Đồ án môn học Điện tử ứng dụng

Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 1

PHẦN A : PHẦN LÝ THUYẾT

1. Tổng quan về ổn áp xung:

1.1 Khái niệm: Ổn áp xung còn gọi là ổn áp đóng ngắt, là ổn áp dựa trên nguyên lý hồi tiếp (nguyên lý bù), trong đó phần tử điều chỉnh làm việc ở chế độ xung. Ổn áp xung có những ưu điểm vượt trội so với ổn áp tuyến tính như sau:

Ưu điểm:

- Có tổn hao ít nên hiệu suất cao (thường trên 80%) - Độ ổn định cao do phần tử điều khiển làm việc ở chế độ xung - Thể tích và trọng lượng bộ nguồn nhỏ

Nhược điểm chính của ổn áp xung: - Phân tích, thiết kế phức tạp - Bức xạ sóng, can nhiễu trong dải tần số rộng do đó cần có bộ lọc xung ở ngõ vào

nguồn và bộ nguồn phải được bọc kim.

1.2 Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của ổn áp xung: 1.2.1. Sơ đồ khối:

Lọc Tải Phần tử điều chỉnh Nguồn DC chưa ổn định

Lấy mẫu Nguồn xung Điều chế So sánh

Điều chỉnh điện áp

1.2.2. Nguyên lý hoạt động: Nguồn DC chưa ổn định được đưa đến phần tử điều chỉnh làm việc như một khóa điện tử. Khi khóa dẫn thì nguồn nối đến ngõ ra. Khi khóa tắt thì cắt nguồn DC ra khỏi mạch. Như vậy tín hiệu ở ngõ ra của khóa là một dãy xung, do vậy muốn có tín hiệu DC ra tải phải dùng bộ lọc LC. Tuỳ thuộc vào tần số và độ rộng của xung ở ngõ ra của khóa mà trị số điện áp 1 chiều trên tải có thể lớn hay nhỏ. Để ổn định điện áp DC trên tải, người ta thường so sánh nó với mức điện áp chuẩn. Sự sai lệch sẽ được biến đổi thành tín hiệu xung để điều khiển khóa điện tử. Có 3 phương pháp thực hiện tín hiệu điều khiển:

Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 2

- Điều chế độ rộng xung: giữ tần số tín hiệu xung không đổi nhưng thay đổi độ

rộng xung làm thay đổi điện áp ra.

- Điều chế tần số xung: giữ độ rộng xung không thay đổi nhưng thay đổi chu kỳ tín

hiệu xung làm thay đổi điện áp ra.

- Điều chế xung: vừa thay đổi độ rông xung, vừa thay đổi độ rộng xung.

1.3 Phân loại ổn áp xung: có 4 loại ổn áp xung

- Ổn áp Buck: là loại ổn áp có điện áp trung bình ngõ ra nhỏ hơn ngõ vào. - Ổn áp Boost: là loại ổn áp có điện áp trung bình ngõ ra lớn hơn ngõ vào. - Ổn áp Buck_Boost: là loại ổn áp có điện áp ngõ ra lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp

ngõ vào.

- Ổn áp Cuk: là ổn áp có điện áp ngõ ra có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp ngõ

vào nhưng cực tính ngược với điện áp ngõ vào.

1.4 Ổn áp xung kiểu Buck: Ổn áp Buck là loại điện áp trung bình ngõ ra nhỏ hơn điện áp ngõ vào, hoạt động theo

phương pháp điều chế độ rộng xung.

1.4.1. Sơ đồ mạch:

L Q

V O V S

D C

Lấy mẫu

So sánh Điều chế độ rộng xung

Nguồn xung

Tạo điện áp chuẩn

1.4.2. Nguyên lý hoạt động: Q làm việc như một khóa điện tử, đóng hoặc mở với tần số không đổi. Xung điều khiển có tần số f do khối tạo xung nhịp tạo ra. Phần điều khiển thực hiện việc so sánh

Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 3

điện áp ra với điện áp chuẩn, kết quả sự sai lệch đựơc khuếch đại lên. Mạch điều chế xung căn cứ vào sự sai lệch điện áp để điều chế độ rộng xung, tạo xung vuông có độ rộng thay đổi để đưa đến transistor điều khiển thời gian điều khiển của nó. Trong khoảng thời gian không tồn tại xung điều khiển, dòng ra được bảo đảm nhờ tụ C và cuộn cảm L.

Gọi tx là thời gian mở của transistor chuyển mạch. Điện áp trung bình trên tải:

sdt

= v v (cid:242) 1 T t x V T

(cid:222)

0 V =0 V s t Vì: x s Vậy điện áp ra luôn nhỏ hơn điện áp vào. 1.4.3. Phương pháp tính toán ổn áp Buck: * Sơ đồ mạch:

£ £ (cid:222) £ £ t x T T V 0 0 V 0

L Q2

i i V I O i I C C D Taûi

Ñieàu khieån

CEsat

V 0» Hoạt động của mạch chia làm 2 mode: Mode 1: Ứng với thời gian BJT Q dẫn bão hòa ( )

+ L -

i i V = i L i

I C C V Taûi

(cid:222) V thì D tắt. Bắt đầu khi Q dẫn ở tại thời điểm bằng t = 0, nếu bỏ qua CEsat = D V

= e L Dòng ngõ vào chạy qua L, tụ C và tải. Điện áp qua L: V di L dt ﬁ I I Trong thời gian 1t thì dòng cuộn dây tăng tuyến tính từ :

Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 4

- D D I I I = = = = (cid:222) - V V L L L (1.1) V 0 t 1 - V t 1 t 1 I V 0

Mode 2: Trong khoảng thời gian t2.

+ L -

i V i

D I C C Taûi

Bắt đầu khi Q tắt tại t = t1. Dòng qua L giảm đột ngột ﬁ

ﬁ I I

xuất hiện suất điện động tự cảm có chiều như hình vẽ để chống lại sự giảm. Lúc này, D dẫn và L đóng vai trò là nguồn xả năng lượng từ trường qua L, C, D và tải. Dòng qua L giảm từ cho đến khi Q dẫn trở lại trong chu kì kế tiếp.

Điện áp ngang qua L: - D D I I I I = = = = (cid:222) L L t L (1.2) VL V 0 t t V 0

Từ (1) và (2) ta có: D D D I = + = + = T t L L (1.3) t 1 - - ) V V 0 VIL . . s V ( VV 0 0

= = = (cid:222) V kV k Mà: V o I V 0 V 0 V T 0 T

- 1( ) VV 0 - ) V 0 V Từ (3) suy ra: V 0 = = D I . 1 fL V

ID ID

T L 1( - = D I (1.4) VV ( 0 s V s ) kVk fL

+ = i

0i I 2

D+ D (cid:222) D i i Theo định luật Kirchoff’s: D= ; : dòng gợn sóng trên tải, rất nhỏ. : độ gợn dòng đỉnh - đỉnh của cuộn L càng bé thì dòng ra càng bằng phẳng i L 0i D = D » D (cid:222) i i (1.5)

Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 5

D D = = (1.6) I dt (cid:242) Dòng trung bình trên tụ: T 1 2 T I 2 I 4

(1.6)

= + = v t )( i t )( dt v t ( )0 (cid:242) Điện áp trên tụ: 1 C

Điện áp gợn sóng đỉnh-đỉnh của tụ:

2 i

D D D= = = = = - D (1.7) v )( t v )0( )( t dt dt (cid:242) (cid:242) V 0 V C 1 C 1 C I 4 I fC 8

Thay

từ (4) vào (7), ta được: ) kVk = D (1.8) V C 1( - 28 LCf

Từ (4) và (8) ta có thể chọn L, C nếu biết độ gợn dòng đỉnh - đỉnh của cuộn và độ gợn

áp đỉnh - đỉnh của tụ bằng công thức sau: - 1( = L (1.9) D

- ) kVk If kVk ) = C (1.10) D 1( 28 VLf 0

Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 6

* Dạng sóng:

1t 2t

t Li 2I

1I t si 2I

I I - 1

= 1I t Ci I I t vC

Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 7

0i 0I t

2 Các thành phần của mạch:

2.1 Vi mạch định thời IC 555: IC 555 gồm 2 mạch khuếch đại thuật toán SS1, SS2 thực hiện chức năng so sánh, một

RS Flip Flop, 1 BJT Q1 và 3 điện trở R có giá trị 5K, 1 cổng NOT.

R 5K

6 5

R 5K

RSFF

R 5K

Sơ đồ vi mạch định thời IC555:

Chân 1: chân mass. Chân 2: chân kích khởi ( trigger ). Chân 3: chân ngõ ra. Chân 4: chân Reset: “0” cấm, “1” cho phép mạch làm việc. Chân 5: chân điều khiển bằng điện thế. Nếu không dùng thì nối qua tụ 0.01μF tới

mass.

Chân 6: chân ngưỡng (chân thềm). Chân 7: chân ngõ ra phụ.

Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 8

Chân 8: nguồn Vcc, bộ Opamp SS2 có mức ngưỡng điện thế là 2/3Vcc, bộ SS1 có

điện thế ngưỡng là 1/3Vcc.

Bảng trạng thái:

S R Q

0 0 Qo 0 1 0 1 0 1 1 1 x

2.2 Mạch dao động đa hài không trạng thái bền dùng IC555: a. Sơ đồ mạch và dạng sóng:

Vcc

Cv CCV

2 3

C C V

CCV

DIS

1 3

IC 555

Vout

THR

3t t

D N G

V C

log icV 1

0.01uF

1t 2t D outV

RSFFQ

b. Nguyên lý hoạt động: Đây là mạch dao động đa hài có 2 trạng thái nhưng cả 2 trạng thái đều không bền. Nhờ có sự thay đổi điện áp trên tụ C mà mạch luôn tự động chuyển đổi trạng thái và luôn tạo độ dài xung ra. (cid:222) 0= * 0 ≤ t < t1: giả sử mạch ở trạng thái không bền ban đầu. Ngõ ra 0V = 1 (cid:222) , tụ C được nạp điện từ nguồn Vcc qua điện BJT Q1 tắt: không có dòng đổ qua BJT Q1

Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 9

trở R1 qua Diode D với chiều như hình vẽ để hướng đến giá trị CCV . Tụ càng nạp thì điện

. Lúc đó: = = ≥ V áp trên tụ càng tăng ( Cv tăng ) cho đến khi áp trên tụ v C v )6( v )2( 2 3 - > = ﬁ v : v 0 R SS 1 - > = ﬁ v SS : 1 S

2 Q

v = = (cid:222) (cid:222) 1 v 0

Mạch chấm dứt thời gian tồn tại trạng thái không bền ban đầu và chuyển sang trạng

thái không bền thứ 2.

* 1t ≤ t < 2t Tại thời điểm t = t1: mạch tồn tại ở trạng thái không bền thứ 2. Q =1, 0v = 0. Vì Q = 1 nên BJT Q1 dẫn ﬁ tụ C xả điện tích qua R2 → chân số 7 → BJT Q1 → mass. Tụ càng 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 thì ta có: V ≤ V ≤ v C 2 3 - 1 3 > = (cid:222) v R 0 : v SS 1 - > = (cid:222) SS 0 S v (cid:222) : v 2 Q vẫn giữ nguyên trạng thái cũ trước đó (Q = 1) (cid:222) do đó tụ C tiếp tục xả cho đến

)6( =

)2(

= v v khi (điện thế ngưỡng của bộ SS1), mà nên suy ra: vC ≤ V v C 1 3 - < = (cid:222) : v v R 1 SS 1 = = (cid:222) (cid:222) Q 0 1 v - > = (cid:222) SS : v v S 0

trạng thái không bền ban đầu. Vì Q = 0 (cid:222) Mạch chấm dứt thời gian tồn tại ở trạng thái không bền thứ 2 và bắt đầu chuyển sang không có dòng đổ qua BJT Q1

do điện thế ở chân số 2 chặn trên) → tụ C được nạp điện bổ sung (vì nó vẫn còn giữ Vcc BJT Q1 tắt (cid:222) 1 3

và quá trình cứ tiếp diễn như vậy để liên tục tạo độ dài xung ra.

[

] 1)0(

c.Tính độ dài xung ra: 1T là thời gian ứng với ngõ ra ov = 1 Gọi: 2T là thời gian ứng với ngõ ra ov = 0 T là chu kì dao động của mạch : T = 1T + 2T * Tính 1T : Phương trình nạp của tụ C: - (cid:246) (cid:230) t (cid:247) (cid:231) = - - ¥ v t )( v ( ) v e v )0( +(cid:247) (cid:231) ł Ł

Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 10

với vC (0) = VCC , vC (∞) = VCC 1 3 - (cid:246) (cid:230) t (cid:247) (cid:231) 2 1 = - (cid:222) v )( t V 1 e V +(cid:247) (cid:231) 3 3 ł Ł

T 1

=) V Khi t = 1T : ( 1 Tv C 2 3

T 1

(cid:246) (cid:230) - t (cid:247) (cid:231) 2 2 1 = + - (cid:222) V V 1 e V (cid:247) (cid:231) 3 3 3 ł Ł

- - t t = = t= = (cid:222) (cid:222) - (cid:222) 1 e e 2ln 2ln T 1 CR 1 1 2

2T :

(2.1) T = 1 1 2 7,0 CR 1

[

]

Vậy thời gian nạp của tụ là * Tính Phương trình xả của tụ C: - t = + ¥ ¥ - )0( ( ) e ( ) v C v C v C v C

T 2

với vC (0) = VCC , vC (∞) = 0 )( t 2 3 - 2 = (cid:222) v t )(

T 2

eV CC 1 3 = ) V Khi t = 2T thì ( 2 Tv C 3

- t = = (cid:222) (cid:222) V 7,0 CR eV CC T 2 1 3 2 3

(2.2)

Vcc

) (2.3) 7,0 CR ) R + 1 R

CCV

C C V

DIS

THR

Vout

CCV

T = Vậy thời gian xả của tụ C là 2 R + 1 R T = 1T + 2T = 0,7C ( 2 Vậy chu kỳ dao động là T = 0,7C ( 2.3 Mạch dao động đa hài 1 trạng thái bền dùng IC555: a.Sơ đồ mạch và dạng sóng: CCV

D N G

V C

0.01uF

1 3 Cv 2 3

0v t

log icV 1

Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 11

= b. Nguyên lý hoạt động: * 0 ≤ t < 1t : Mạch ở trạng thái bền v 0

0 Q

= (cid:222) 1 = RS 1= . Transistor dẫn bão hoà.

RSFF = V

)7(

= = = ﬁ » v v v 2,0 V 0 V tụ C không

: Mạch ở trạng thái không bền. Vì tụ C mắc song song với transistor nên C được nạp điện. Mạch luôn tồn tại trạng thái bền. * 1t ≤ t < t + 1 T 0

v V đưa vào chân số 2 của t = 1t : Mạch được kích khởi bằng tín hiệu kích khởi

- < = = (cid:222) (cid:222) (cid:222) v Q R 0 1 v v 1£ 3 = 1

)6(v

- = 2> (cid:222) £ V v IC555. Ở bộ so sánh 1 có . Mạch chấm dứt thời gian tồn tại trạng thái bền và chuyển sang trạng thái không bền. Lúc này vì Q = 0 nên transistor T tắt (cid:222) tụ C được nạp điện từ nguồn Vcc qua R. Tụ càng nạp thì áp trên tụ càng tăng mà thì ở bộ so sánh 2 có , lúc này R nên khi vC v v S 3 = = (cid:222) (cid:222) Q 1 v 0 1= . Mạch chấm dứt thời gian

‡ : giai đoạn phục hồi

0» T dẫn (cid:222) tụ xả qua T cho đến khi . Sau khi kết thúc giai đoạn

CCV

2 ﬁ 3

] 1)0(

- = (cid:246) (cid:230) )0( 0 v t (cid:247) (cid:231) = 0 vì thời gian tồn tại xung kích khá nhỏ tồn tại trạng thái không bền và bắt đầu chuyển sang trạng thái phục hồi. t + 1 T * t 0 Do Q = 1, 0v = 0 (cid:222) phục hồi mạch trở về trạng thái bền ban đầu. c.Tính độ dài xung ra: 0T là thời gian cần thiết để tụ C tăng từ 0 Phương trình nạp của tụ : [ = - - ¥ v t )( v ( ) v v )0( e mà +(cid:247) (cid:231) = ¥ v ( ) V ł Ł

- (cid:246) (cid:230) t (cid:247) (cid:231) = - (cid:222) v t )( V 1 e (cid:247) (cid:231) ł Ł

Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 12

T 0

2 = (cid:222) V ) Khi t = 0T ( 0 Tv C 3

- t 2 = - (cid:222) V 1( e )

(cid:222) 3ln (2.a) V 3 T = 0

CC RC * Tính thời gian phục hồi: Phương trình xả của tụ: [

]

- t = + ¥ ¥ - v ( ) ) e v t )( v (

C ,

)0( 2 v C = = ¥ v V ) 0 v )0(

C )

CC 3 Tv ( C

log

( = » (cid:222) V 0 với khi t = phT

log

- t 2 = (cid:222) V eV CC

2 =

log V

3 T - V t 3 (cid:222) e 2

CC V V

log

1R N

0 2.4 Mạch so sánh và khuếch đại: 1v

= (cid:222) T RC 2ln 3

Phương trình dòng điện tại nút N: - - + = 0 Uv 0 R Uv 1 R 1

(cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) + + U =(cid:247) (cid:231) 1 R v R ł Ł 1 R 1 v 1 R 1

(cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) = + - (cid:222) U (cid:247) (cid:231) v R 1 R ł Ł 1 R 1 v 1 R 1

Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 13

(cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) = + - (cid:222) v U 1 (cid:247) (cid:231) v 1 ł Ł R F R 1

= = = = = U U R R R R Mà ( chọn ) RR 1, P v 2 + R F R 1 v + R R

)

R ( = = - - (cid:222) v v R 1 ( vk v 1 v 1 R F R 1

2.5 Mạch vi phân:

< £ 0 v t : = i V = v = i V £ =0, tụ được nạp từ nguồn CCV qua R hướng đến giá trị CCV , áp ra tăng từ 0 ﬁ

£ 0= V v , tụ C xả điện qua D và R cho đến khi và điện áp ra = i V vC :3 » » v

gR tăng

relay

CCV t 0v 1t 2t r CCV iv t Mạch xén dung để tạo điện áp kích cho IC555 Monostable. t , tụ không được nạp * 1 CC v Điện áp ra: < t :2 t t * 1 gần CCV < t t t * v i V 2.6 Mạch bảo vệ: a.Bảo vệ ngắn mạch: Khi bị ngắn mạch ở tải dòng qua

gSCR

scrk

relay

> (cid:222) (cid:222) V V SCR dẫn có dòng qua Relay làm

Cho Relay ngắn mạch phía sau Khóa K làm tiếp điểm thường đóng. Khi SCR dẫn, Relay làm hở mạch, muốn mạch làm việc trở lại thì phải ấn nút K để SCR mất nguồn cung cấp suy ra SCR tắt suy ra Relay mất tác động. Do khóa K thường đóng nên khi vừa nhả khóa K thì mạch tiếp tục làm việc.

du RC : chống lại sự tăng dt

C : vài chục nF đến 1μF

ZaD

Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 14

dẫn

ZbD xuống mức ngưỡng

dẫn ﬁ

ZbD

bQ Relay tác động ngắt

tắt

R : vài chục Ω đến 100Ω b. Mạch bảo vệ dưới áp và quá áp: Khi điện áp vào nằm trong phạm 1,QQ tắt. Relay cho phép thì 2 không có dòng điện, tiếp điểm Relay đóng. Mạch hoạt động bình thường. Nếu áp vào tăng làm cho aQﬁ ZaD đến ngưỡng dẫn 1Qﬁ Relay tác động ngắt mạch. Nếu áp vào giảm xuống, làm cho bQﬁ dẫn 2Qﬁ dẫn ﬁ mạch.

= = (cid:222) const

beQV = V

beQ

D Z

+ » 2.7 Mạch cấp nguồn: Sv Khi áp vào tăng thì: 0V V const + V V V g

Tụ C để ổn định điện áp và chống nhiễu

max

satT FT

2.8 Tính công suất tiêu tán của Transistor chuyển mạch:

CesV t RT 0T

Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 15

sat

+ + P P = PP r

rTt £

£0 Trong quá trình chuyển mạch, do có tính trễ nên BJT không dẫn ngay mà phải trải qua 1 thời gian tạo sườn lên và khi tắt phải trải qua thời gian tao sườn xuống. Đối với transistor làm việc ở chế độ xung, công suất tiêu tán chủ yếu ở giai đoạn chuyển đổi trạng thái, còn trong giai đoạn dẫn bão hòa công suất tiêu tán rất nhỏ. Ta có : *

max

= I )( t I

ces T r

- - t T r V V t » V =)( + Vt tV ce T r T r

max

= + IV ces IV es

*Trong giai đoạn bão hoà: *Trong giai đoạn P sat fT :

max

f T

- T t = I t )( I

ces

- V V » =)( + Vt t tV ce T V T

T r

)

(

Công suất trong thời gian 0T là:

max

T r

)

+ + + I dt I dt P = (cid:242) (cid:242) )( tVt )( ce IV ces IV bes )( )( tVt ce 1 T 1 T T sat T 0

max

( Tt r 2 T r

- t = I dt I V dt (cid:242) (cid:242) Ta có : * )( tVt )( ce 1 T 0 1 T 0 0

max T 0

2 T r

(cid:246) (cid:230) V I t (cid:247) (cid:231) = - dt (cid:242) (cid:247) (cid:231) ł Ł t T r

max T 0

2 3 T r

ø Ø V I t = - œ Œ œ Œ ß º t 2 T r

max T 0

(cid:246) (cid:230) V I = - (cid:247) (cid:231) ł Ł T r 2 T r 3

max 6T 0

I TV s r = (*)

Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 16

)

( Tt

max

2 f

t = I dt V dt I (cid:242) (cid:242) * )( tVt )( ce T 1 T 0 0

max 6T 0

I 1 T 0 0 TV s = (**)

sat

max T 0

+ I Thay (*) và (**) vào P: I TV s IV ces IV bes + + T P =

TV s r max T 6 0 V I

(

)

max

max 6 T 0 ) T sat T 0

max 6 T 0

+ = + + T (2.5) T r IV ces IV bes

710.4 l

2.9 Tính cuộn dây L: - p SN 2 m Hệ số tự cảm L được tính theo công thức: L = (2.6)

Trong đó N: số vòng dây S: tiết diện ống dây μ: độ từ thẩm chất liệu làm lõi l: chiều dài ống dây L: hệ số từ cảm ( H: Henry )

(cid:222) số vòng dây N = (2.7) - m p . lL 710.4 S

Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 17

PHẦN B : PHẦN TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

Yêu cầu :

Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 18

30%

* Điện áp vào: DCV = 25v – * Điện áp ra: 0V = 12v * Độ gợn dòng đỉnh_đỉnh: ΔI = 0,01A * Độ gợn áp đỉnh_đỉnh: ΔV = 0,01v * Dòng trung bình: 0I = 10A * Tần số làm việc: f = 12 kHz * Dùng IC555 để điều chế độ rộng xung

TÁC DỤNG CỦA CÁC LINH KIỆN

sa VR

: bảo vệ quá áp. R , : phân áp, chọn điện áp ngưỡng. zaD : làm cho mạch chuyển đổi trạng thái nhanh. ,QQa 1

, , : bảo vệ dưới áp. : điện trở tăng tốc độ chuyển đổi trạng thái. , , : tương tự như mạch bảo vệ quá áp. ,QQb 2 , RR a ' RRDRR , 3 VR b

1zD .

4R : điện trở hạn dòng cho SCR. gR : lấy áp kích cho SCR khi ngắn mạch. 5 ,CR : mạch có tác dụng hạn chế kích dẫn cho SCR. 1 QDDR , , : cấp nguồn cho các mạch hoạt động. 3 2 z 1 2D : bù nhiệt cho 6R : định thiên dòng cho diode 8C : tụ lọc nguồn, tránh nhiễu, ổn định điện áp.

* * * * K: công tắc Reset. * * * 2 * Relay : Đóng ngắt mạch điện . * * * * * * *

Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 19

, C VR : xác định thời hằng cho mạch Astable.

: mạch vi phân, tạo xung kích cho Monostable.

, IC555(2): mạch điều chế độ rộng xung.

4Q .

5Q ,

6Q dẫn hay tắt.

4Q chuyển đổi trạng thái nhanh hơn.

9 ,CR R , 10 11, RR 4Q : transistor chuyển mạch , đóng hoặc mở sẻ làm cho 7C : làm cho

4Q .

6Q dẫn bão hoà.

CVR , 3 : điện trở phân cực cho

5Q ,

6Q dẫn để cung cấp năng

6Q tắt.

5Q ,

,CL : mạch lọc, tích luỹ năng lượng trong thời gian

, , , : tạo điện áp chuẩn để đưa đến mạch so sánh. : lấy mẫu tín hiệu ra để đưa đến mạch so sánh.

m A : mạch so sánh.

zDDR 6 16 R VR R 3 3VR : thay đổi điện áp chuẩn. RRRR , , , 17 18 )2(741Am 4VR : hiệu chỉnh để thoả mãn độ gợn áp ra.

1D : bảo vệ cho SCR. * RR , , * 7 8 3D : tách đường nạp và xả thành hai đường. * * IC555(1): mạch dao động không trạng thái bền . * * * * * * 13R : điện trở tải của * 11R : ổn định, tăng tốc độ chuyển đổi. 5Q : ghép Darlington bổ phụ với 6Q . * 6Q : transistor chuyển mạch. * 5D : đảm bảo cho * * 15R : tăng tốc độ chuyển đổi. * lưọng cho mạch khi , * * * * * *

, )1(741 19 : OP_AMP đệm.

Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 20

+ = 7.0 C ) 1. Tính chọn mạch Astable: Chọn IC555 là HA17555 có các thông số sau: • Nguồn cung cấp: Vcc = 15 v • Dòng tiêu thụ trung bình: Itb = 10 mA • Công suất tiêu tán: 600 mW Thời gian tồn tại xung chính là thời gian nạp xả tụ C2 Theo (2.1) thời gian nạp tụ C2 là: T 1 R 7

1 + = (cid:222) ) 7.0 C VR ( 1 VR ( 1 R 7 Chọn 1T = T/2 2 f

= (cid:222) VR 1 4,1 fC

- 9

7R = 2kΩ → 1VR =0,7kΩ 1VR =1kΩ.

+ 1 R 7 Chọn C2 = 22nF + = = VR 1 R 7 Suy ra 2,7kΩ 1 10.22.10.12.4,1

Chọn 7R = 2kΩ , Chọn Theo (2.3) chu kỳ dao động của mạch là:

Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 21

1 = + + = T 7,0 ) RC ( 2 R 8 VR 1

2 = 5,411- 2,7 = 2,711kΩ

8R là điện trở 2kΩ và 0,8kΩ

f 1 = 1 + + = (cid:222) R - R 8 VR 1 =5,411kΩ 7,0 fC 10.22.10.12.7,0 (cid:222)

Chọn Dòng nạp tối đa cho tụ C2 là:

7,3

R 7

10 7,2

R Công suất tiêu tán trên =

2 10.2.)7,3(

P R 7

27,37 mW

2 800.)7,3(

3 + VR 1 7R là: 2 RI 7 R 7 1VR là: 2 I VR R 1 7

Công suất tiêu tán trên = = = 10,952 mW

Dòng tối đa qua P VR 1 8R là:

2 V = = = 3,689 mA I 10 711,2

2 10.711,2.)689,3(

Công suất tiêu tán trên

36,89 mW 3 R 8 8R là: 2 RI R 8 8

P R 8 1/

= W R 2 k Chọn

= W W 10 1/ k 711,2 W R 8 10

W = k 1 1/ W VR 1

Vcc

= 10mA = 0,01μF để chống nhiễu.

10 Chọn D3 là loại 1N4001 với DV = 0,6V , 3C Chọn tụ 2. Tính mạch xén: Khi điện áp ngõ ra của mạch Astable ở mức logic 0. Tụ C4 được nạp từ Vcc qua R9 đến ngõ ra của mạch Astable. Để mạch Monotable hoạt động tốt thì độ dài xung kích đưa vào chân số (2) của mạch Monotable phải nhỏ hơn thời gian tồn tại xung của mạch Monotable. Phương trình nạp của tụ C4 là: - (cid:246) (cid:230) t = - - ¥ +(cid:247) (cid:231) t )( v ( )

] 1)0(

e )0( V C

[ V C 4

V C 4 ł Ł

Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 22

= )0( 0 Trong đó :

CV V C

= ¥ ( ) V

t - (cid:246) (cid:230) t = - (cid:222) (cid:247) (cid:231) )( t V 1 e V C ł Ł

Gọi t1 là thời gian tụ C4 nạp được 1/3Vcc - (cid:246) (cid:230) t 1 = - (cid:222) =(cid:247) (cid:231) ) V 1 e V ( 1 t V C 4 3 ł Ł

(cid:222) 5,1ln (*) t = 1 CR . 4 9

Gọi tx là thời gian tồn tại xung của mạch Monotable Gọi Vo là điện áp ra của ổn áp.

= = V (cid:242) Ta có: V 0 dtV s 1 T

0 V 0 V

s *Áp vào: Vs = 25V *Độ biến thiên áp vào: 17,5 → 32,5V *Điện áp ra: Vo = 12V *Độ gợn điện áp ngõ ra: ∆Vo = 0,01V

= = (cid:222) t T t x T V 0 fV . s

12 = = (cid:222) 40 μs Khi Vs = 25 10.12.25

max

12 = = (cid:222) 57 μs Khi Vs = 17,5

min

10.12.5,17 12 = = (cid:222) 30μs Khi Vs = 32,5 10.12.5,32

Để đảm bảo độ rộng xung kích nhỏ hơn tx chọn:

min

= = £ 30 6 μs t 1 1 5 1 5

- = = (cid:222) 10.15 CR 9

R 9

- (cid:222) 681Ω -

6 5,1ln Chọn C4 = 22nF 10.15 10.22 Chọn R9 là 700Ω Công suất tiêu tán trung bình của R9:

Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 23

- (cid:246) (cid:230) t = - (cid:247) (cid:231) ) V 1 e V C ( 1 t ł Ł

t 1

9 tbR

2 9 R R 9

2 eV CC R 9

t 1

- t = (cid:222) v )(9 t eV CC - t )( t v = = (cid:222) P dt dt (cid:242) (cid:242) 1 T

4.9

- 9

(cid:246) (cid:230) - (cid:247) (cid:231) - 1 e = (cid:247) (cid:231) ł Ł

1 T 0 2 CV CC T 2 = = = = Mà 41,7μs t 1 T 2 CR 8 - 7,0 2 10.22.10.711,2.7,0 7,41.2 - (cid:246) (cid:230) 10.12. (cid:247) (cid:231) = - (cid:222) 1 e 29,58mW =(cid:247) (cid:231) P tbR 9 ł Ł

2 10.22.15 2 1 W

Vcc

700 Vậy chọn =R 9 Ω/ 10

VR2

R10

IC555

+ = = CT 3ln) R - Chọn D4 là 1N4001. 3. Tính mạch Monotable: Chọn IC555 là loại HA17555 Tính mạch hoạt động bình thường với áp vào Vs= 25V Thời gian tồn tại xung tx chính là thời gian tụ C5 nạp điện từ 0 đến 2/3Vcc. Theo (2.4) thời gian nạp của tụ C5 là: VR ( xt 6 + = = (cid:222) μs C VR ( R ) 4,36 10.40 3ln

1 5

= (cid:222)

2 16

5C = 2,2 nF Chọn + R 10 VR = R Chọn 2VR là biến trở 1kΩ Chọn

16,55 kΩ = W (cid:222) W k VR 550

5C là:

R10

10 2 R . I 10 R 10 2 10.)6,0(

2 = = = Dòng nạp cực đại cho tụ mA I 6,0 V 3 + R VR - = = = 10.16. 76,5 mW - = 10 55,16 2 10.)6,0( 6 3 = 10. 36,0 mW P 10 R VRP

Công suất tiêu tán trên 10R là: 2VR là: Công suất tiêu tán trên 1 W Vậy chọn 10R = 16 kΩ/ 10 1 2VR = 1 kΩ/ 100

Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 24

- = + = = + t 10.2,2) 16( 10).55,0 41,36 µs RC ( 5

Ta c ó: 5 Phương trình nạp của tụ VR 2 5C : - (cid:246) (cid:230) t (cid:247) (cid:231) = - v V 1 e t )(5 (cid:247) (cid:231) ł Ł

S V

min

max

41,36

= = (cid:219) V = t Khi = 17,5V 57 μs t x 57 - 11,86 V = - (cid:222) 1(15

S V

41,36

S V

max

min

41,36

e = V = t Khi = VC 5 = 25V (cid:219) ) = 40 μs t 40 - 10V = = - (cid:222) VC = (cid:219) V = ) t Khi 1(15 e = 32,5V = 30 μs t 30 - 8,42 V = = - (cid:222) 1(15 e ) VC

(

4. Tính mạch lọc: Theo đề: ∆V = 0,01 V ∆I = 0,01 A - 1 = L Theo (1.9) ta có: D

) . Vkk I . f V 0 V

= = = = k với: 0,48 12 25

- = = L suy ra: 52 mH t x T ) ( 25.48,0.48,01 3 01,0.10.12

S VLf

Vậy L = 52 mH - D 1( = = = = C Theo (1.10) ta có: 10,4µF kVk ) 2 01,0 3 D D I Vf 8 8 01,0.10.12.8

= 11µF

2 SN .

Chọn * Tính toán cuộn cảm: Dòng ngõ ra trung bình là 10A Chọn dây đồng có đường kính: d=0,65 I = 0,65 10 = 2,06 mm Chọn lõi từ thanh ferit dài 4cm, ø = 1cm Cho µ = 1000 ÷ 6000 Ta có: - m p 10.4 . = L . l

Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 25

7 S .

Ll . = (cid:222) N - m p 10.4 .

= (cid:222) N 10.52.04,0 2 Với µ = 1000 = 144 vòng - p p 10.4 . . 1000 )01,0( 4

= (cid:222) N 10.52.04,0 2 Với µ = 6000 = 59 vòng - p p 10.4 . . 6000 )01,0( 4

R15

là transistor chuyển mạch chỉ làm việc trong

R14

SQ6

CSQ5

R14

= .Ik = 0,48.10 = 4,8A + = I I Chọn *Điện áp ngược cực đại khoảng (3÷4)Vs *Dòng trung bình thuận FI > 10A 6D là 1N5410 có : Chọn KAV = 200V FI = 15 A 5. Tính mạch điều khiển: 5 ,QQ 6 thời gian có xung ra ở đầu ra của mạchmonotable. 5 ,QQ Khi dẫn thì nguồn DC được đưa đến đầu ra, 6 5 ,QQ tắt thì cắt nguồn DC ra khỏi mạch. khi 6 I Dòng trung bình ngõ vào: S + I Mà :

R13

I = 4,6A I 6Q lớn nhất , Chọn SQ6

R11

R12

S Dòng chảy qua a. Tính chọn Q 6: Để dễ tính toán,chọn thời gian tắt mở của các BJT là như nhau. Thông thường thời gian tắt(mở) là 10ns ÷ 1µs T *Ở đây tính toán với Theo (2.5) ta có: Công suất của

= 1µs. T = r

6Q là: . V

(

)

max

max .3 T 0 *Chọn BJT có min

I = + + P T IV ces IV bes T sat T 0 b = 30

Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 26

I = ‡ I = 0,153A Ta có b 6,4 30

)

) =

( 46,0.2,0.

16,0.8,0

min bsI = 0,16A ( 25.6,4 40.3 Vậy chọn

Chọn - (cid:222) 1,17W

40 6Q là transistor thỏa: V

> = 25 V V

S P

CE > P tt

= = .3 W51,3

max

17,1.3 = > I I A

Vậy chọn 6,4 6Q là 2SC2073 có các thông số sau:

f β P CEV

Si_N MHz CI

besQ

bes

Để = ‡ Ký hiệu Loại C2073 6Q dẫn bão hòa thì: v v 8,0 V

bsQ

min

I = = ‡ I 153,0 A b 6,4 30

bsQI

Chọn = 0,16A

R15

bsQI

= = = I 16,0 0.032A Chọn dòng qua 15R là:

R15

= = = R 25Ω 1 5 v I 1 5 8,0 032,0

Chọn 15R = 47Ω Cong suất tiêu tán trên 15R là:

2 V R 15 R

= = = 0,014W P R 8,0 2 47

1 8

Q 5:

CSQ

BSQ

= = + I I I Chọn 15R = 47 Ω/ W b. Tính chọn Q5 mắc Darlingtơn với Q6 để nâng cao hệ số khuyếch đại dòng điện Ta có: 0,16 + 0,032 = 0,1632 A

(

)

S S T 3 0

TVI . . C = + + V I . Công suất tiêu tán của Q5 là: P tt VI . BS T sat T 0

Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 27

(cid:246) (cid:230) ,0 1632 1.25. ,0 = + + (cid:247) (cid:231) ,0.2,0 1632 8,0. ł Ł 38 40 1632 30

CE >

= > 40.3 = 0,069 W Chọn Q5 thỏa các điều kiện sau: V V 25 V

= I I ,0 1632

C > P

C P tt

= A = 069,0.3 ,0 W207

3 Vậy chọn Q5 là loại có các thông số sau:

BJT P f β CI CCV

Loại Si_P

besQ

bes

= = ‡ Để Q5 dẫn bão hòa thì: v v v 8,0 V

csQ

I ,0 = = ‡ 44,5 mA I b

min =

R14

= 1632 30 mA 4,54 I 10 I Chọn

5 BQ 8,0 4,54

= = W (cid:222) 7,14 R14

Chọn R14 =18Ω

= = W036,0 8,0 2 18

W 18 1/ W Chọn =R 14 10

min

ceQ

= = - - V V c. Tính chọn R 13: V V Ta có 17,5 – 0,8 – 0,2 = 16,5V

13R

beQ 5,16 +

= = W (cid:222) 275 44,5 4,54

= W074,1

RP =R 13

13 300 Q 4:

Chọn 13R = 300Ω 2 = 84,59.300 W5/ Chọn d. Tính chọn Công suất chuyển mạch của Q4 là:

(

)

S S T .3 o

TVI . . C = + + P V I . VI . BS T sat T o

Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 28

(

)8,0.995,1

ttP

= + + 84,59.2,0 1.25.84,59 40.3 38 40

CE S >

S =

> V

= 25,35 mW Chọn Q4 thỏa: = V I 25 V 84,59 I

C > P

C P tt

= mA = 35,25.3 .3 m

W05,76 Vậy chọn Q4 là loại có các thông số sau:

BJT Loại CT o P f β CEV CI

Để Q4 dẫn bão hòa thì:

I = = ‡ I 995,1 mA b 84,59 30

min V

beQ

beS

= = ‡ v V 8,0 V

4bQI

= 2mA

4bQI

R12

= = 2.10 20 mA Chọn Chọn dòng qua 12R là 10

= = W (cid:222) 40 R12 I : 8,0 20

Chọn 12R = 47 Ω

= = m W6,13 PR 8,0 2 47

W 1/ W 47 Vậy chọn =R 12 10

R13

C 7, R11:

besQ

Vomonotable

R11

= - V V V

R12

= I I I e.Tính Với nguồn cung cấp là 15V, điện áp ngõ ra của Monostable ở mức 1 là 15-1,5 = 13,5V Ta có : omonotable 11 = 13,5 – 0,8 = 12,7V + = 20 + 2 = 22mA

11R

12 R 7,12 22 Chọn R11 = 620 Ω

= = (cid:222) 577Ω

Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 29

11RP

7,12 2 620 Vậy chọn R11= 620W/ W * Tính chọn C 7: Tụ C7 có tác dụng làm tăng tốc độ chuyển đổi trạng thái cho Q4

0,26W

= = W 62 Chọn ZC R 11 10

1 = = m (cid:222) C ,0 214 F p

= m C 22,0 62.10.12.2 V 50/

F Chọn 7 6. Mạch hồi tiếp: - t = - Phương trình nạp của tụ C5: )

= v + V = m t t )( C VR 1( CC 4,36 ) RC ( 5

min

4,36

max

17,5V thì áp đưa về là: e s Với Khi t = tx thì điện áp trên tụ C5 cũng bằng điện áp ngưỡng chân (6). Do đó, lúc này trên chân (5) của IC555 cũng bằng đúng điện áp này. Vậy ta phải tính toán sao cho khi áp vào đúng bằng 25V thì áp đưa về là 10V. Tương tự, ta có: SV Khi - (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) = = - V ( t ) 115 e 86,11 V =(cid:247) (cid:231) V C ł Ł

max

= Khi 32,5V thì áp đưa về là:

4,36

min

- (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) = = - V ( t ) 115 e 42,8 V =(cid:247) (cid:231) V C ł Ł

Vout(opamp)

Vcc

IC555

75k

10k

* Mạch OP_AMP đệm đưa về điều khiển ICMonotable: Tổng trở ra của OP_AMP khoảng 75Ω

Từ sơ đồ tương đương ,ta có phương trình điện áp nút tại A là:

Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 30

- - V V V + = V A 10

out

+ (cid:219) V out 75,0 V .977,0 5 V 22,0

out V

» V

2DZ là loại 1N5347B có:

= out V

= 10 V

I DZ mA = = ,7.0 IV 15 V mA 15 = Ở đây AV là điện áp cần có ở chân 5 của IC555 Monostable. VớI các giá trị AV = 10V,11.86V,8.42V thế vào phương trình trên ta được V Vậy ta xem a. Mạch tạo điện áp chuẩn: Chọn diode VDZ + 2 + Dòng qua diode là Chọn diode = 7D là loại 1N4001 có

* Tính điện trở

16R : 16R được chọn thỏa điều kiện sau: V V

D+ - - - - D - V V < < R VV I

DZ 10 3

16R = 86Ω

+ - - - - - VV I DZ 01,0 12 7,0 12 01,0 7,0 < < (cid:219) R - - 10 3 10.15 < < (cid:219) R 86 33,87

16R

W = 82 và W = 4 .

= = 10.15 Chọn Do không có điện trở 86Ω nên ta chọn hai điện trở mắc nối tiếp là 24R Ta có: 18,45mW

= 0,9 mW

82.152 16RP 4.152 = 24RP 16R = 82Ω/1/10W 24R = 4 Ω/100 W

3 5,17.10.12.

t x = txo = 40µs: - = = (cid:222) 8,4V 10.40

= = (cid:222) . t Vf . xo 15,6V V o oV = (cid:222) 12V

oV oV oV

= = = Vậy chọn: b. Tính điện áp ra khi áp vào thay đổi với SV = 17,5V SV = 32,5V SV =25V oV Vậy ta phải tính toán bộ so sánh sao cho: Khi Khi Khi 8,4V thì đưa về 11,86V 12V thì đưa về 10V 15,6V thì đưa về 8,42V (**)

Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua: nguyenvanbientbd47@gmail.com 31

c. Tính toán mạch so sánh:

R19

R18

Vlm

Vch

R17

R20

out R

Ta có phương trình điện áp nút tại N: - - v V v V + = 0 R

18 +

(cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) + -= + (cid:222) V (cid:247) (cid:231) v out R v lm R 1 R 1 R ł Ł

-= + V v lm R

= = V V V Mà: R R 18 .RR 18 R 20 + R

R Chọn: , R = 17 R R = 19

17 R 20 R 19 +

= = (cid:222) V V V R

+ + -= (cid:222) V . . R 19 R 19 + R R R R 18 RR . 18

18 (

+ -= (cid:222) V R v out R v out R V lm R V lm R

)

out

= - (cid:222) v V V R R

= = Đặt , ko .1 Vk o

)

out

R R 18 = - v (***) V ( Vk o Vk 1 o

Suy ra Từ (**) và (***) ta có hệ phương trình sau:

Đồ án môn học Điện tử ứng dụng