ỨNG DỤNG TL494 THIẾT KẾ MẠCH DC DC BUCK CONVERTER

"1TU lí ir~LT LT“Ư ru-Control Signal từ 2 nguồn : Bộ so mẫu điều khiển thời gian tắt và các mạch điều khiến độ sai lệchkhuyêch đại.Đk tín hiệu tắt dần là dc so sánh trực tiếp bởi bộ kiếm

LÒI NÓI ĐÀU 0

CHƯƠNG L GIỚI THIÊU CỒNG NGHÊ 1

IC TL494 VÀ MACH DC DC BUCK CONVERTER 1

1.1 Tìm hiểu về ICTL494 1

1.2 Mach DC DC Buck Converter 5

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN MACH LƯC 8

2.1 Mosfet IRF3205 8

2.2 Cuôn cảm EE25 10

2.3 T u 10

2.4 Đỉot 12 2.5 Điên trở 13

CHƯƠNG 3.TÍNH TOÁN MACH ĐIỀU KHIẾN 15

3.1 ICTL494 15

3.2 IR 2103 16

3.3 Tần số lảm viẽc của IC TL494 .18

3.4 Hê số khuếch đai .19

3.5 TÌIT) hê số phản áp trong mach 20

3.6 Chon Rp đê’ điên áp đầu ra lè 5 vôn 20

CHƯƠNG 4.KẼT QUÁ THƯC NGHIÊM 22

4.1.Sớ đồ đi dâv 22

4.2 kết quá thực nghiêm 23

4.3 Phần mach in 25

KẺT LUÁN 26

Tài Nêu tham khảo : 27

LỜI NÓI ĐÀU

Ngày nay , trong nền công nghiệp hóa ,hiện đại hóa giúp cho con người tiết kiệm được thời gian và sứ lao động Đồng thời tạo điều kiện tốt đế nước ta thúc đây quá trình hội

nhập nên kinh tế thế giới , bắt kịp sự phát triển về khoa học kỹ thuật ở các nước pháttriển đế ứng dụng vào sản xuất.

Đe có thể bắt kịp sự phát triển khoa học công nghệ ứng dụng vào trong nền sản xuấthàng hóa tại Việt Nam thì ngành tự’ động hóa phải thực sự nỗ lực , cải tiến mạnh mẽ cáccông nghệ sản xuất tiến tiến , hiện đại trên thế giới

Hơn thế ngành giáo dục cũng phải nồ lực đây mạnh các chương trình đào tạo ký sưngành tự động hóa đế đáp úng được việc cung cấp nhân lực trong các ngành công nghiệptrong nước ,trực tiếp tham gia việc thiết kế chế tạo và điều khiển máy móc thiết bị Điềunày đòi hỏi ngành giao dục phải đào tạo và cung cấp một đội ngũ chuyên gia , kỹ sư cótrình độ và có kinh nghiệm cao cho các ngành công nghiệp

Là một sinh viên ngành tự động hóa , em cảm thấy rất tự hào khi được học tập và nghiêncứu các bộ môn trong ngành tự động hóa Việc kết hợp học tập lý thuyết trên lớp và thựchành tại các xưởng em cảm thấy rất hữu ích

Và đặc biệt là trong đợt thực tập cuối khóa này chúng em đã có cơ hội kiểm nghiệm tínhđúng đắn và ứng dụng những kiến thức lý thuyết đã được học

Đe tài thực tập cuối khóa của chúng em là ứng dụng TL494 thiết kế mạch DC

DC Buck converter” với 3 nội dung chính :

• Tìm hiếu công nghê :IC TL494 và mạch dc dc Buck Converter

• Tính toán mạch lực

• Tính toán mạch điều khiến

Em xin chân thành cám ơn thầy giáo Nguyễn Duy Đỉnh đã quan tâm và hướng dẫn , giúp

đỡ nhóm 22 lớp CĐ TĐH 3 - K52 tận tụy, nhiệt tình

Em xin chân thành cám ơn !

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ

S U F F I X

C A S E

6 4 8

Hình 1.2 sơ đồ chân IC TL494

• Nhiệm vụ của các chân:

• chân 13 đc nối với áp chuẩn 5v

• chân 14 từ IC đi ra điện áp chuẩn 5v

• chân 15,16 nhận điện áp hồi tiếp

"1TU lí ir~LT LT“Ư ru-

Control Signal

từ 2 nguồn : Bộ so mẫu điều khiển thời gian tắt và các mạch điều khiến độ sai lệchkhuyêch đại.Đk tín hiệu tắt dần là dc so sánh trực tiếp bởi bộ kiếm soát t.g tắt.So sánhnày với 1 điện ápcố định là 100 mV.Điều này tạo ra 1 khoảng thời gian tắt là 3% đó làthời giantắt tối thiểu có thế PWM so sánh tín hiệu điều khiến dc tạo ra bởi các bộ sai lệchkhuếch đại, 1 chức năng của bộ khuếch đại lỗi là để theo dõi điện áp đầu vào của nótrong 1 tín hiệu điều khiển của biên độ đủ để cung cấp 100%đ.chế kiểm soát Các bộkhuếch đại có thế được sử dụng đế theo dõi dòng điện và dòng cung cấp hiện đại đếnạp

• ứng dụng của TL494

Một số ứng dụng của TL494 hiện nay :

1 Dòng nạp cho nguồn điều chỉnh 5 V

2 Đồng bộ hóa

TL494 có thế dễ dàng đồng bộ hóa hai hay nhiều nguồn dao động trong hệ thống

3 Đồng bộ hóa dao động của TL494 với một nguồn xung khác

Đe đồng bộ hóa các TL494 đế một đồng hồ bên ngoài, các bộ dao động nội bộ có thểđược sử dụng như một răng cưa, xung điện

4 Fail-Safe operation - giữ an toàn: bảo vệ Current Limiting - Hạn dòng

Để bảo vệ bộ dao động bên trong, chúng ta dùng thêm điện trở RT và tụ CT, RT để hạndòng (dẫn dòng xuống mass khi hệ thổng bên ngoài bị ngắn mạch), còn RT làm tụ xảđiện áp nhanh hơn trong trường hợp bộ dao động bên trong ngưng, giảm nhiễu tín hiệudao động

7 Pulse-Current Limiting: Hạn dòng xung

Các kiến trúc nội bộ của TL494 không phù hợp trục tiếp hạn chế dòng xung

Vấn đề phát sinh từ hai yếu tố:

Các bộ khuếch đại bên trong không có chức năng như một chốt, chủ yếu dành cho cácứng dụng tương tự

Xung lái flip flop quá nhạy với tín hiệu tích cực của các bộ so sánh PWM như kích hoạtmột và chuyến kết quả đầu ra của nó sớm, tức là, trước khi hoàn thành giai đoạn daođộng

Khi xung kết thúc, các tín hiệu điều khiến đầu ra lại được kích hoạt và các xung vào thờigian còn sót lại xuất hiện trên đầu ra ngược lại

8 Các ứng dụng của Tắt-Thời gian điều khiển :Chức năng chính của điềukhiển thời gian tắt là để kiểm soát tối thiếu thời gian cung cấp dòng của TL494.Điều khiển thời gian tắt cung cấp dòng điều khiến từ 5% đến 100% thời gian tắt.d-Nhiệm vụ của TL494 trong mạch DC DC Buck converter :

-TL494 trong mạch nhận tín hiệu phản hồi từ điện áp ở đầu ra đưa về chân 1, tín hiệu tạichân 1 được so sánh với tín hiệu chuẩn tại chân số 2 qua bộ khuếch đại thuật toán Dựatrên sự sai lệch giữa hai tín hiệu đế điều biến độ rộng của xung đế đóng cắt IRF3205

Sơ đồ nguyên lý mạch điện DC-DC BUCK CONVERTER :

1.2.2 Cấu tạo và nhiệm vụ của toàn mạch :

1 Cấu tạo của mạch

- Mạch điện gồm có hai phần :

1.2.3 Nguyên lý hoạt động của mạch :

- Điện áp đầu ra được đưa về chân 1 của IC TL494 đế làm tín hiệu phản hồi tại đây tínhiệu phản hồi được so sánh với tín hiệu chuẩn và dựa vào sự sai lệch của hai tín hiệu này

đế điều chế xung điều khiển việc đóng cắt IRF3205

- Neu Vout < 5v thì TL494 điều chế xung làm cho IRF3205 mở rộng ra đế xả áp đến đầura

- Neu Vout = 5v thì TL494 điều chế xung làm cho IRF3205 khóa lại đế giảm áp đến đầura

- Tín hiệu điều khiển từ TL494 đưa vào IR2103 được kích áp để điều khiểnviệc đóng cắt IRF3205

- Mạch Boostrap có nhiệm vụ thực hiện việc kích áp

CHƯƠNG 2.TÍNH TOÁN MẠCH Lực

- IRF3205 là một Mosfet kênh N hay Mosfet ngược

- Mosfet là Transistor hiệu ứng trường (Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor) là một Transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác vớiTransistor thông thường mà ta đã biết Mosfet thường có công suất lớn hơn rấtnhiều so với BJT Đối với tín hiệu 1 chiều thì nó coi như là 1 khóa đóng mở Mosfet

có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng tù' trường đế tạo ra dòng điện, là linhkiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợp cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu

- Cấu tạo của Mosfet : Mosfet có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển bằngđiện áp với dòng điện điều khiến cực nhỏ.

Hình 2.1 -IRF 3205

• G : Gate gọi làcực cổng

• D : Drain gọi làcực máng

• s : Source gọi làcực nguồn

- Trong đó : G là cựcđiều khiến được cách lýhoàn toàn với cấu trúcbán dẫn còn lại bởi lớpđiện môi cực mỏngnhưng có độ cách điệncực lớn dioxit-silic(Sio2) Hai cực còn lại

là cực gốc (S) và cựcmáng (D) Cực máng làcực đón các hạt mangđiện

- Mosfet có điện trởgiữa cực G với cực s vàgiữa cực G với cực D là

vô cùng

lớn,còn điện trở giữacực D và cực s phụthuộc vào điện ápchênh lệch giữa cực G

- Khi điện áp UGS = 0thì điện trở RDS rất lớn,khi điện áp UGS > 0

=> do hiệu ứng tù'trường làm cho điện trởRDS giảm, điện áp UGScàng lớn thì điện trởRDS càng nhỏ

động cüa Mosfet :

Hình 2.5 - Sơ đồ mạch điện thí nghiệm cho mosfet

- Cấp nguồn một chiều Ud qua một bóng đèn LED vào hai cực D và s của Mosfet Q1(Phân cực thuận cho Mosfet ngược) ta thấy bóng đèn không sáng nghĩa là không códòng điện đi qua cực DS khi chân G không được cấp điện

- Khi công tắc K đóng, nguồn Ug cấp vào hai cực GS làm điện áp UGS > ov => đènQ1 dẫn => bóng đèn D sáng

- Khi công tắc K ngắt, Nguồn cấp vào hai cực GS = ov nên => Q1 khóa =>Bóngđèn tắt

=> Từ thực nghiệm trên ta thấy rằng : điện áp đặt vào chân G không tạo ra dòng GSnhư trong Transistor thông thường ( Vì MOSFET là linh kiện có trở kháng đầu vào lớnnên dòng qua GS rất nhỏ) mà điện áp này chỉ tạo ra từ trường => làm cho điện trởRDS giảm xuống

2.1.2.Các thông số thế hiện khả năng đóng cắt của Mosfet

- Thời gian trễ khi đóng/mở khóa phụ thuộc giá trị các tụ kí sinh Cgs,Cgd,Cds Tuynhiên các thông số này thường được cho dưới dạng trị số tụ Ciss, Crss,Coss Nhưngdưới điều kiện nhất đinh như là điện áp Ưgs và Uds Ta có thế tính được giá trị các tụđó

- Thông thường thì chân của Mosfet có quy định chung không như Transitor Chân

của Mosfet được quy định: chân G ở bên trái, chân s ở bên phải còn chân D ở giữa.

Trong sơ đò mạch này IRF3205 đóng vai trò như một khóa điện tử, nó đóng mở liêntục với tần sổ lớn dưới sự điều khiển của điện áp tại cực G đế tạo ra chuổi xung chumqua cực s

LED

2.2 Cuộn cảm EE25

- Cuộn cảm gồm một số vòng dây quấn lại thành nhiều vòng, dây quấn được sơnemay cách điện, lõi cuộn dây có thể là không khí, hoặc là vật liệu dẫn từ như Ferritehay lõi thép kỹ thuật

Hình 2.1: Cấu tạo của cuộn cảm EE25

- Gông dẫn từ được làm bằng lõi ferit, hình chữ E

- Cuộn cảm EE25 có chức năng ổn định dòng điện qua tải

2.3.Tụ

Hình 2.3.1-Tụ điện được cấu tạo từ hai lá kim loại ghép song song nhau, giữa

là chất điện môi và được nôi ra hai cực

- Tụ điện là linh kiện dùng để chứa điện tích Một tụ điện lý tưởng có điện tích ở bảncực tỉ lệ thuận với hiệu điện thế đặt trên nó theo công thức:

- (2-1) Q = CxU [culông]

- Người ta thường lấy tên của tụ là tên của chất diện môi Như:

Tụ gốm: Chất điện môi là gốm Tụ

giấy: Chất điện môi là giấy

- Hai tụ phân cực 100uF-25V dùng để ổn định điện áp trước và sau khi biến đổi

ầầẾầẾầàỂLỂÊ^ằÀ^ấầẾLkíầAẢÀAẢkẰềếééế lấẳilầ ế 11 É ị

Hình 2.3.2 :Tụ hóa b,

Tụ không phân cực

Hình 2.3.3 : hình dáng và kí hiệu của Tụ không phân cực

Các loại tụ nhỏ thường không phân cực Các loại tụ này thường chịu được cácđiện áp cao mà thông thường là khoảng 50V hay 250V Các loại tụ không phâncực này có rất nhiều loại và có rất nhiều các hệ thống chuấn đọc giá trị khácnhau

Trong sơ đồ mạch buck ta dùng 2 tụ không phân cực có ghi trị số là 102 và 105 Cách đọc

Hình 2.3.4

• Tụ kí hiệu 102 c= 10xl°2/^= 1000pF = 1 nF.

• Với tụ có trị số 105 c = l °x l°5p ^ = 1.000.000 pF= lOOOtfF

- Trong các bộ nguồn xung thì ở đầu ra của biến áp xung , ta phải dùng Diodexung đế chỉnh lun Diode xung là Diode làm việc ở tần số cao khoảng vài chụcKHz , Diode nắn điện thông thường không thể thay thế vào vị trí Diode xungđược, nhưng ngựơc lại Diode xung có thể thay thế cho vị trí Diode thường, Diodexung có giá thành cao hơn Diode thường nhiều lần

- về đặc điếm hình dáng thì Diode xung không có gì khác biệt với Diode thường,tuy nhiên Diode xung thường có vòng đánh dấu đút nét hoặc đánh dấu bằng haivòng

Ktot(K)

3p '

vX %

Hình 2.5.2: Đèn led và kí hiệu trongmạch

LED đế hạn chế dòng qua LED

Cách đọc giá trị điện trở: dựa theo bảng

màu 2.1

I _

CHƯƠNG 3.TÍNH TOÁN MẠCH ĐIÈU KHIÈN

Nhiệm vụ quan trọng của TL494 là nhận tín hiệu phản hồi tù' điện áp ởđầu ra đưa về chân 1, tín hiệu tại chân 1 được so sánh với tín hiệu chuân tạichân sổ 2 qua bộ khuếch đại thuật toán Dựa trên sự sai lệch giữa hai tín hiệu

đế điều biến độ rộng của xung đế đóng cat IRF3205

RECOMMENDED OPERATING CONDITIONS

Collector Output Voltage

Vfl,Vc2

Collector Output Currenl (Eacli uansistor) Ici.ta - - 200 mA

ELECTRICAL CHARACTERISTICS (Vc c ■ 15 V, C T = 0.01 uR R- = 12 kQ unless otherwise noted.)

For typical va ues T A = 25 C C for mm/max vaues T A is the operating ambient temperature range that applies, unless otherwise noted.

REFERENCE SECTION

Line Regulation (V cc = 7.0 V to 40 V) Reg,r B - 2.0 25 mV Load Regulation (l 0 = 1.0 mA to 10 mA) R e 9lo3d - 3.0 15 mV Short Circuit Output Current (V re i = 0 V) ■sc 15 35 75 mA OUTPUT SECTION

Collector Off-State Current (Vcc = 40 V V C c = 40 V) •c(otf) - 2.0 100 uA

V cc = 40 V V c = 40 V, V E = 0 V)

Common-Emitter (V E = 0 V I c = 200 mA) V sat(C) - 1.1 1.3

Emitter-Foilower (V c = 15 V, l E = -200 mA) V„« E ) - 1.5 2.5

Output Control Pin Current

Bang 3.2 - Thöng so cüa TL494

IR3103 lä IC ban dan duoc sir dung rong räi trong cäc mach to hap

logic vä trong cäc mach nguon yeu cäu co on dinh cao

Hinh 3.2.1 : IR2103

Hình 3.2.2 - Sơ đồ chân của IR 2103

Functional Block Diagram

3.2.3 Các thông số kĩ thuật của IR2103 như

sau:

Vb High side floating absolute voltage -0.3 625 V

Vs High side floating supply offset voltage V B -25 VB + 0.3

Vho High side floating output vo:tage Vs-0.3 Vb + 0.3

Vcc Low side and logic fixed supply voltage -0.3 25

VlN Logic input voltage (HIN & UN) -0.3 Vcc + 0-3

dV s /dt Allowable offset supply voltage transient — 50 v/ns

Pd Package power dissipation @ < +25'C (8 Lead PDIP) — 1.0 w

Bảng 3.3 :Thông số kĩ thuật của IR2103

- Hai IC TL494 và IR2103 kết hợp logic với nhau chặt chẽ đế thực hiện

hai nhiệm vụ

+ Sử dụng mạch BOOSTRAP để kích tín hiệu điều khiển tù' TL494 rồi

phát xung tác động vào cực G kích thông IRF3205

IN-414S

- e » — — DIODI

HIN HO

R 1 2

15 —

IN1 + IN2+

1N1 - COMFVREF

3.5 Tìm hệ số phân áp trong mạch

IN1 + 1 N2-+-

3300fì ự K = 3300H

- Điều kiện lý tưởng của khuếch đại thuật toán là:

• Ta lại có 10.000Q + Rp

Theo bài ra Ura = 5 V => Rp = 10.000(Q)

CHƯƠNG 4.KÉT QUẢ THỤC NGHIỆM

4.2.1 Sơ đồ mặt phải :

4.1.So’ đồ đi dây.

Hình 4.1 :sơ đồ đi dây

4.2.2.Sơ đồ mặt trái:

4.2.3 Bảng thống kê số liệu -Thiết bị đo : Đồng hồ vạn năng

Hình 4.2.1

Hình 4.2.2

Hình 4.2.3

Bảng số liệu đo được :

* Nhận xét:

- Tải càng lớn thì sụt áp trên tải càng lớn, dòng qua tải tăng không

đáng kể, nguyên nhân là do công suất của nguồn không đáp ứng đủ

(«)

Điện

áp vào(V)

Điện áp trên tải(V)

Dòng quatải(A)

- Tải ấm và nóng lên là do hiệu ứng nhiệt Jun- Lenxo :Q = I R.t

Nguyên nhân:

• Dây đồng quấn không được đều và chắc chắn

• Hai lõi Ferit ghép chưa sát nhau làm cho tù' trở của mạch tù' tăng lên dẫn đếndòng điện trong cuộn cảm tăng lên

• Lực điện từ do cuộn cảm sinh ra lớn

• Các vòng đây quấn chưa chặt và còn ít nên dòng điện qua tải không ốn định làmcho tù’ trường do cuộn dây sinh ra cũng không ổn địnhtừ thông khép mạchtrong lõi Ferit và qua không khí cũng không ổn định

• Lực điện từ sinh ra làm cho lõi Ferit dao động và va đập vào nhau phát ra tiếng kêu

Nó giúp em củng cố hơn về những kiến thức lý thuyết đã học và tích lũy thêm nhữngkinh nghiệm trong công việc sau này

Em đã học được rằng sau này mỗi bài thực hành tù’ quy trình công nghệ bắt đầuđến khi kết thúc và rèn luyện cho bản thân sự tỉ mỉ, tính kiên trì cẩn thận, làm việcchính xác

Ngoài việc tìm hiếu về ứng dụng của TL494 trong việc thiết kế mạch DC DC Buckconverter em còn hiếu thêm về nhũng tác phong làm việc , các thu thập ,tìm tòi cáclinh kiện và khả năng làm việc theo nhóm

Đe hoàn thành được đợt thực tập này ngoài sự cố gắng nỗ lực cuâ bản thân và sựhợp tác giữa các thành viên trong nhóm 22 lớp tự động hóa 3 K53, chúng em cònđược sự hướng dẫn tận tụy , sự chỉ bảo nhiệt tình của thầy giáo Nguyễn Duy Đỉnh

Do thời gian và năng lực bản thân còn hạn chế nên kết quả của em chắc chắncòn nhiều thiếu sót, em rất mong được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến của thầy cô vàcác bạn

Em xin chân thành cảm ơn !

Hà nội, ngày 10 tháng 4 năm 2011 Sinh viên

Tài liệu tham khảo :

[1] Võ Minh Chính ,Trần Trọng Minh ,Phạm Quóc Hải- Điện tử công suất - NXB Khoahọc và kỹ thuật 2007

[2] Lê Văn Doanh - Điện tủ' công suất - NXB Khoa học và kỹ thuật 2007

[3] Datasheet của IC TL494 , IR2103,IRF3205