đồ án môn học điện tử ứng dụng mạch ổn áp buck dùng ic555

Nguồn DC
chưa ổn định
Phần tử
điều chỉnh
Lọc Tải
Lấy mẫu
So
sánh
Nguồn xung
Điều chế
Điều chỉnh
điện áp
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua:


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:

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:
1
1
CD
3
2
1
V
O
V
S
L
Q
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua:

- 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:

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
2
2
Điều chế độ
rộng xung
K
Lấy mẫu
So sánh
Tạo điện áp
chuẩn
Nguồn xung
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua:

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

∫
=
x
t
s
dtv
T
v
0
0
1
=
s
x
V
T
t

⇒

T
t
V
V
x
s
=
0
Vì:
sx
VVTt
≤≤⇒≤≤
0
00
Vậy điện áp ra luôn nhỏ hơn điện áp vào.
1.4.3. Phương pháp tính toán ổn áp Buck:
* Sơ đồ mạch:
Hoạt động của mạch chia làm 2 mode:
Mode 1: Ứng với thời gian BJT Q dẫn bão hòa (
0
≈
CEsat
V
)
Bắt đầu khi Q dẫn ở tại thời điểm bằng t = 0, nếu bỏ qua
CEsat
V
thì
⇒=
sD

VV
D tắt.
Dòng ngõ vào chạy qua L, tụ C và tải. Điện áp qua L:
dt
di
Le
L
L
=
Trong thời gian
1
t
thì dòng cuộn dây tăng tuyến tính từ
21
II
→
:
i
L
D
Taûi
V
S
i
O
I
O
Ñieàu khieån
i
C

L
I
C
C
Q
2
1
3
V
O
-
Taûi
i
C
i
O
V
S
C
I
C
+ L
i
S
= i
L
3
3
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua:

0
1
11
12
0
VV
I
Lt
t
I
L
t
II
LVVV
s
sL
−
∆
=⇒
∆
=
−
=−=
(1.1)
Mode 2: Trong khoảng thời gian t
2
.
Bắt đầu khi Q tắt tại t = t
1

. Dòng qua L giảm đột ngột
→
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
21
II
→
cho đến
khi Q dẫn trở lại trong chu kì kế tiếp.
Điện áp ngang qua L:

0
2
22
12
0
V
I
Lt
t
I
L
t
II
LVV
L
∆
=⇒
∆

=
−
==
(1.2)
Từ (1) và (2) ta có:

)(

0000
21
VVV
VIL
V
I
L
VV
I
LttT
s
s
s
−
∆
=
∆
+
−
∆
=+=
(1.3)

Mà:
k
V
V
kV
T
T
VV
s
sso
=⇒==
00

Từ (3) suy ra:
s
s
s
s
s
V
V
V
VV
fLV
VVV
L
T
I
)1(
1

)(
.
0
0
00
−
=
−
=∆

fL
kVk
I
s
)1(
−
=∆
(1.4)

I
∆
: độ gợn dòng đỉnh - đỉnh của cuộn L

I
∆
càng bé thì dòng ra càng bằng phẳng
Theo định luật Kirchoff’s:
0
iii
CL

+=

0
iii
CL
∆+∆=∆⇒
;
0
i
∆
: dòng gợn sóng trên tải, rất nhỏ.

2
I
ii
CL
∆
=∆≈∆⇒
(1.5)
V
O
-
Taûi
i
C
i
O
C
I
C

D
+ L
4
4
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua:

Dòng trung bình trên tụ:

42
1
2
0
I
dt
I
T
I
T
C
∆
=
∆
=
∫
(1.6)
(1.6)
Điện áp trên tụ:
∫
=+=
)0()(

1
)( tvdtti
C
tv
CCC
Điện áp gợn sóng đỉnh-đỉnh của tụ:

fC
I
dt
I
C
dtti
C
vtvVV
TT
CCCC
84
1
)(
1
)0()(
2
0
2
0
0
∆
=
∆

==−=∆=∆
∫∫
(1.7)
Thay
I
∆
từ (4) vào (7), ta được:

LCf
kVk
V
s
C
2
8
)1(
−
=∆
(1.8)
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:

If
kVk
L
s
∆
−
=
)1(

(1.9)

0
2
8
)1(
VLf
kVk
C
s
∆
−
=
(1.10)
5
5
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua:

* Dạng sóng:
V
o
s
V
t

L
i

1
t

2
t


2
I


1
I

t

s
i

2
I

1
I
t

C
i


02
II

−

t

01
II
−


0
vv
C
=

0
v
t
6
6
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua:


0
i

0
I


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 Q
1
và 3 điện trở R có giá trị 5K, 1 cổng NOT.
Sơ đồ vi mạch định thời IC555:
RSFF
Q1
RE
4
+
-
8
2
5
R 5K
R
6
3
7
+
-
S
Q
R 5K
1
R 5K
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.
7
7
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua:

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 Q
o
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:


C
v

CC
V
3

2


CC
V
3
1


1
t

2
t

3
t
t

out
V

1log
ic
V

t
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.
* 0 ≤ t < t
1
: giả sử mạch ở trạng thái không bền ban đầu. Ngõ ra
0
V
= 1
0
=⇒
RSFF
Q
,
BJT Q
1
tắt: không có dòng đổ qua BJT Q
1
⇒
tụ C được nạp điện từ nguồn Vcc qua điện
8
8
IC 555R2
C
Vout
U3
2
5
3
7
6
4

81
TR
CV
Q
DIS
THR
R
VCCGND
Vcc
0.01uF
D
R1
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua:

trở R
1
qua Diode D với chiều như hình vẽ để hướng đến giá trị
CC
V
. Tụ càng nạp thì điện
áp trên tụ càng tăng (
C
v
tăng ) cho đến khi áp trên tụ
CCC
Vvvv
3
2
≥==
)2()6(

. Lúc đó:
01
1:
0:
0
2
1
=⇒=⇒
=→>
=→>
−+
+−
vQ
SvvSS
RvvSS

Mạch chấm dứt thời gian tồn tại trạng thái không bền ban đầu và chuyển sang trạng
thái không bền thứ 2.
*
1
t
≤ t <
2
t
:
Tại thời điểm t = t
1
: mạch tồn tại ở trạng thái không bền thứ 2. Q =1,
0
v

= 0. Vì Q = 1
nên BJT Q
1
dẫn
→
tụ C xả điện tích qua R
2
→ chân số 7 → BJT Q
1
→ 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
CCCCC
VvV
3
2
≤ ≤
3
1
thì ta có:

0:
0:
2
1
=⇒>
=⇒>
+−
+−
SvvSS

RvvSS

⇒
Q vẫn giữ nguyên trạng thái cũ trước đó (Q = 1)
⇒
do đó tụ C tiếp tục xả cho đến
khi
CCC
Vv
3
1
≤

(điện thế ngưỡng của bộ SS1), mà
)2()6(
== vvv
C
nên suy ra:

0:
1:
2
1
=⇒>
=⇒<
+−
+−
SvvSS
RvvSS

10
0
=⇒=⇒
vQ
Mạch chấm dứt thời gian tồn tại ở trạng thái không bền thứ 2 và bắt đầu chuyển sang
trạng thái không bền ban đầu. Vì Q = 0
⇒
BJT Q
1
tắt
⇒
không có dòng đổ qua BJT Q
1
→ tụ C được nạp điện bổ sung (vì nó vẫn còn giữ
Vcc
3
1
do điện thế ở chân số 2 chặn trên)
và quá trình cứ tiếp diễn như vậy để liên tục tạo độ dài xung ra.
c.Tính độ dài xung ra:
Gọi:
1
T
là thời gian ứng với ngõ ra
o
v
= 1

2
T

là thời gian ứng với ngõ ra
o
v
= 0
T là chu kì dao động của mạch : T =
1
T
+
2
T
* Tính
1
T
:
Phương trình nạp của tụ C:
[ ]
)0(1)0()()(
1
C
t
CCC
vevvtv
+









−−∞=
τ
−
9
9
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua:

với v
C
(0) =
3
1
V
CC
, v
C
(∞) = V
CC

CC
t
CCC
VeVtv
3
1
1
3
2
)(

1
+








−=⇒
τ
−
Khi t =
1
T
:
CCC
VTv
3
2
=)(
1

CC
T
CCCC
VeVV
3
1

1
3
2
3
2
1
1
+








−=⇒
τ
−

2ln2ln
2
1
2
1
1
111
1
1
1

1
CRTee
TT
=τ=⇒=⇒=−⇒
τ
−
τ
−
Vậy thời gian nạp của tụ là
11
7,0 CRT
=
(2.1)
* Tính
2
T
:
Phương trình xả của tụ C:

[ ]
)()()0()(
2
∞+∞−=
τ
−
C
t
CCC
vevvtv

với v
C
(0) =
3
2
V
CC
, v
C
(∞) = 0

2
3
2
)(
T
t
CCC
eVtv
−
=⇒
Khi t =
2
T
thì
CCC
VTv
3
1
)(

2
=

22
7,0
3
2
3
1
2
2
CRTeVV
T
CCCC
=⇒=⇒
τ
−
Vậy thời gian xả của tụ C là
22
7,0 CRT
=
(2.2)
T =
1
T
+
2
T
= 0,7C (
21

RR
+
)
Vậy chu kỳ dao động là T = 0,7C (
21
RR
+
) (2.3)
2.3 Mạch dao động đa hài 1 trạng thái bền dùng IC555:
a.Sơ đồ mạch và dạng sóng:
i
v


CC
V

CC
V
3
1
t
1
t

C
v


CC

V
3
2

10
10
Vcc
R
Vi
U3
2
5
3
7
6
4
81
TR
CV
Q
DIS
THR
R
VCCGND
Vout
C
0.01uF
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua:

0
v
t


1log
ic
V


0
T

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

CCi
RSFF
Vv
Q
v
=
=
=
1

0
0

1
==⇒
RS
. Transistor dẫn bão hoà.
Vì tụ C mắc song song với transistor nên
→≈===
VVvvv
CEC
02,0
S)7(
tụ C không
được nạp điện. Mạch luôn tồn tại trạng thái bền.
*
1
t
≤ t <
01
Tt
+
: Mạch ở trạng thái không bền.
t =
1
t
: Mạch được kích khởi bằng tín hiệu kích khởi
CCi
Vv
3

1
≤
đưa vào chân số 2 của
IC555. Ở bộ so sánh 1 có
101
0
=⇒=⇒=⇒<
+−
vQRvv
. 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
⇒
tụ C được nạp điện từ nguồn Vcc qua R. Tụ càng nạp thì áp trên tụ càng
tăng mà
)6(
vv
C
=
nên khi
CCC
Vv
3
2
>
thì ở bộ so sánh 2 có
1
=⇒≤
+−
Svv

, lúc này R
= 0 vì thời gian tồn tại xung kích khá nhỏ
01
0
=⇒=⇒
vQ
. Mạch chấm dứt thời gian
tồn tại trạng thái không bền và bắt đầu chuyển sang trạng thái phục hồi.
* t
01
Tt
+≥
: giai đoạn phục hồi
Do Q = 1,
0
v
= 0
⇒
T dẫn
⇒
tụ xả qua T cho đến khi
0
≈
C
v
. Sau khi kết thúc giai đoạn
phục hồi mạch trở về trạng thái bền ban đầu.
c.Tính độ dài xung ra:

0

T
là thời gian cần thiết để tụ C tăng từ 0
CC
V
3
2
→
Phương trình nạp của tụ :

[ ]
)0(1)0()()(
1
C
t
CCC
vevvtv
+








−−∞=
τ
−
mà
CCC

C
Vv
v
=∞
=
)(
0)0(










−=⇒
τ
−
1
1)(
t
CCC
eVtv

11
11
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua:

Khi t =
0
T

CCC
VTv
3
2
)(
0
=⇒


)1(
3
2
1
0
τ
−
−=⇒
T
CCCC
eVV

3ln
0
RCT
=⇒
(2.a)

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

[ ]
)()()0()(
2
∞+∞−=
τ
−
C
t
CCC
vevvtv

với
0)(,
3
2
)0(
=∞=
CCCC
vVv
khi t =
ph
T
0)(
0log
≈=⇒
icphC
VTv

0log
2
3
2
ic
T
CC
VeV
ph
=⇒
τ
−

CC
ic
T
V
V
e
ph
0log
2
3
2
=⇒
τ
−

0log

3
2
ln
ic
CC
ph
V
V
RCT
=⇒
2.4 Mạch so sánh và khuếch đại:


F
R


1
R
N

1
v

0
v

2
v

2
R


P
R
Phương trình dòng điện tại nút N:

0
0
1
1
=
−
+
−
F
NN
R
Uv
R
Uv

FF
N
R
v
R
v
RR

U
0
1
1
1
11
+=








+

1
1
1
0
11
R
v
RR
U
R
v
F
N

F
−








+=⇒
12
12
r
c
d
k
d relay
r
c
scr
k
d relay
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua:


1
11
0
1 v

R
R
R
R
Uv
FF
N
−








+=⇒
Mà
F
F
P
P
PN
R
RR
v
R
RR
v
UU

+
=
+
==
1
2
2
2
( chọn
21
, RRRR
PF
==
)

( ) ( )
12
1
120
vvk
R
R
vvv
F
−=−=⇒
2.5 Mạch vi phân:
i
v

CC
V
t

0
v

1
t

2
t

3
t


CC
V

i
v

0
v
t
Mạch xén dung để tạo điện áp kích cho IC555 Monostable.
*
CCi

Vvtt
=<≤
:0
1
, tụ không được nạp
Điện áp ra:
CCi
Vvv
==
0
*
i
vttt :
21
<≤
=0, tụ được nạp từ nguồn
CC
V
qua R hướng đến giá trị
CC
V
, áp ra tăng từ 0
→
gần
CC
V
*
CCi
Vvttt
=<≤

:
32
, tụ C xả điện qua D và R cho đến khi
Vv
C
0
=
và điện áp ra
CCi
Vvv
≈≈
0
2.6 Mạch bảo vệ:
a.Bảo vệ ngắn mạch:
Khi bị ngắn mạch ở tải dòng qua
g
R
tăng
⇒>⇒
gSCRR
VV
g
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.
RC : chống lại sự tăng

dt
du

C : vài chục nF đến 1μF
13
13
q
c
d
+
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua:

R : vài chục Ω đến 100Ω
b. Mạch bảo vệ dưới áp và quá áp:
Khi điện áp vào nằm trong phạm
cho phép thì
21
,QQ
tắt. Relay
không có dòng điện, tiếp điểm
Relay đóng. Mạch hoạt động bình
thường. Nếu áp vào tăng làm cho
Za
D

a
Q

Za
D

đến ngưỡng dẫn
a
Q
→
dẫn
1
Q
→
dẫn
→
Relay tác động ngắt
mạch. Nếu áp vào giảm xuống,
làm cho
Zb
D
xuống mức ngưỡng
dẫn
b
Q
→
tắt
Zb
D

b
Q

2
Q
→

dẫn
→
Relay tác động ngắt
2
Q

mạch.
2.7 Mạch cấp nguồn:
S
v
Khi áp vào tăng thì:

=
beQ
V
const
=⇒
0
V
const

ZZ
DbeQD
VVVVV
≈++=
γ
0
Tụ C để ổn định điện áp và chống nhiễu

Z

D
2.8 Tính công suất tiêu tán của Transistor chuyển mạch:

max
C
I


Ces
V
t

R
T

sat
T

F
T

0
T

14
14
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua:

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 :
fsatr
PPPP
++=

*
r
Tt
≤≤
0

r
CC
T
t
ItI
max
)(
=


s
r
r
s
r
sces
ce

V
T
tT
Vt
T
VV
tV
−
≈+
−
=
)(

*Trong giai đoạn bão hoà:

bsesccessat
IVIVP
+=
max

*Trong giai đoạn
f
T
:

max
)(
c
f
f

c
I
T
tT
tI
−
=

t
T
V
Vt
T
VV
tV
f
s
ces
f
cess
ce
≈+
−
=
)(
Công suất trong thời gian
0
T
là:
P =

( )
∫∫
+++
f
r
T
cecbsbescces
sat
T
cec
dttVtI
T
IVIV
T
T
dttVtI
T
0
0
max
0
0
0
)()(
1
)()(
1
Ta có : *
( )
∫ ∫

−
=
r r
T
r
r
s
T
ccec
dt
T
tTt
VI
T
dttVtI
T
0
2
0
max
00
1
)()(
1

∫









−=
r
T
r
r
sc
dt
T
t
T
t
T
VI
0
2
2
0
max

r
T
r
r
sc
T
t

T
t
T
VI
0
2
32
0
max
3
2








−=







−=
32
0

max
rr
sc
TT
T
VI

0
max
6T
TVI
rsc
=
(*)
15
15
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua:

*
( )
∫ ∫
−
=
f f
T T
f
f
sccec
dt
T

tTt
VI
T
dttVtI
T
0 0
2
max
00
1
)()(
1


0
max
6T
TVI
fsc
=
(**)
Thay (*) và (**) vào P:
P =
0
max
0
max
0
max
66 T

IVIV
T
T
TVI
T
TVI
bsbescces
sat
fsc
rsc
+
++

( )
( )
bsbescces
sat
fr
sc
IVIV
T
T
TT
T
VI
+++=
max
00
max
6

(2.5)
2.9 Tính cuộn dây L:
Hệ số tự cảm L được tính theo công thức: L =
µ
π
−
l
SN
27
10.4
(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 )

⇒
số vòng dây N =
µπ
−
S
lL
7
10.4
.
(2.7)
16
16
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua:

PHẦN B : PHẦN TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
Yêu cầu :
17
17
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua:

* Điện áp vào:
DC
V
= 25v
±
30%
* Điện áp ra:
0
V
= 12v
* Độ gợn dòng đỉnh_đỉnh: ΔI = 0,01A
* Độ gợn áp đỉnh_đỉnh: ΔV = 0,01v
* Dòng trung bình:
0
I
= 10A
* Tần số làm việc: f = 12 kHz
* Dùng IC555 để điều chế độ rộng xung
TÁC DỤNG CỦA CÁC LINH KIỆN
*
asa
VRR ,
: phân áp, chọn điện áp ngưỡng.

*
za
D
: làm cho mạch chuyển đổi trạng thái nhanh.
*
1
,QQ
a
: bảo vệ quá áp.
* K: công tắc Reset.
*
2
,QQ
b
: bảo vệ dưới áp.
*
3
, RR
a
: điện trở tăng tốc độ chuyển đổi trạng thái.
*
bzbbsb
VRRRDRR ,,,,,
'
32
: tương tự như mạch bảo vệ quá áp.
* Relay : Đóng ngắt mạch điện .
*
4
R

: điện trở hạn dòng cho SCR.
*
g
R
: lấy áp kích cho SCR khi ngắn mạch.
*
15
,CR
: mạch có tác dụng hạn chế kích dẫn cho SCR.
*
3126
,,, QDDR
z
: cấp nguồn cho các mạch hoạt động.
*
2
D
: bù nhiệt cho
1
z
D
.
*
6
R
: định thiên dòng cho diode
1
z
D
.

*
8
C
: tụ lọc nguồn, tránh nhiễu, ổn định điện áp.
18
18
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua:

*
1
D
: bảo vệ cho SCR.
*
2287
,,, CVRRR
: xác định thời hằng cho mạch Astable.
*
3
D
: tách đường nạp và xả thành hai đường.
* IC555(1): mạch dao động không trạng thái bền .
*
49
,CR
: mạch vi phân, tạo xung kích cho Monostable.
*
,,,
5310
CVRR
IC555(2): mạch điều chế độ rộng xung.

*
1211
, RR
: điện trở phân cực cho
4
Q
.
*
4
Q
: transistor chuyển mạch , đóng hoặc mở sẻ làm cho
5
Q
,
6
Q
dẫn hay tắt.
*
7
C
: làm cho
4
Q
chuyển đổi trạng thái nhanh hơn.
*
13
R
: điện trở tải của
4
Q

.
*
11
R
: ổn định, tăng tốc độ chuyển đổi.
*
5
Q
: ghép Darlington bổ phụ với
6
Q
.
*
6
Q
: transistor chuyển mạch.
*
5
D
: đảm bảo cho
6
Q
dẫn bão hoà.
*
15
R
: tăng tốc độ chuyển đổi.
*
6
,CL

: mạch lọc, tích luỹ năng lượng trong thời gian
5
Q
,
6
Q
dẫn để cung cấp năng
lưọng cho mạch khi
5
Q
,
6
Q
tắt.
*
2616
,,
z
DDR
: tạo điện áp chuẩn để đưa đến mạch so sánh.
*
22321
,, RVRR
: lấy mẫu tín hiệu ra để đưa đến mạch so sánh.
*
3
VR
: thay đổi điện áp chuẩn.
*
)1(741,,,,

20191817
ARRRR
µ
: mạch so sánh.
*
)2(741A
µ
: OP_AMP đệm.
*
4
VR
: hiệu chỉnh để thoả mãn độ gợn áp ra.


19
19
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua:

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:

)(7.0
7121
RVRCT
+=

Chọn
1
T
= T/2
f
RVRC
2
1
)(7.0
712
=+⇒

=+⇒
71
RVR
2
4,1
1
fC
Chọn C2 = 22nF
Suy ra
==+
−
93
71
10.22.10.12.4,1
1
RVR
2,7kΩ
Chọn

7
R
= 2kΩ →
1
VR
=0,7kΩ
Chọn
7
R
= 2kΩ ,
1
VR
=1kΩ.
Theo (2.3) chu kỳ dao động của mạch là:
20
20
Vcc
C4 D4R9
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua:


f
VRRRCT
1
)(7,0
1872
=++=

2
187

7,0
1
fC
VRRR
=++⇒
93
10.22.10.12.7,0
1
−
=
=5,411kΩ

8
R
⇒
= 5,411- 2,7 = 2,711kΩ
Chọn
8
R
là điện trở 2kΩ và 0,8kΩ
Dòng nạp tối đa cho tụ C2 là:

7,3
7,2
10
3
2
17
R
7

==
+
=
VRR
V
I
CC
mA
Công suất tiêu tán trên
7
R
là:

===
32
7
2
10.2.)7,3(
77
RIP
RR
27,37 mW
Công suất tiêu tán trên
1
VR
là:

===
800.)7,3(
2

1
2
71
VRIP
RVR
10,952 mW
Dòng tối đa qua
8
R
là:

711,2
10
3
2
8
R
8
==
R
V
I
CC
= 3,689 mA
Công suất tiêu tán trên
8
R
là:

===

32
8
2
10.711,2.)689,3(
88
RIP
RR
36,89 mW
Chọn
10
1
/2
7
Ω=
kR
W

10
1
/711,2
8
Ω=
kR
W

10
1
/1
1
Ω=

kVR
W
Chọn D
3
là loại 1N4001 với
D
V
= 0,6V ,
=
D
I
10mA
Chọn tụ
=
3
C
0,01μF để chống nhiễu.
2. Tính mạch xén:
Khi điện áp ngõ ra của mạch Astable ở mức logic 0.
Tụ C
4
được nạp từ Vcc qua R
9
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 C
4

là:

[ ]
)0(1)0()()(
4444
C
t
CCC
VeVVtv
+






−−∞=
τ
−
21
21
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua:

Trong đó :
0)0(
4
=
C
V

CCC
VV
=∞
)(
4








−=⇒
τ
−
t
CCC
eVtV 1)(
4
Gọi t1 là thời gian tụ C4 nạp được 1/3Vcc

CC
t
CCC
VeVtV
3
1
1)(
1

4
=






−=⇒
τ
−

5,1ln.
491
CRt
=⇒
(*)
Gọi tx là thời gian tồn tại xung của mạch Monotable
Gọi Vo là điện áp ra của ổn áp.
Ta có:
s
x
t
s
V
T
t
dtV
T
V

x
==
∫
0
0
1

fV
V
T
V
V
t
ss
x
.
00
==⇒

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

s
= 25
==⇒
3
0
10.12.25
12
x
t
40 μs
Khi V
s
= 17,5
==⇒
3
max
10.12.5,17
12
x
t
57 μs
Khi V
s
= 32,5
==⇒
3
min
10.12.5,32
12
x

t
30μs
Để đảm bảo độ rộng xung kích nhỏ hơn t
x
chọn:

==≤
30
5
1
5
1
min1
x
tt
6 μs

6
49
10.15
5,1ln
6
−
==⇒
CR

Chọn C4 = 22nF

==⇒
−

−
9
6
9
10.22
10.15
R
681Ω
Chọn R
9
là 700Ω
Công suất tiêu tán trung bình của R
9
:
22
22
8
4
7
6
2
1
5
3
Vcc
C5
vi
R10
VR2
IC555

Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua:








−=
τ
−
t
CCC
eVtV 1)(
19

τ
−
=⇒
t
CCR
eVtv )(
9

dt
R
eV
T
dt

R
tv
T
P
t t
t
CCR
tbR
∫ ∫
τ
−
==⇒
1 1
0 0
9
2
2
9
2
9
9
1
)(
1
=









−
−
4.9
2
4
2
1
1
2
CR
t
CC
e
T
CV
Mà
====
−
93
2821
10.22.10.711,2.7,07,0 CRTt
41,7μs

=









−=⇒
−
−
15
7,41.2
392
9
1
2
10.12.10.22.15
eP
tbR
29,58mW
Vậy chọn
700
9
=
R
Ω/
10
1
W
Chọn D
4
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:

01025
3ln)(
x
tRVRCT
=+=

4,36
3ln
10.40
)(
6
1025
==+⇒
−
RVRC
μs
Chọn
5
C
= 2,2 nF

=+⇒
210

VRR
16,55 kΩ
Chọn
Ω=⇒Ω=
55016
210
VRkR

Chọn
2
VR
là biến trở 1kΩ
Dòng nạp cực đại cho tụ
5
C
là:
6,0
55,16
10
3
2
210
R10
==
+
=
VRR
V
I
CC

mA
Công suất tiêu tán trên
10
R
là:
76,510.16.10.)6,0(.
362
10
2
1010
===
−
RIP
RR
mW
Công suất tiêu tán trên
2
VR
là:
36,010.10.)6,0(
362
2
==
−
VR
P
mW
Vậy chọn
10
R

= 16 kΩ/
10
1
W

2
VR
= 1 kΩ/
100
1
W
23
23
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua:

Ta c ó:
41,3610).55,016(10.2,2)(
39
21055
=+=+=τ
−
VRRC
µs
Phương trình nạp của tụ
5
C
:










−=
τ
−
5
1)(
5
t
CCC
eVtv
Khi
min
SS
VV
=
= 17,5V
==⇔
max
xx
tt
57 μs

=−=⇒
−
)1(15

41,36
57
5
eV
C
11,86 V
Khi
SoS
VV
=
= 25V
⇔
xox
tt
=
= 40 μs

=−=⇒
−
)1(15
41,36
40
5
eV
C
10V
Khi
max
SS
VV

=
= 32,5V
min
xx
tt
=⇔
= 30 μs

=−=⇒
−
)1(15
41,36
30
5
eV
C
8,42 V
4. Tính mạch lọc:
Theo đề: ∆V = 0,01 V
∆I = 0,01 A
Theo (1.9) ta có:
( )
If
Vkk
L
S
∆
−
=
.

.1
với:
====
25
12
0
S
x
V
V
T
t
k
0,48
suy ra:
( )
=
−
=
01,0.10.12
25.48,0.48,01
3
L
52 mH
Vậy L = 52 mH
Theo (1.10) ta có:
==
∆
∆
=

∆
−
=
01,0.10.12.8
01,0
8
8
)1(
32
6
Vf
I
VLf
kVk
C
S
10,4µF
Chọn
=
6
C
11µF
* 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:

l
SN
L
µπ
=
−
10.4
27
24
24
Q6
D5
Q5
R14
R15
R13
Q4
C7
R11
R12
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG chinhsua:


µπ
=⇒
−
10.4

.
7
S
Ll
N
Với µ = 1000
1000.
4
)01,0(
.10.4
10.52.04,0
2
7
3
ππ
=⇒
−
−
N
= 144 vòng
Với µ = 6000
6000.
4
)01,0(
.10.4
10.52.04,0
2
7
3
ππ

=⇒
−
−
N
= 59 vòng
Chọn
6
D
*Điện áp ngược cực đại khoảng (3÷4)V
s
*Dòng trung bình thuận
F
I
> 10A
Chọn
6
D
là 1N5410 có :

KA
V
= 200V

F
I
= 15 A
5. Tính mạch điều khiển:
65
,QQ
là transistor chuyển mạch chỉ làm việc trong

thời gian có xung ra ở đầu ra của mạchmonotable.
Khi
65
,QQ
dẫn thì nguồn DC được đưa đến đầu ra,
khi
65
,QQ
tắt thì cắt nguồn DC ra khỏi mạch.
Dòng trung bình ngõ vào:
0S
.IkI
=
= 0,48.10 = 4,8A
Mà :
R14CSQ5SQ6S
IIII
C
++=
Dòng chảy qua
6
Q
lớn nhất , Chọn
SQ6
I
= 4,6A
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
*Ở đây tính toán với
fr
TT
=
= 1µs.
Theo (2.5) ta có:
Công suất của
6
Q
là:

( )
bsbesCces
sat
f
SC
IVIV
T
T
T
T
VI
P
++=
max
00
max
.3
.

*Chọn BJT có
min
β
= 30
25
25