Đề tài thiết kế mạch nghịch lưu 12VDC sang 220VAC

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Phân tích yêu cầu đề tài

Chúng ta cần thiết kế một bộ nghịch lưu để chuyển đổi điện áp từ ắc quy 12VDC thành điện áp xoay chiều 220VAC, với tần số 50Hz.

Mạch sử dụng nguồn ắc quy 12VDC để cung cấp điện trực tiếp cho mạch và biến áp Biến áp hoạt động như một bộ kích, nâng cao giá trị điện áp lên nhiều lần so với giá trị ban đầu Nhờ khả năng chuyển đổi nguồn một chiều thành nguồn xoay chiều, mạch này có tính ứng dụng thực tiễn rất cao.

Mạch công suất chủ yếu sử dụng linh kiện công suất như Transistor, MOSFET và IGBT Trong quá trình hoạt động, mạch tạo ra xung vuông, được khuyếch đại bằng các van bán dẫn như Transistor, diode và diac.

Mục tiêu của đề tài

Nắm được một cách tổng quan về các phần tử bán dẫn công suất

Tạo ra bộ nghịch lưu một pha bậc tăng áp có ngõ ra điện áp được cải thiện hơn về độ gợn sóng và tần số ổn định hơn

Nghiên cứu mạch nghịch lưu giúp hiểu rõ nguyên lý hoạt động và các phương pháp biến đổi, từ đó lựa chọn giải pháp tối ưu nhất để áp dụng trong đồ án và thực tiễn.

Có khả năng tính toán, thiết kế và chế tạo mạch nghịch lưu điện áp một pha với công suất cho trước.

Kế hoạch tiến độ từng tuần

STT Tuần Nội dung công việc thực hiện Người thực hiện

1 1,2 - Nhận đề tài, sắp xếp công việc cho từng tuần (phân chia công việc cho từng thành viên)

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

- Tìm tài liệu liên quan: điện tử công suất, truyền động điện

- Tìm hiểu nguyên lý các mạch có liên quan đến đề tài

- Tham khảo ý kiến những người có chuyên môn, các anh chị khóa trước

-Đưa ra cơ sở lý thuyết chung của đề tài

- Đưa ra ý tưởng thiết kế mạch

- Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch, tính toán thông số rồi tiến hành chạy mô phỏng Văn Trung

- Ráp mạch và khảo sát trên bo mạch(nếu gặp lỗi chỉnh sửa lại) Quang Vương

- Lắp ráp hoàn tất sản phẩm

- Chuẩn hoá nội dung, làm quyển báo cáo

- Hoàn tất sản phẩm, kiểm tra toàn bộ nội dung Cả Nhóm

Cách phương án thực hiện

Phương pháp nghiên cứu chính của đề tài dựa trên những yếu tố sau:

 Nghiên cứu lý thuyết dựa trên các bài báo khoa học đã công bố

 Nguồn tài liệu chủ yếu bằng tiếng anh được tìm kiếm trên mạng Internet

Sản phẩm này kế thừa các phần cứng đã được thiết kế từ những nghiên cứu trước đó và tiếp tục mở rộng nghiên cứu để phát triển thêm nhiều tính năng mới.

 Dựa vào lý thuyết tến hành mô phỏng bằng phần mềm và xây dựng mô hình chạy thực tế

 Ghi nhận kết quả từ thực nghiệm và đánh giá.

Ý nghĩa của đề tài

Đề tài này nhằm giúp sinh viên củng cố và nâng cao kiến thức chuyên ngành, đồng thời thiết kế các thiết bị và mô hình tham khảo cho sinh viên khoa Điện – Điện tử Kết quả thu được sẽ giúp sinh viên hiểu sâu hơn về bộ nghịch lưu và các phương pháp biến đổi điện áp, từ đó tích lũy kiến thức cho những năm học tiếp theo và áp dụng vào thực tế.

Nội dung hoàn thành

Lập kế hoạch thực hiện

Giới thiệu một số ứng dụng và đặc điểm của mạch nghịch lưu một pha

Phân tích nguyên lý làm việc và các thông số trong mạch nghịch lưu một pha Thiết kế, chế tạo mạch nghịch lưu một pha đảm bảo yêu cầu:

 Điện áp đầu vào một chiều U = 12VDC lấy từ bình ắc quy

 Điện áp đầu ra dùng cho các thiết bị điện xoay chiều U = 220VAC, tần số f = 50Hz, và công suất đạt được P = 300AV

Thí nghiệm, kiểm tra sản phẩm, sản phẩm phải đạt yêu cầu kỹ thuật, mỹ thuật Làm quyển thuyết minh báo cáo về quá trình thực hiện.

Giới hạn đề tài

Chỉ áp dụng với công suất nhỏ

Mô hình này chỉ áp dụng cho thông số lưới điện phân phối tại Việt Nam và nhằm mục đích tham khảo để kiểm chứng sự phù hợp giữa lý thuyết và thực tế.

Các trang thiết bị dễ gây ra sai số trong quá trình thực nghiệm.

GIỚI CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Diện trở

1.1 Khái niệm Điện trở hay Resistor là một trong những linh kiện điện tử rất phổ biến trong các mạch điện tử Trên các bản mạch điện tử và các sơ đồ nguyên lý thì điện trở được ký hiệu là R Điện trở thường được dùng để hạn chế cường độ dòng điện chảy trong mạch, điều chỉnh mức độ tín hiệu, dùng để chia điện áp, kích hoạt các linh kiện điện tử chủ động như transistor, tiếp điểm cuối trong đường truyền điện và có trong rất nhiều ứng dụng khác

1.2 Cấu tạo của điện trở Điện trở được cấu tạo từ những vật liệu có điện trở suất cao như làm bằng than, magie kim loại Ni-O2, oxit kim loại, dây quất Để biểu thị giá trị điện trở Người ta dùng các vòng màu để bểu thị giá trị điện trở

1.3 Ký hiệu và hình dáng điện trở

Hình 2 1: Ký hiệu của điện trở trong mạch Điện trở cố định

Quang điện trở Điện trở thay đổi

(Biến trở - chiết áp) Điện trở thay đổi theo điện áp (Varixto) Điện trở thay đổi theo nhiệt độ (Thermixto)

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.4 Công thức tính điện trở Điện trở của một vật dẫn điện phụ thuộc vào chất liệu làm nên vật dẫn điện đó

Ta có công thức như sau:

R là điện trở (Đơn vị: Ohm)

𝜌 là điện trở suất phụ thuộc vào chất liệu

L là chiều dài dây dẫn

S là tiết diện của dây dẫn

Công thức áp dụng cho dòng điện một chiều, trong khi đối với dòng điện xoay chiều, mạch chỉ có điện trở Tại thời điểm điện áp đạt cực đại, dòng điện cũng đạt giá trị cực đại Khi điện áp bằng không, dòng điện trong mạch cũng sẽ bằng không, cho thấy điện áp và dòng điện cùng pha.

Tất cả công thức áp dụng cho mạch điện một chiều cũng có thể được sử dụng cho mạch điện xoay chiều, nhưng chỉ với điện trở Đối với mạch điện xoay chiều, các giá trị dòng điện cần được lấy theo trị số hiệu dụng.

Hình 2 2: Hình dáng điện trở thường

Tụ điện

Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động thông dụng, bao gồm hai bản cực song song Chúng có khả năng cách điện một chiều nhưng cho phép dòng điện xoay chiều đi qua nhờ nguyên lý phóng nạp.

2.2 Cấu tạo của tụ điện

Tụ điện được cấu tạo từ hai dây dẫn điện, thường là tấm kim loại, đặt song song và ngăn cách bởi một lớp điện môi Dây dẫn có thể là giấy bạc hoặc màng mỏng, trong khi điện môi sử dụng là các chất không dẫn điện như thủy tinh, giấy, gốm, mica, màng nhựa hoặc không khí Những điện môi này giúp tăng khả năng tích trữ năng lượng điện của tụ điện bằng cách ngăn cản dòng điện.

Hình 2 3: Cấu tao của tụ điện

2.3 Ký hiệu, nguyên lý làm việc a) Ký hiệu

Hình 2 4: Ký hiệu tụ điện trong mạch điện b) Nguyên lý làm vệc của tụ điện

Nguyên lý hoạt động của tụ điện dựa trên hai nguyên lý đó là nguyên lý phóng nạp và nguyên lý xả nạp Cụ thể như sau:

Nguyên lý phóng nạp của tụ điện tương tự như khả năng tích trữ năng lượng của một bình ắc quy nhỏ, nhưng dưới dạng điện trường Tụ điện có khả năng lưu trữ hiệu quả electron và phát ra điện tích để tạo ra dòng điện, tuy nhiên, nó không thể tự sản sinh ra electron, điều này tạo nên sự khác biệt lớn giữa tụ điện và bình ắc quy.

Nguyên lý xả nạp của tụ điện là tính chất cơ bản nhất trong hoạt động của linh kiện điện tử thụ động này, cho phép nó dẫn điện xoay chiều Khi điện áp giữa hai bản mạch biến thiên theo thời gian mà không thay đổi đột ngột, việc nạp hoặc xả có thể gây ra hiện tượng nổ kèm theo tia lửa điện do dòng điện tăng vọt đột ngột.

Diode công suất

3.1 Đặc điểm và cấu tạo:

Diode công suất là loại diode chuyên dụng trong các mạch điện tử công suất, có cấu tạo khác biệt so với diode tiêu chuẩn nhằm chịu được dòng điện cao hơn Giống như diode thông thường, diode công suất cũng có hai cực và cho phép dòng điện chỉ chảy theo một chiều.

Diode bán dẫn được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại P kết hợp với một khối bán dẫn loại N, với hai chân ra là anode và cathode Mạch chỉnh lưu là mạch điện tử sử dụng các linh kiện điện để chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều.

Hình 2 5: Cấu tạo và ký hiệu diode công suất

Khi tiếp giáp PN của diode chịu tác động của điện áp bên ngoài, nếu điện trường bên ngoài cùng chiều với điện trường E, vùng nghèo điện tích sẽ mở rộng, dẫn đến điện trở tương đương của diode tăng lên và dòng điện không thể chạy qua Khi đó, toàn bộ điện áp được đặt lên vùng nghèo điện tích, và ta nói rằng diode đang ở trạng thái phân cực ngược.

Khi điện trường bên ngoài hướng ngược với điện trường E, vùng nghèo điện tích sẽ bị thu hẹp Nếu điện áp bên ngoài vượt quá 0,65V, vùng nghèo điện tích sẽ thu hẹp đến mức bằng không, cho phép các điện tích di chuyển tự do qua cấu trúc.

Khi diode được phân cực thuận, dòng điện chỉ bị giới hạn bởi điện trở tải trong mạch ngoài, như thể hiện trong Hình 2.7.

3.3 Đặc tính Vôn-Ampe: Đặc tính gồm 2 phần, đặc tính thuận nằm trong góc phần tư thứ I tương ứng với UAK >0, đặc tính ngược nằm trong góc phần tư thứ III tương ứng với UAK < 0

Khi điện áp A-K tăng từ 0 đến ngưỡng điện áp VF, dòng điện có thể chảy qua Diode Dòng điện iD sẽ thay đổi tương ứng với sự tăng lên của điện áp.

Hình 2 8: Đặc tính Von-Ampe và đặc tính lý tưởng

Diode có đặc tính thuận với điện trở tương đương nhỏ, cho phép điện áp rơi trên UAK hầu như không thay đổi ngay cả khi dòng điện lớn.

Trên đường đặc tính ngược của Diode, khi điện áp UAK tăng từ 0 đến giá trị Ung.max, dòng điện qua Diode vẫn rất nhỏ, gọi là dòng rò, cho thấy Diode cản trở dòng điện theo chiều ngược Khi UAK đạt giá trị Ung.max, dòng điện qua Diode tăng đột ngột, làm mất tính chất cản trở dòng điện ngược, và nếu giảm điện áp A-K, dòng điện không giảm, cho thấy Diode bị đánh thủng Mặc dù đặc tính Von-Ampe của các Diode có sự khác biệt, đặc tính lý tưởng thường được sử dụng để phân tích sơ đồ các bộ biến đổi, cho phép dòng điện chạy qua mà không có sụt áp và chịu được điện áp ngược lớn mà không có dòng rò Theo đặc tính lý tưởng, Diode có điện trở tương đương bằng 0 khi dẫn và vô hạn khi khóa.

Dòng điện thuận ID là giá trị trung bình của dòng điện cho phép chạy qua diode theo chiều thuận, đây là yếu tố quan trọng khi lựa chọn diode cho ứng dụng thực tế Điện áp ngược UNg.max là giá trị điện áp ngược lớn nhất mà diode có thể chịu đựng, vì vậy việc lựa chọn đúng thông số này là cần thiết để đảm bảo hiệu suất và độ bền của diode.

Dòng điện thuận ID là giá trị trung bình của dòng điện cho phép chạy qua diode theo chiều thuận Đây là thông số quan trọng để lựa chọn diode phù hợp cho các ứng dụng thực tế.

Transitor lưỡng cựu (BJT)

Transistor lưỡng cực nối (BJT) là một linh kiện bán dẫn, bao gồm ba khối chất bán dẫn với hai tiếp xúc, mỗi khối có đặc tính dẫn điện khác nhau.

Transistor có cấu tạo gồm các miền bán dẫn p và n xen kẽ nhau

Miền Emitter (miền phát) của Transistor là miền bán dẫn đầu tiên, nổi bật với nồng độ tạp chất cao nhất Điện cực kết nối với miền này được gọi là cực Emitter, ký hiệu là E.

Miền thứ hai, được gọi là miền Base, có nồng độ tạp chất thấp và độ dày khoảng vài micromet Điện cực tương ứng với miền này được gọi là cực Base, ký hiệu là B.

Miền còn lại là miền Collector (miền thu) với nồng độ tạp chất trung bình và điện cực tương ứng là Collector (cực thu) ký hiệu C

Hình 2 9: Cấu tạo và kí hiệu của BJT loại NPN

Sự khác biệt chính giữa transistor NPN và PNP nằm ở hướng mũi tên tại cực phát; mũi tên của transistor NPN chỉ ra ngoài, trong khi mũi tên của transistor PNP chỉ vào trong.

Transistor hoạt động dựa vào chất bán dẫn, một vật liệu không hoàn toàn dẫn điện như đồng, nhưng cũng không phải là chất cách điện như không khí Độ dẫn điện của chất bán dẫn thay đổi theo các yếu tố như nhiệt độ và mật độ electron.

 Mạch tương đương của transitor:

Transistor có thể được xem như một phần mở rộng của diode, với cấu trúc cơ bản là hai diode được kết nối với nhau qua cực âm hoặc cực dương.

Hình 2 11: Mạch tương đương với cấu tạo Hình 2 10: Cấu tạo và kí hiệu của BJT loại PNP

Diode nối giữa cực gốc và cực phát của transistor là một thành phần quan trọng, thể hiện hướng dòng điện chạy qua transistor theo mũi tên trên ký hiệu mạch.

Hoạt động của transistor có thể được hiểu thông qua mạch tương đương, nhưng điều này không hoàn toàn chính xác Nhiều yếu tố ở cấp độ vật lý lượng tử phức tạp ảnh hưởng đến sự tương tác giữa ba chân của transistor.

 Nguyên lý hoạt động của transitor:

Xoay quanh vấn đề này, chúng ta có cái nhìn mới về các dòng transistor, hoạt động theo hai phương thức thuận nghịch Điều quan trọng là nếu hiểu một trong hai phương thức, phương thức còn lại chỉ cần đổi cực là có thể áp dụng ngay.

 Nguyên lý làm việc của transitor nghịch NPN

Transistor NPN hoạt động bằng cách chuyển electron từ cực phát sang cực thu, với dòng điện di chuyển từ cực thu đến cực phát Cực phát phát ra electron vào cực nền, trong khi cực gốc điều khiển lượng electron mà cực phát phát ra Phần lớn electron được phát ra sẽ được cực thu thu nhận và truyền tới phần tiếp theo của mạch.

Hình 2 12: Hoạt động của NPN

15 Hình 2 13: Hoạt động của PNP

Transistor nghịch cho phép dòng điện I B chảy từ khu B sang khu E, tạo ra dòng điện I C mới từ khu C đến khu E Điều quan trọng là dòng điện I C luôn lớn hơn nhiều lần so với dòng I B trong mọi trường hợp.

 Phần tăng dòng này chính là sự khuếch đại dòng điện một chiều của con linh kiện transistor

Nguyên lý cụ thể như sau: Dòng điện từ chân B truyền vào hướng như hình thì lập tức 2 chân C và E sẽ tạo thành một hình nối tiếp

 Nguyên lý làm việc của transitor thuận PNP

Transistor PNP hoạt động theo nguyên lý tương tự như transistor NPN, nhưng yêu cầu phải đảo cực âm dương của các nguồn Dòng điện I_C chảy từ chân E sang chân C, trong khi dòng điện I_B chảy từ chân E sang chân B.

Xét mạch như hình 2.14 Với VBE là hiệu điện thế giữa cực nền B và cực phát E

VCE là hiệu điện thế giữa cực thu C và cực phát E Đặc tuyến ngõ vào I B (V BE ) ứng với V CE = const

Chọn nguồn VCC dương để duy trì VCE không đổi Điều chỉnh nguồn VBB để tăng VBE từ 0 đến giá trị nhỏ hơn điện thế ngưỡng Vγ, lúc này dòng IB gần bằng 0 Khi tiếp tục tăng VBB để đạt VBE = Vγ, dòng IB bắt đầu xuất hiện và tăng theo hàm số mũ tương tự như dòng ID của diode phân cực thuận.

Hình 2 14: Mạch khảo sát đặc tuyến tính BJT

Hình 2 15: Đặc tuyến ngõ vào của BJT

Đặc tuyến truyền dẫn IC (VBE) ứng với VCE = const cho phép khảo sát sự thay đổi của dòng IC khi VBE thay đổi, trong khi nguồn vào được điều chỉnh tương tự như đặc tuyến ngõ vào Dòng IC có dạng đặc tuyến tương tự như IB(VBE), nhưng giá trị của IC lớn hơn nhiều lần so với IB.

I C = β I B Đặc tuyến ngõ ra I C (V CE ) ứng với I B = const

Nguồn VBB phân cực thuận mối nối P-N giữa B và E tạo ra dòng IB Khi điện thế VB nhỏ hơn Vγ (tức là VBE < Vγ), dòng IB và IC đều bằng 0 mặc dù nguồn điện có tăng Tuy nhiên, khi điện thế VBE đạt hoặc vượt Vγ, dòng IB sẽ khác 0.

Thay đổi VBB để IB có trị số nào đó, dùng máy đo, giả sử đo được IB= 15 A

Lúc này giữ cố định IB bằng cách không đổi VBB, tiếp theo thay đổi VCC → VCE thay đổi, đo dòng IC tương ứng với VCE thay đổi

Ban đầu IC tăng nhanh theo VCE, nhưng đến giá trị cỡ

IC=.IB thì IC gần như không tăng mặc dù hiệu điện thế VCE tăng nhiều

THIỆU VỀ MÁY BIẾN ÁP VÀ ẮC QUY.18 1 Máy biến áp

Định nghĩa

Máy biến áp là thiết bị điện tĩnh hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, có chức năng biến đổi điện áp trong hệ thống dòng điện xoay chiều mà không làm thay đổi tần số Hệ thống điện đầu vào của máy biến áp bao gồm điện áp U1, dòng điện I1 và tần số f, trong khi hệ thống điện đầu ra sau khi biến đổi sẽ có điện áp khác.

Máy biến áp gồm hai phần: đầu vào gọi là sơ cấp, kết nối với nguồn điện, và đầu ra gọi là thứ cấp, nối với tải Các thông số sơ cấp được ký hiệu bằng chỉ số 1, bao gồm số vòng dây sơ cấp W1, điện áp sơ cấp U1, dòng điện sơ cấp I1, và công suất sơ cấp.

P1 Các đại lượng và thông số thứ cấp có chỉ số 2: số vòng dây thứ cấp W2, điện áp thứ cấp U2, dòng điện thứ cấp I2, công suất thứ cấp P2

Máy biến áp được phân loại thành hai loại chính dựa trên điện áp: nếu điện áp thứ cấp lớn hơn điện áp sơ cấp, đó là máy biến áp tăng áp; ngược lại, nếu điện áp thứ cấp nhỏ hơn điện áp sơ cấp, thì gọi là máy biến áp giảm áp.

Cấu tạo máy biến áp

Máy biến áp gồm ba bộ phận chính: vỏ máy, lõi thép và dây quấn

Hình 3 1: Cấu tạo máy biến áp

CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU VỀ MÁY BIẾN ÁP VÀ ẮC QUY

 Vỏ của máy biến áp

Máy biến áp được chế tạo từ nhiều loại chất liệu khác nhau như nhựa, gỗ, thép, gang hoặc tôn mỏng, nhằm bảo vệ các bộ phận bên trong Trong đó, nắp thùng đóng vai trò quan trọng, giúp che chắn cho thùng máy biến áp.

 Lõi thép của máy biến áp

Hình 3 3: Lõi thép máy biến áp Gông

𝛿 Hình 3 2: Vỏ máy biến áp

Lõi thép của máy biến áp là thành phần quan trọng giúp dẫn từ thông chính, thường được làm từ vật liệu dẫn từ chất lượng cao như thép kỹ thuật điện Cấu trúc của lõi thép bao gồm hai phần chính: trụ và gông.

 Trụ là nơi để đặt dây quấn

Gông là bộ phận kết nối giữa các trụ, tạo thành một mạch từ kín Để giảm thiểu dòng điện xoáy trong lõi thép, người ta sử dụng lá thép kỹ thuật điện có độ dày từ 0,35mm đến 0,5mm, được ghép lại với nhau và có lớp sơn cách điện giữa các mạch.

 Dây quấn của máy biến áp

Dây quấn máy biến áp thường được làm từ dây đồng hoặc nhôm và được bọc cách điện để tiếp nhận và truyền năng lượng Biến áp quấn bằng dây đồng có khả năng dẫn điện tốt hơn, giúp hạn chế ôxi hoá và kéo dài tuổi thọ sản phẩm Dây quấn có thể có tiết diện tròn hoặc chữ nhật.

Cuộn dây sơ cấp là phần nhận năng lượng và kết nối với mạch điện xoay chiều, trong khi cuộn dây thứ cấp đảm nhận nhiệm vụ truyền năng lượng đến tải tiêu thụ.

Số vòng dây ở hai cuộn phải khác nhau, tuỳ thuộc nhiệm vụ của máy mà có thể N1 > N2 hoặc ngược lại

Hình 3 4: Dây quấn máy biến áp

Để làm mát và tăng cường cách điện cho máy biến áp, lõi thép và dây quấn thường được đặt trong thùng chứa dầu máy biến áp Đặc biệt, đối với biến áp công suất lớn, vỏ thùng dầu sẽ có thêm cánh tản nhiệt để nâng cao hiệu quả làm mát.

Nguyên lý hoạt động

Có thể giải thích hoạt động của máy biến áp qua 2 hiện tượng vật lý:

 Dòng điện chạy qua cuộn dây tạo ra từ trường

 Sự biến thiên từ thông trong cuộn dây tạo ra hiệu điện thế cảm ứng

Khi dòng điện xoay chiều với hiệu điện thế U1 đi qua cuộn dây sơ cấp, nó tạo ra dòng điện sơ cấp I1 Dòng điện này sinh ra từ thông biến thiên trong lõi thép, có chiều giống như chiều kim đồng hồ Do mạch từ khép kín, từ thông biến thiên này đi qua cuộn dây thứ cấp, từ đó tạo ra dòng điện thứ cấp I2 và hiệu điện thế U2.

Hiệu điện thế sơ cấp U1 có thể điều chỉnh được hiệu điện thế thứ cấp U2 thông qua từ thông biến thiên Biến đổi này có thể được kiểm soát bằng cách thay đổi số vòng dây quấn trên lõi sắt.

N 2 = k Hình 3 5: Nguyên lý hoạt động máy biến áp

Tỷ số điện áp giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp của biến áp tỷ lệ với số vòng quấn, được gọi là tỉ số biến áp k Nếu tỉ số này lớn hơn 1 (k > 1), biến áp được gọi là hạ áp; ngược lại, nếu tỉ số này nhỏ hơn 1 (k < 1), biến áp được gọi là tăng áp.

Ắc quy

2.1 Khái niệm Ắc quy là nguồn điện thứ cấp, hoạt động dựa vào quá trình biến đổi hóa năng thành điện năng để tiến hành tích trữ và cấp điện cho các thiết bị điện Người dùng có thể sử dụng máy nạp ắc quy để tái sạc điện và sử dụng ắc quy nhiều lần trước khi thay thế Trong thực tế, ắc quy còn được biết đến với những tên gọi như acquy, bình accu, bình ắc quy, ắc quy lưu điện, ắc quy tích điện

2.2 Cấu tao của bình ắc quy

Cấu tạo cơ bản của một bình ắc quy lưu trữ điện gồm các bộ phận:

Bên trong ắc quy, các ngăn nhỏ chứa bản cực âm và bản cực dương, được ngăn cách bởi tấm chắn Chất điện phân được điền đầy giữa hai bản cực và chúng được kết nối với nhau bằng thanh nối.

Ắc quy được bảo vệ bởi một vỏ bọc bên ngoài, với các cọc bình ở phía trên để kết nối ắc quy với tải hoặc nối các ắc quy với nhau Đối với các ắc quy hở, trên bình còn có nút thông hơi giúp thoát khí ra môi trường bên ngoài.

Nguyên lý hoạt động của ắc quy diễn ra theo 2 quá trình dựa trên các phản ứng hóa học tại cực dương và cực âm của bình:

 Khi có dòng điện nạp vào bình ắc quy: Xảy ra quá trình nạp điện

 Khi có thiết bị tiêu thụ điện nối vào bình ắc quy: Xảy ra quá trình phóng điện

Năng lượng nạp vào ắc quy luôn nhỏ hơn năng lượng mà ắc quy phóng ra Có hai loại ắc quy chính là ắc quy axit (hay ắc quy chì) và ắc quy kẽm (bao gồm ắc quy sắt kền và ắc quy cadimi - kền), trong đó ắc quy axit được sử dụng phổ biến hơn.

Hình 3 6: Cấu tạo bình ắc quy

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH

Chức năng từng khối

Nguồn điện sử dụng trong hệ thống này là nguồn điện một chiều từ bình ắc quy, với thời gian hoạt động chủ yếu phụ thuộc vào dung lượng lưu trữ của ắc quy.

2.2 Khối tạo tần số 50Hz

Khối tạo ra sóng dao động cung cấp tín hiệu cho khối công suất với tần số điện công nghiệp, thường ở dạng sóng sin hoặc sóng vuông Do trở kháng đầu vào của khối công suất thường rất nhỏ, nên cần một khối khuyếch đại đệm để ổn định và giảm trở kháng đầu vào cho tầng công suất.

Khối công suất nhận dạng sóng từ khối phát và khuyếch đại để tạo ra điện áp xoay chiều thông qua biến áp Để hoạt động hiệu quả, khối này thường sử dụng các linh kiện công suất như thyristor, mosfet và transistor chịu dòng lớn như D718, 2N3055 Hệ thống tản nhiệt tốt là yêu cầu cần thiết để đảm bảo hiệu suất hoạt động của khối công suất.

2.4 Biến áp nghịch lưu Đây là thành phần chính quyết định tới công suất phát của mạch Biến áp được sử dụng là biến áp nghịch lưu có tỉ số vòng dây của cuộn thứ cấp lớn hơn nhiều cuộn sơ cấp, dùng để biến đổi điện áp đầu vào có giá trị nhỏ thành điện áp có giá trị lớn.

Tính toán

Khối tạo tần số 50Hz

Khối công suất Biến áp nghịch lưu

CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH

Nguồn điện sử dụng trong hệ thống này là nguồn điện một chiều, được cung cấp từ bình ắc quy Thời gian hoạt động của thiết bị chủ yếu phụ thuộc vào dung lượng lưu trữ của ắc quy.

Ví dụ: Ắc quy 12VDC-75Ah Đây là ắc quy có đện áp 12VDC và dung lượng là 75Ah

Công suất phát của bình ắc quy là: 12× 75= 900W

Giả sử ta có 1 tải tiêu thụ 300W, với công suất phát ắc quy là 900W thì ta sử dụng được 3 giờ

IC CD4047 là bộ điều khiển đa vi mạch CMOS ổn định công suất thấp, chủ yếu dùng để chuyển đổi tín hiệu DC sang AC Bộ biến tần này rất hữu ích ở các quốc gia gặp vấn đề về tải điện Nó có khả năng lưu trữ và xả năng lượng điện khi không có nguồn điện chính IC CD4047 tạo ra xung vuông với điện áp làm việc lên đến 18VDC và có 14 chân được đóng cắt dạng dịp 100T.

Hình 4 1: Sơ đồ chân IC CD4047

Chân 1: C-Timing được nối với đầu dương của tụ điện

Chân 2: R-Timing được nối với 1 đầu của trở

Chân 3: Chân chung kết nối điện trở và tụ điện tạo dao động vơi tần số định sẵn Chân 4: Trạng thái bền

Chân 5: Trạng thái không bền

Chân 6: Chân kích khởi âm chúng cung cấp chuyển đổi cao xuống thấp

Chân 7: Chân nối đất GND

Chân 8: Chân kích khởi dương chúng cung cấp chuyển đổi thấp đến cao

Chân 9: Thiết lập lại trạng thái ban đầu

Chân 10: Đầu ra Q không đảo

Chân 13: Cung cấp đầu ra dao động

27 Hình 4 2: Sơ đồ khối IC 4047

Hình 4 3: Sơ đồ logic IC 4047

 Hoạt động của IC CD4047

Hoạt động của chân astable được kích hoạt khi đầu vào chân 5 ở mức cao hoặc mức thấp của chân 4 hoặc 2 chân Độ rộng xung vuông tại chân Q và Q̅ phụ thuộc vào giá trị RC tại chân 5, cho phép mạch hoạt động như một bộ tạo dao động đa hài qua cổng 5 Độ rộng xung tại chân 13 bằng 1/2 đầu ra Q trong chế độ astable, tuy nhiên điều này chỉ đúng 50%.

Trong chế độ ổn định đơn, khi có sườn dương ở đầu vào và chân trigger(6) ở mức thấp, các xung đầu vào có thể xuất hiện bất kỳ lúc nào, tương ứng với xung đầu ra ở chân 12, cho phép kích mở trở lại khi xung là dương Các đặc điểm của vi mạch này rất quan trọng cho việc điều khiển tín hiệu.

 Công suất tiêu thụ thấp

 Hoạt động ở trạng thái đơn là chế độ không ổn định

Các đầu ra ổn định yêu cầu tín hiệu duy nhất ngoài R hoặc C, với các đầu vào có điểm kiểm tra tĩnh ở điện áp 20V Đặc tính đầu ra được chuẩn hóa và đối xứng.

Chu kỳ xung vuông của IC CD4047 được tính theo công thức sau:

Từ công thức trên để có tần số 50Hz, ta chọn tụ là 0,1μf:

Chọn R = 47KΩ Trong mạch sử dụng biến trở 100KΩ để điều chỉnh tần số 50Hz hay 60Hz

3.3 Khối động lực công suất

 Điện áp ở cuộn dây sơ cấp là U1 = 12V

 Điện áp ở cuộn dây thứ cấp là U2 = 220V, fPHz

 Công suất yêu cầu là 300W

Do máy biến áp điểm giữa nên điện áp U1 = 2.U1 = 2.12 $(V)

Công suất của máy biến áp: P = Ƞ.U2.I2= 300 (AV)

Trong đó: P là công suất máy biến áp

U2 là điện áp của cuộn thứ cấp máy biến áp

I2 là dòng điện của cuộn thứ cấp máy biến áp

Hình 4 4: Sơ đồ máy biến áp có điểm giữa

30 Ƞ là hiệu suất máy biến áp

Chọn Ƞ là hiệu suất máy biến áp bằng 0,85

Vậy ta có dòng điện thứ cấp của máy biến áp:

0.85.220 = 1,6(A) Áp dụng tỉ số máy biến áp:

U 1 Áp dụng tỉ số biến áp điểm giữa nên điện áp sơ cấp được tính bằng U1= 24 (V)

24 = 14,6 (A) Công suất máy biến áp cần chọn:

P = U1.I1= 24.14,6 = 350 (VA) Vậy ta chọn máy biến áp có công suất P= 360VA với I = 15 A

 Lựa chọn van công suất

Ta lựa chọn Transistor NPN vì có những ưu điểm sau:

 Lượng tiêu thụ điện năng không lớn

 Hiệu suất cao và tuổi thọ dài

 Độ trễ gần như không có khi khởi động và không chứa chất độc hại bởi chúng không có bộ phận làm nóng cathode

Chọn NPN có dòng điện làm việc là: Điện áp ngược đặt lên van:

Kdc thường được chọn lớn hơn 1,6 và nhỏ hơn 2

Vậy chọn van có điện áp làm việc lớn hơn 24V là được

Từ các điều kiện tính toán trên ta đi chọn van: H1061, D718 với các tham số như sau:

Transistor H1061 là loại NPN hoạt động với công suất trung bình, có dòng điện tối đa Ic.max đạt 4A và điện áp 100V Công suất tản nhiệt tối đa của nó là Pmax = 40W, với nhiệt độ mối nối hoạt động tối đa là Tj = 150℃ H1061 thường được sử dụng để khuếch đại đệm dòng cho tầng khuếch đại công suất.

 D718 là loại transistor họ NPN hoạt động với công suất lớn có dòng điện tối đa Ic.max

= 8A, điện áp 120V, công suất tản nhiệt tối đa

Pmax = 80W, nhiệt độ mối nối hoạt động tối đa

Tj = 150℃, dùng để khuếch đại dòng điện đưa ra biến áp.

Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của mạch

32 Hình 4 7: Sơ đồ nguyên lý của mạch

Hình 4 8: Sơ đồ mạch board

Hình 4 9: Mạch hoàn chỉnh 4.2 Nguyên lý hoạt động của mạch

Hệ thống mạch hoạt động với nguồn điện 12V từ ắc quy, có thông số đầu ra 12VDC và dòng điện 5A.

Khi cung cấp nguồn cho IC CD4047, IC sẽ phát ra hai xung ở chân 10 và chân 11, với hai nửa chu kỳ lệch pha 180 độ Tần số của xung này phụ thuộc vào giá trị của điện trở và các thành phần khác trong mạch.

Để thiết lập mạch điện, cần kết nối một tụ điện giữa chân 1 và chân 3, cùng với một điện trở giữa chân 2 và chân 3 của IC Để đảm bảo tín hiệu ổn định với độ dao động thấp, nên chọn điện trở 47kΩ và tụ điện phân cực 0,1 μF Để có khả năng điều chỉnh tần số phát ra, có thể thay thế điện trở 47kΩ bằng một biến trở 100kΩ, giúp dễ dàng điều chỉnh tần số mong muốn.

Tín hiệu xung vuông được phát ra từ chân 10 và chân 11 của IC 4047, đi qua điện trở R1 và R2 Trong nửa chu kỳ đầu tiên, chân 11 ở mức 0 và chân 10 ở mức 1 kích hoạt Q1, tạo ra dòng điện kích cho Q3 và Q4 trong khối khuếch đại Ở nửa chu kỳ tiếp theo, khi chân 11 ở mức 1 và chân 10 ở mức 0, Q2 được dẫn, tạo ra dòng điện kích cho Q5 và Q6.

36 Tín hiệu sau khi được khếch đại đưa qua biến áp để nâng áp lên thành 220VAC để cấp cho tải hoạt động.

Định dạng
Số trang	46
Dung lượng	1,89 MB