Đề tài MẠCH BĂM XUNG PWM SỬ DỤNG IC 555

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Đ ẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay, thiết bị bán dẫn đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống và ngành công nghiệp, đặc biệt là trong nông nghiệp, nơi mà công nghệ điện tử công suất ngày càng được áp dụng rộng rãi Ứng dụng điện tử công suất trong việc điều khiển tốc độ động cơ là một lĩnh vực quan trọng và đang phát triển mạnh mẽ Động cơ điện một chiều, với khả năng ứng dụng đa dạng trong cuộc sống và công nghiệp, chỉ hoạt động ở một tốc độ nhất định khi có nguồn điện, nhưng có thể điều chỉnh tốc độ và chiều quay nhờ vào các mạch điện hỗ trợ.

Là sinh viên ngành tự động hóa, sau khi hoàn thành lý thuyết và thực hành môn điện tử công suất, người thực hiện đề tài quyết định nghiên cứu “Mạch băm xung PWM sử dụng IC 555” nhằm củng cố kiến thức lý thuyết và áp dụng vào thực tiễn.

G IỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Mạch điều khiển động cơ một chiều sử dụng IC 555 thông qua việc tạo xung PWM là phương pháp hiệu quả để điều chỉnh điện áp vào động cơ Bằng cách thay đổi độ rộng xung ngõ ra mà không làm thay đổi tần số, điện áp ngõ ra sẽ luôn nhỏ hơn hoặc bằng điện áp nguồn Sự điều chỉnh này cho phép xung ngõ ra đi qua mạch công suất, từ đó điều khiển tốc độ động cơ, giúp tăng cường hiệu suất làm việc của động cơ.

PWM là kỹ thuật cho phép tạo ra điện áp biến đổi bằng cách bật và tắt nguồn điện cho thiết bị điện tử với tốc độ nhanh Điện áp trung bình phụ thuộc vào chu kỳ làm việc của tín hiệu, cụ thể là tỷ lệ thời gian tín hiệu BẬT so với thời gian tín hiệu TẮT trong một khoảng thời gian nhất định.

P HƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN

Người thực hiện đề tài chủ yếu sử dụng hai phương pháp:

 Phương pháp tham khảo tài liệu: Nguồn tài liệu chủ yếu bằng tiếng việt và tiếng anh được tìm kiếm trên Internet.

Nhóm thực hiện đề tài đã áp dụng phương pháp thực hành song song với việc nghiên cứu tài liệu, nhằm giúp việc nắm bắt lý thuyết trở nên dễ dàng hơn thông qua việc thực hành trên mô hình.

M ỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Mục đích của đề tài phải thỏa mãn các yếu tố sau:

 Có thể điều khiển tốc độ của động cơ DC.

 Tải được các động cơ có công suất lớn.

 Có thể ứng dụng vào nhiều vấn đề thực tiễn trong cuộc sống.

 Hoạt động ổn định, bền bỉ.

Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài này giúp người thực hiện nắm vững kiến thức lý thuyết và thực hành, từ đó nâng cao chuyên môn và tạo nền tảng cho việc hoàn thiện các đồ án môn học cũng như đồ án tốt nghiệp có tính kỹ thuật cao Đồng thời, đề tài cũng khuyến khích sự sáng tạo và tính toán trong thiết kế mạch điện, mang lại nguồn cảm hứng cho tác giả trong quá trình học tập.

CƠ SỞ LÍ THUYẾT

C Ơ SỞ LÍ THUYẾT

2.1.1 Phương pháp điều xung PWM là gì?

Phương pháp điều xung PWM (Điều chế độ rộng xung) là kỹ thuật điều chỉnh điện áp đầu ra cho tải, thông qua việc thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông Kỹ thuật này giúp thay đổi điện áp đầu ra một cách hiệu quả.

Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương hay sườn âm.

Hình 2 1: Đồ thị dạng điều xung PWM

2.1.2 Ứng dụng của PWM trong điều khiển

PWM là công nghệ phổ biến trong điều khiển, đặc biệt trong việc điều khiển động cơ và các bộ xung áp Nó cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ một cách hiệu quả và giúp duy trì sự ổn định của tốc độ trong quá trình hoạt động.

Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải thì PWM còn tham gia và điều chế các mạch nguồn như : boot, buck, nghịch lưu 1 pha và 3 pha

PWM (Pulse Width Modulation) được ứng dụng rộng rãi trong các mạch điện điều khiển, đặc biệt là để điều khiển các phần tử điện tử công suất với đường đặc tính tuyến tính khi có nguồn điện một chiều cố định Ứng dụng của PWM rất phong phú trong các thiết bị điện - điện tử, đồng thời là yếu tố quan trọng mà các đội Robocon sử dụng để điều khiển và ổn định tốc độ động cơ.

IC 555 có khả năng tạo tín hiệu PWM khi hoạt động ở chế độ astable Trong mạch cơ bản này, đầu ra sẽ ở mức CAO khi tụ C1 được nạp qua các điện trở R1 và R2.

Hình 2 2: Mạch tạo mạch pwm 555

Mặt khác, đầu ra của IC ở mức THẤP khi tụ điện C1 xả nhưng chỉ qua điện trở

Nếu thay đổi giá trị của bất kỳ thành phần nào trong ba thành phần của mạch, thời gian BẬT và TẮT của tín hiệu đầu ra dạng sóng vuông sẽ khác nhau Một cách đơn giản để điều chỉnh này là sử dụng một biến trở thay cho điện trở R2 và thêm hai điốt vào mạch.

T ỔNG QUAN VÀ CÁC LINH KIỆN TRONG MẠCH

2.2.1 Mạch nguồn DC a Khái niệm

Dòng điện một chiều (DC – Direct Current) hay còn gọi là dòng DC, là dòng điện của nguồn điện một chiều như Pin, Ắc Quy….

Dòng điện một chiều (DC) là sự chuyển động của các electron mang điện theo một hướng nhất định, từ cực dương sang cực âm Cường độ dòng điện được đo bằng đơn vị Ampe (A).

Hình 2 3: Kí hiệu dòng điện một chiều (DC) d Ứng dụng

Dòng điện một chiều, dễ dàng lấy từ pin và tế bào năng lượng mặt trời, là nguồn điện cần thiết cho hầu hết các mạch điện tử công suất Dưới đây là các ứng dụng của dòng điện một chiều trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

 Nguồn điện một chiều được sử dụng trong nhiều ứng dụng điện áp thấp như sạc pin di động Trong một tòa nhà thương mại và gia đình,

DC được sử dụng để chiếu sáng khẩn cấp, camera an ninh, có thể là màn hình TV, v.v.

Trong xe hơi và xe máy, ắc quy cung cấp dòng điện một chiều để khởi động động cơ, chiếu sáng và điều khiển hệ thống đánh lửa Xe điện hoạt động nhờ vào pin sạc, cũng sử dụng dòng điện một chiều.

 Hầu hết các thiết bị mạng truyền thông hoạt động dựa trên dòng điện một chiều như điện thoại, máy phát sóng.

 Trong nhà máy điện mặt trời, năng lượng được tạo ra dưới dạng dòng điện một chiều.

Nguồn AC không thể lưu trữ như DC, do đó, để lưu trữ năng lượng điện một cách hiệu quả, luôn sử dụng DC Ví dụ điển hình là việc sạc dự phòng cho pin điện thoại và các thiết bị điện tử khác.

Trong hệ thống máy kéo, động cơ đầu máy sử dụng dòng điện một chiều, tương tự như đầu máy diesel, nơi quạt, đèn, điện xoay chiều và ổ cắm cũng hoạt động bằng dòng điện một chiều.

IC

IC tiếng Anh, hay còn gọi là vi mạch tích hợp, là một tập hợp các linh kiện bán dẫn và linh kiện thụ động như transistor và điện trở, được kết nối với nhau để thực hiện các chức năng cụ thể Vi mạch tích hợp được thiết kế để đảm nhiệm vai trò như một linh kiện kết hợp, mang lại nhiều ứng dụng quan trọng trong các thiết bị điện tử hiện đại.

Mạch tích hợp (IC) đóng vai trò quan trọng trong đời sống hiện đại, được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị công nghệ và công nghiệp như máy cắt dây CNC, máy phay và máy tiện IC giúp giảm kích thước mạch xuống chỉ còn vài micromet, đồng thời nâng cao độ chính xác Là thành phần thiết yếu trong mạch logic và điều khiển, IC có hai loại chính: loại có thể lập trình linh hoạt và loại định sẵn chức năng (không lập trình được), mỗi loại đều có nhiệm vụ riêng và được ghi rõ trong bảng thông tin (datasheet) của nhà sản xuất.

 IC digital xử lý hoặc lưu trữ các tín hiệu digital.

 IC analog hay IC tuyến tính xử lý tín hiệu analog.

 IC hỗn hợp, có cả analog và digital.

IC định thời 555, được giới thiệu bởi Signetic Corporation vào năm 1970, là một mạch định thời nguyên khối nổi bật với khả năng tạo ra độ trễ và dao động thời gian chính xác So với các ứng dụng của op-amp trong cùng lĩnh vực, 555 IC không chỉ đáng tin cậy mà còn có chi phí thấp Ngoài việc hoạt động như một bộ dao động đơn ổn và bộ dao động bất ổn, bộ định thời 555 còn được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị như bộ chuyển đổi nguồn DC-DC, đầu dò logic số, máy phát sóng, máy đo tần số tương tự, máy đo tốc độ, và bộ điều chỉnh điện áp IC này có khả năng hoạt động trong hai chế độ “one-shot” và đơn ổn, mang lại sự linh hoạt trong các ứng dụng điện tử.

Chip SE 555 hoạt động ở chế độ monostable hoặc dao động tự do (astable), với khả năng chịu nhiệt từ -55°C đến 125°C Trong khi đó, chip NE 555 có dải nhiệt độ hoạt động từ 0°C đến 70°C.

IC555 là một mạch tích hợp đơn giản nhưng hiệu quả, bao gồm một OP-AMP để so sánh điện áp và một transistor để xả điện Nó hoạt động với dải điện áp từ 2 - 18V, cho phép đầu ra tương thích khi cung cấp nguồn 5V, với khả năng rút ra dòng điện lên đến 200mA.

Hình 2 4: IC 555 c Thông số của IC 555

 Với nguồn điện áp đầu vào nằm trong dải từ 2 -18V.

 Dòng điện tiêu thụ: 6 - 15mA.

 Công suất tiêu thụ lớn nhất ( Pmax): 600mW.

 Điện áp logic đầu ra ở mức cao (mức1): 0.5 - 15V.

 Điện áp logic đầu ra ở mức thấp (mức 2): 0.03 - 0.06V. d Chức năng của IC 555

 Điều chế được độ rộng xung (PWM).

 Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng trong thu phát hồng ngoại). e Chức năng hoạt động của từng chân

 Chân số 1 (GND): Chân nối GND để cung cấp dòng cho IC hay còn được gọi là chân mass chung.

Chân số 2 (TRIGGER) là chân đầu vào có điện áp thấp hơn so với điện áp so sánh, hoạt động như một chân chốt cho tần số áp Mạch so sánh sử dụng các Transistor PNP với điện áp chuẩn là 2/3 VCC.

Chân số 3 (OUTPUT) là chân dùng để lấy tín hiệu logic đầu ra, với trạng thái tín hiệu được xác định ở hai mức: mức thấp (0) và mức cao (1).

Chân số 4 (RESET) của IC555 có vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh trạng thái đầu ra Khi chân này được nối với mass, OUTPUT sẽ ở mức 0 Ngược lại, nếu chân số 4 ở mức cao, trạng thái đầu ra sẽ phụ thuộc vào mức áp trên chân số 2 và chân số 6 Để tạo dao động thường, chân này thường được nối trực tiếp với nguồn VCC.

Chân số 5 (CONTROL VOLTAGE) của IC 555 được sử dụng để điều chỉnh mức điện áp chuẩn thông qua các mức biến áp bên ngoài hoặc các điện trở nối với chân số 1 GND.

 Chân số 6 (THRESHOLD): Là một chân đầu vào để so sanh điện áp và cũng dùng như một chân chốt.

Chân số 7 (DISCHAGER) hoạt động như một khóa điện tử, được điều khiển bởi tín hiệu từ chân số 3 Khi chân OUTPUT ở mức 0, khóa sẽ đóng, trong khi khi chân OUTPUT ở mức 1, khóa sẽ mở Chân số 7 có chức năng tự nạp và xả điện cho mạch R-C.

 Chân số 8 (VCC): Dây là nguồn cấp cho IC 555 hoạt động Chân 8 có thể được cung cấp với mức điện áp dao động từ 2 - 18V.

Hình 2 5: Sơ đồ chân IC 555 f Ứng dụng

 Mạch dao động âm thanh dùng SCR.

 Mạch nhịp điệu và âm thanh

2.3.3.1 Tổng quan về Mosfet a Khái niệm

Mosfet, viết tắt của "Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor", là một loại transistor hiệu ứng trường đặc biệt với cấu trúc và hoạt động khác biệt so với transistor thông thường Nguyên tắc hoạt động của Mosfet dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện, và nó có trở kháng đầu vào lớn, rất phù hợp cho việc khuếch đại các nguồn tín hiệu yếu.

Mosfet có khả năng đóng cắt nhanh với dòng điện và điện áp lớn, do đó thường được sử dụng trong các bộ dao động tạo ra từ trường Sự đóng cắt nhanh này giúp dòng điện biến thiên hiệu quả Mosfet thường xuất hiện trong các bộ nguồn xung và mạch điều khiển điện áp cao.

Hình 2 6: Hình ảnh Mosfet b Cấu tạo

Mosfet có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển bằng điện áp với dòng điện điều khiển cực nhỏ.

Cấu tạo của Mosfet ngược Kênh N:

Cực cổng (G) là một thành phần quan trọng trong cấu trúc bán dẫn, được cách ly hoàn toàn với các phần khác nhờ lớp điện môi mỏng nhưng có độ cách điện cao từ dioxit silic.

 D (Drain): cực máng đón các hạt mang điện.

Mosfet có điện trở giữa cực G và cực S, cũng như giữa cực G và cực D, rất cao Ngược lại, điện trở giữa cực D và cực S lại phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G và cực S (UGS).

Khi điện áp UGS bằng 0, điện trở RDS đạt giá trị rất lớn Khi điện áp UGS lớn hơn 0, hiệu ứng từ trường làm giảm điện trở RDS Tương ứng, khi điện áp UGS tăng, điện trở RDS sẽ giảm theo.

Hình 2 7: Cấu tạo của Mosfet c Phân loại

Hiện nay các loại mosfet thông dụng bao gồm 2 loại:

 N-MOSFET: chỉ hoạt động khi nguồn điện Gate là zero, các electron bên trong vẫn tiến hành hoạt động cho đến khi bị ảnh hưởng bởi nguồn điện Input.

 P-MOSFET: các electron sẽ bị cut-off cho đến khi gia tăng nguồn điện thế vào ngỏ Gate. d Nguyên lý hoạt động

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

Tính toán PWM

Mạch băm xung PWM, hay điều chỉnh độ rộng xung, là mạch tạo dao động xung vuông có khả năng điều chỉnh độ rộng xung mà vẫn giữ nguyên tần số dao động Trong thực tế, mạch băm xung PWM có thể được thiết kế thông qua lập trình vi xử lý hoặc sử dụng các bộ khuếch đại thuật toán OPMP.

Phương pháp điều chế PWM (Pulse Width Modulation) là kỹ thuật điều chỉnh điện áp đầu ra cho tải bằng cách thay đổi độ rộng của các xung vuông, từ đó ảnh hưởng đến điện áp đầu ra Hình vẽ minh họa dưới đây sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của phương pháp này.

Hình 3 2: Biểu đồ phương pháp điều chế PWM

Sơ đồ trên minh họa xung điều chế trong một chu kỳ, trong đó thời gian xung lên (sườn dương) có thể thay đổi, dãn ra hoặc co vào Độ rộng của xung được tính bằng phần trăm, cụ thể là: Độ rộng = t/T1 100 (%).

Trong đó: t1: Thời gian Ton (s)

Trong đó: U0: Điện áp đầu ra (V)

UV: Điện áp đâ vào (V) t1: Thời gian Ton (s) T: Chu kì (s)

Thời gian xung lên lớn hơn trong một chu kỳ sẽ dẫn đến điện áp đầu ra cao hơn Theo hình vẽ, điện áp ra tải có thể được tính toán như sau:

 Đối với PWM = 25% ==> Ut = Umax.(t1/T) = Umax.25% (V)

 Đối với PWM = 50% ==> Ut = Umax.50% (V)

 Đối với PWM = 75% ==> Ut = Umax.75% (V)

Cứ như thế ta tính được điện áp đầu ra tải với bất kì độ rộng xung nào.

PWM trong IC 555

Quá trình điều chỉnh độ rộng xung trong mạch 555 thực chất là thay đổi thời gian nạp và xả của tụ điện Thời gian nạp của tụ điện tương ứng với mức cao của tín hiệu đầu ra, trong khi thời gian xả tương ứng với mức thấp.

Như vậy chỉ cần điều chỉnh hằng số thời gian nạp xả là có thể điều chỉnh được PWM.

Xét mạch nguyên lý tạo xung vuông có điều chỉnh tần số và PWM:

Mạch nguyên lý tạo xung vuông có điều chỉnh tần số và PWM bao gồm các linh kiện quan trọng như R1, R2 và C1 Trong số này, R2 là biến trở được sử dụng để điều khiển tần số và PWM đầu ra, nhờ vào tính dễ kiếm, thông dụng và thuận tiện trong việc đo đạc cũng như tính toán.

IC 555 là một mạch tích hợp (IC) nổi bật, được sử dụng để tạo ra xung vuông với tần số và độ rộng xung (PWM) có thể điều chỉnh Chức năng của IC này dựa trên quá trình phóng và nạp của tụ điện, cho phép điều khiển chính xác các tín hiệu đầu ra.

 Khi tụ nạp điện thì chân 2 ở mức 0 và xung đầu ra ở mức cao

 Khi tụ xả điện thì chân 2 ở mức cao và xung đầu ra ở mức thấp.

Tần số dao động chung là : f = ln 2 C 1.(R 1 1+2 R 2) (3.3)

Trong đó: f: Tần số giao động (Hz)

Nhìn dựa vào công thức tính tần số thì ta thấy chỉ cần điều chỉnh giá trị R1, R2,

C1 thì tần số đầu ra thay đổi và ở đây tôi dùng điều chỉnh R2 cho nó đơn giản.

Sơ đồ xung vuông đầu ra :

Nhìn sơ đồ xung trên ta thấy chu kì dao động là :

Vấn đề chính ở đây là thay xung sườn dương, tức là điều chỉnh thời gian t1 Nếu t1 lớn trong một chu kỳ, điện áp trung bình ra tải sẽ cao, ngược lại, nếu t1 nhỏ, điện áp trung bình sẽ thấp Do đó, việc đảm bảo t1 là rất quan trọng.

Quá trình điều chế PWM liên quan đến việc điều chỉnh điện áp trung bình ra tải không vượt quá Umax Thông qua quá trình phóng nạp của tụ điện, chúng ta có thể thay đổi thời gian phóng nạp của tụ điện C1, từ đó điều chỉnh thời gian t1 và t2 Mục tiêu chính là thay đổi t1 trong khoảng từ 0 đến T, và từ sơ đồ nguyên lý, chúng ta có thể xác định thời gian nạp của tụ điện.

Hằng số thời gian nạp điện của tụ điện : ζ = (R 1 +R 2 ).C 1 (3.4)

Như vậy thời gian nạp của tụ điện chính là thời gian của t1 Và thời gian của nạp của C1 hay thời gian xung dương là : t 1 = ln2.C 1 (R 1 +R 2 ) (s) (3.5)

Để điều chỉnh thời gian t1, chỉ cần thay đổi một trong ba linh kiện C1, R1 hoặc R2, như thể hiện trên sơ đồ Việc điều chỉnh này sẽ giúp tối ưu hóa hoạt động của mạch.

Mỗi giá trị của R2 tương ứng với một giá trị t1, trong đó thời gian nạp tăng lên khi t2 lớn hơn, dẫn đến t1 cũng tăng theo trong một chu kỳ, điều này cho phép chúng ta điều chế PWM Tương tự, quá trình xả của tụ điện diễn ra ở sườn âm, khi tụ điện xả qua R2, thời gian t2 được tính bằng công thức: t2 = ln2.C1.R2 (s).

Từ công thức trên dựa vào thay đổi của t2 ta có thể điều chỉnh được độ rộng của xung.

D ANH SÁCH CÁC LINH KIỆN ĐƯỢC SỬ MẠCH DỤNG TRONG MẠCH

Bảng 3 1: Linh kiện được sử dụng trong mạch

STT Loại Kí hiệu Giá trị

T HIẾT KẾ MẠCH

3.3.1 Sử dụng phần mền Protues để thiết kế mạch và vẽ mạch in a Sơ đồ nguyên lý

Hình 3 4: Sơ đồ nguyên lý của mạch b Mạch in

Hình 3 5: Sơ đồ mạch in c Sơ đồ phối cảnh

Hình 3 6: Sơ đồ phối cảnh của mạch