổn áp làm việc ở chế độ xác lập năng lượng tích lũy trong cuộc dâytrong mỗi chu kì tạo nên tạo nên các điểm dòng điện đầu và cuối chu kỳ, năng lượngnày được xác lập bởi biểu thức:

2

1 2

V

V luôn lớn hơn 1 vì vậy V o luôn lớn hơn V i Hay

1 i o

V D

V

= −

(1.15)Chế độ dòng không liên tục: Nếu điện cảm của cuộn cảm quá nhỏ, thì trong mộtchu kỳ đóng cắt, dòng điện sẽ tăng dần nạp năng lượng cho điện cảm rồi giảm dần,phóng năng lượng từ điện cảm sang tải Vì điện cảm nhỏ nên năng lượng trong điệncảm cũng nhỏ, nên hết một chu kỳ, thì năng lượng trong điện cảm cũng giảm đến 0.Tức là trong một chu kỳ dòng điện sẽ tăng từ 0 đễn max rồi giảm về 0

Khi dòng điện trong cuộn dây tăng từ 0 đến cực đại (đến D.)

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Mạch nguyên lí

Hình 2.1 Sô đ m ch nguyên líồ ạ

2.2 Các khối điều khiển trong mạch

2.2.1 Khối tạo xung

Hình 2.2 Kh i t o dao đ ng.ố ạ ộ– Ch c năng: T o xung v i t n s không đ i, và đ ng th i t o xung kích chân 2 choứ ạ ớ ầ ố ổ ồ ờ ạ

m ch đi u ch đ r ng xung.ạ ề ế ộ ộ

– Nguyên lí ho t đ ng: ạ ộ Đây là mạch dao động đa hài có 2 trạng thái nhưng cả 2 trạngthái đều không bền Nhờ có sự thay đổi điện áp trên tụ C mà mạch luôn tự độngchuyển đổi trạng thái và luôn tạo độ dài xung ra

+ 0 ≤ t < t 1: giả sử mạch ở trạng thái không bền ban đầu Ngõ ra V0= 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 sangtrạng thái không bền thứ 2.

+ t1≤ t < t2:

Tại thời điểm t = t 1: mạch tồn tại ở trạng thái không bền thứ 2 Q =1, v0= 0 Vì Q

= 1 nên BJT Q1 dẫn → tụ C xả điện tích qua R2 → chân số 7 → BJT Q1 → mass Tụcàng 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

(điện thế ngưỡng của bộ SS1), mà vC = v(6) = v(2)

nên suy ra:

: 0

1 :

v SS

R v

v SS

Hình 2.3 Đ thì xung ng raồ ỏ

Tính toán đ dài xung ra:ộ Gọi: T1 là thời gian ứng với ngõ ra vo= 1

T2 là thời gian ứng với ngõ ra vo= 0

T là chu kì dao động của mạch : T = T1+T2

CC

T CC

1

1 1

1

CR T

e e

T T

=τ

2

3

2 )

CR T

e V V

T CC

− Tính toán m ch:ạ

0 0

.

V (0) 0 v

t T (T ) V

ht o o o ht

C

V C T

I

T I C V

(T ) R

R R o

V I

=

Hình 2.5 Gi n đ xungả ồ

2.2.3 Khối điều khiển

Hình 2.5 Kh i đi u khi nố ề ể

− Ch c năng: là ph n t chuy n m ch đi n t , có nhi m v đóng ng t trong m chứ ầ ử ể ạ ệ ử ệ ụ ắ ạ

t n s cao, chu kì đóng ng t trùng v i chu kì chân s 3 c a m ch đi u ch ,

qua đó đi u ch nh đi n áp tang ho c gi m ng ra.ề ỉ ệ ặ ả ở ỏ

− Nguyên lí ho t đ ng: Khi đ u vào có xung lên thì làm cho Q2 d n, làm cho mosfetạ ộ ầ ẫ

d n, khi đ u vào có xung xu ng thì làm cho Q2 t t, lúc này Q3 d n, mosfet xãẫ ầ ố ắ ẫdòng qua Q3 v maxx Làm cho m ch đóng ng t theo chu kỳ nh m ch đi u chề ạ ắ ư ạ ề ế

đ r ng xung.ộ ộ

− Tính toán m ch:ạ

2 2

.

cc CEQ BQ

B cc

Đây là mạch giúp giá trị điện áp đầu ra được ổn định theo giá trị mong muốn

Mạch này gồm hai mạch nhỏ là mạch trừ và mạch lấy mẫu:

a) Mạch trừ

Mạch trừ có tác dụng so sánh điện áp rồi đưa tín hiệu về mạch điều chế để thay đổi

độ rộng xung nhằm ổn định điện áp ngõ ra

− Nguyên lý hoạt đông:

Điện áp được lấy môt phần từ mạch phân áp cho ngõ ra được đưa vào chân trừcủa op-amp và điện áp đó được so sánh với điện áp đặt ở chân cộng (ở đây điện áp đặt

là 5V) Khi đó điện áp Vout của op-amp sẽ bằng hiệu của điện áp chân cộng với chântrừ

− Thiết lập công thức và tính toán mạch:

3,5 = (5 – Vlm)

Mạch lấy mẫu hoạt động dựa trên nguyên lý của một mạch cầu phân áp.

− Thiết lập công thức và tính toán mạch

− Ch c năng: ứ

T đi n áp đ u vào 12VDC t o ra áp đ u ra 6VDC cung c p cho các IC trongừ ệ ầ ạ ầ ấ

m ch ho t đ ng.ạ ạ ộ

− Nguyên lý ho t đ ng ạ ộ

Đi n áp 12VDC còn g n, nh p nhô nên t C1 và C3 dùng đ san ph ng đi nệ ợ ấ ụ ể ẳ ệ

áp nh p nhô đó, ngoài ra l c nhi u cao t n Sau khi qua IC 7806, đi n áp raấ ọ ễ ầ ệ6VDC đi qua 2 t C2 và C4 giúp đi n áp đụ ệ ược san ph ng, l c đi n áp ra saoẳ ọ ệcho đi n áp ph ng nh t ệ ẳ ấ

CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH3.1 Giới thiệu chương

Qua hai chương trên ta đã tìm hiểu và thiết lập được những công thức liên quan

đến mạch, qua những công thức đó ở chương này ta sẽ đi vào tính toán giá trị của cáclinh kiện mô phỏng và thi công mạch

Bước vào phần tính toán ta sẽ chia làm hai phần :

− Phần 1: Tính toán phần mạch ổn áp

− Phần 2 : Tính toán phần mạch hồi tiếp

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

3.2 Tính toán thiết kế từng khối trong mạch ổn áp

S đ m ch t ng th :ơ ồ ạ ổ ể

Hình 3.1 S đ m ch t ng thơ ồ ạ ổ ể

3.2.1 Tính toán thiết kế khối mạch lọc

Trước khi tính toán thiết lập sơ đồ mạch lọc song song như sau :

Hình 3.2 Mạch lọcQua sơ đồ mạch ta thấy các linh kiện cần tính toán giá trị là : Cuộn cảm, Diode,

S = Trong đó S : tiết diện dây dẫn mm2.

I : dòng điện chạy qua mặt cắt

J : mật độ dòng điện cho phép (A/mm2)Chọn dây dẫn bằng đồng nên J 6 (A/mm2)

S = = 0,16 mm2

Chọn dây dân có tiết diện bằng 0.5 mm2

Chọn lõi để quấn dây là lõi hình xuyến có R = 16,5 mm

r = 9,9 mm

h = 11,1 mm.Vật liệu làm lõi là Ferit có µr = 30 (H/m)

Hình 3.3 sơ đồ mạch phần tử chuyển mạch sự dụng mosfet.

b)Tính toán, thiết kế mạch:

- Trước hết ta cần chọn mosfet sao cho phù hợp với điều kiện V DS >2V o =30V

max

(1,5 2)

I > ÷ I D a vào datasheet ch n đự ọ ược mosfet IRF 3205, th a mãn đi uỏ ề

ki n trên và đi n áp đi u khi n ệ ệ ề ể V GS cũng th a mãn.ỏ

Theo datasheet ta ch n ọ V GS= 5V, ch n Q2 là C2383 v i Iọ ớ

c l n nh t có th đ t t iớ ấ ể ạ ớ1A, do đó ch n luôn Q3 là b ph v i C2383 là A1013 Vì Iọ ổ ụ ớ c l n nh t là 1A do đó Iớ ấ b

ph i không quá 10mA Mà ả

3.2.3 Tính toán khối tạo dao động ( ASTABLE )

Hình 3 S đ m ch t o dao đ ngơ ồ ạ ạ ộTính ch n linh ki nọ ệ

99% 1

1% 98

3 2

3.2.5 Tính toán khối điều chế độ rộng xung

Hình 3 Sơ đồ mạch điều chế độ rộng xung

15 13

15

D D D

Ta chọn D2 là mức ở giữa để tính chọn linh kiện

Ta có thời gian nạp tụ C4 sẻ bắt đầu từ 1/3Vcc cho đến ngưỡng của điện áp hồi tiếp, do

đó điện áp hồi tiếp có thể thay đổi từ 1/3Vcc đến Vcc, với Vcc = 6V, do đó Vht thay đổi từ 2-6v, chọn mức ở khoảng giữa là 3,5V Tức là ứng với điện áp vào Vin là 10v, thì D = 0,33 và điện áp hồi tiếp =3,5V Theo như công thức đã thiết lập (2.4) ta có:

.

ht

T I C V

=

Chọn C = 3,3nF suy ra

4 6

Vlm = Rlm

3,6 = Rlm

= = 4,17

V i Rớ lm _ Đi n tr đi u ch nh trên bi n tr : Rệ ở ề ỉ ế ở lm = R11 b

b _ t s ph n trăm gi a đi n tr l y m u v i t ng đi n tr c a bi n ỉ ố ầ ữ ệ ở ấ ẫ ớ ổ ệ ở ủ ế

Hình 3.9 Xung đi u chề ế

3.5 K t lu n ch ế ậ ươ ng

D a vào các công th c đự ứ ược thi t l p chế ậ ở ương 2 chúng em đã thi t kế ế

đượ ơ ồ ạc s đ m ch, tính toán giá tr c a các linh ki n s d ng trong m ch và chị ủ ệ ử ụ ạ ế

t o thành công m ch n áp boost.ạ ạ ổ

Ti n gia gia công m ch và đo xung, k t qu th c t cho th y:ế ạ ế ả ự ế ấ

• T n s xung v n không hoàn toàn chính xác nh tính toán lý thuy t so sai s c aầ ố ẫ ư ế ố ủlinh ki n đi n t có ngoài thì trệ ệ ử ường

• Biên d ng xung không hoàn toàn gi ng nh theo lý thuy t do sai s c a linh ki n.ạ ố ư ế ố ủ ệ

KẾT LUẬN

Sau thời gian thực hiện đề tài nhóm đã tính toán ,thiết kế, và thi công thànhcông mạch ổn áp xung boost và tiến hành thử nghiệm khả năng hoạt động Tuynhiên vẫn tồn tại một số vấn đề cần khác phục về mạch hồi tiếp để đảm bảo khả