Đồ án môn học điện tử ứng dụng
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (536.91 KB, 31 trang )
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
Trang 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:
Nguồn DC
chưa ổn định
Nguồn xung
Phần tử
điều chỉnh
Điều chế
Lọc
So
sánh
Tải
Lấy mẫu
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:
Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng – Khoa Điện tử Viễn thông – Lớp 03ĐT2
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
Trang 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:
3
VS
Q
L
1
VO
2
D
C
Lấy mẫu
Điều chế độ
rộng xung
Nguồn xung
K
So sánh
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
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.
Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng – Khoa Điện tử Viễn thông – Lớp 03ĐT2
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
Trang 3
Điện áp trung bình trên tải:
t
t
1 x
v0 = ∫ v s dt = x Vs
T
T 0
V0 t x
⇒
=
Vs T
Vì:
0 ≤ t x ≤ T ⇒ 0 ≤ V0 ≤ V s
Vậy điện áp ra luôn nhỏ hơn điện áp vào.
1.4.3. Phương pháp tính toán ổn áp Buck:
* Sơ đồ mạch:
VS
2
Q
L
3
iL
1
iC I C
C
D
iO I O
Taûi
Ñieàu khieån
Hoạt động của mạch chia làm 2 mode:
Mode 1: Ứng với thời gian BJT Q dẫn bão hòa ( VCEsat ≈ 0 )
+
iS = iL
VS
L iC
IC
C
iO
VO
Taûi
Bắt đầu khi Q dẫn ở tại thời điểm bằng t = 0, nếu bỏ qua V CEsat thì VD = Vs ⇒ D tắt.
di
Dòng ngõ vào chạy qua L, tụ C và tải. Điện áp qua L: e L = L L
dt
Trong thời gian t1 thì dòng cuộn dây tăng tuyến tính từ I1 → I 2 :
I −I
ΔI
ΔI
VL = Vs − V0 = L 2 1 = L
⇒ t1 = L
(1.1)
t1
t1
Vs − V0
Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng – Khoa Điện tử Viễn thông – Lớp 03ĐT2
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
Trang 4
Mode 2: Trong khoảng thời gian t2.
+
D
L iC
IC
C
iO
VO
Taûi
Bắt đầu khi Q tắt tại t = t1. 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 I1 → I 2 cho đến
khi Q dẫn trở lại trong chu kì kế tiếp.
Điện áp ngang qua L:
I −I
ΔI
ΔI
VL = V0 = L 2 1 = L
⇒ t2 = L
(1.2)
t2
t2
V0
Từ (1) và (2) ta có:
L.ΔI .Vs
ΔI
ΔI
T = t1 + t 2 = L
+L
=
(1.3)
Vs − V0
V0 V0 (Vs − V0 )
T
V
Mà:
Vo = Vs 0 = kVs ⇒ 0 = k
T
Vs
V
V0Vs (1 − 0 )
Vs
T V (V − V0 ) 1
=
Từ (3) suy ra: ΔI = . 0 s
L
Vs
fL
Vs
(1 − k )kVs
ΔI =
(1.4)
fL
ΔI : độ gợn dòng đỉnh - đỉnh của cuộn L
ΔI càng bé thì dòng ra càng bằng phẳng
Theo định luật Kirchoff’s: i L = iC + i0
⇒ Δi L = ΔiC + Δi0 ; Δi0 : dòng gợn sóng trên tải, rất nhỏ.
ΔI
⇒ Δi L ≈ ΔiC =
(1.5)
2
Dòng trung bình trên tụ:
T
ΔI
ΔI
dt =
4
0 2
1
Điện áp trên tụ: vC (t ) = ∫ iC (t )dt + vC (t = 0)
C
1
IC =
T
2
∫
Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng – Khoa Điện tử Viễn thông – Lớp 03ĐT2
(1.6)
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
Trang 5
Điện áp gợn sóng đỉnh-đỉnh của tụ:
T
T
ΔI
1 2
1 2 ΔI
i
t
dt
(1.7)
ΔV0 = ΔVC = vC (t ) − vC (0) =
=
(
)
dt =
C
∫
∫
C 0
C 0 4
8 fC
Thay ΔI từ (4) vào (7), ta được:
(1 − k )kVs
(1.8)
ΔVC =
8 f 2 LC
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 − k )kVs
(1.9)
L=
fΔI
(1 − k )kVs
C=
(1.10)
8 f 2 LΔV0
Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng – Khoa Điện tử Viễn thông – Lớp 03ĐT2
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
Trang 6
* Dạng sóng:
Vo
Vs
t
iL
I2
t1
t2
I1
t
is
I2
I1
t
iC
I2 − I0
I1 − I 0
t
vC = v 0
v0
t
i0
I0
t
Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng – Khoa Điện tử Viễn thông – Lớp 03ĐT2
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
Trang 7
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.
Sơ đồ vi mạch định thời IC555:
8
R
4
5K
6
5
+
-
R
5K
2
7
RE
RSFF Q
+
-
R
S
3
R
5K
Q1
1
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.
Chân 8: nguồn Vcc, bộ Opamp SS2 có mức ngưỡng điện thế là 2/3Vcc, bộ SS1 có
điện thế ngưỡng là 1/3Vcc.
Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng – Khoa Điện tử Viễn thông – Lớp 03ĐT2
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
Trang 8
Bảng trạng thái:
S
R
Q
0
0
1
1
0
1
0
1
Qo
0
1
x
2.2 Mạch dao động đa hài không trạng thái bền dùng IC555:
a. Sơ đồ mạch và dạng sóng:
Vcc
vC
7
Q
3
Vout
TR
t1
t2
t3
t
Vout
CV
THR
1
2
C
4
IC 555
6
1 V
3 CC
5
R2
GND
D
DIS
R
U3
VCC
R1
8
2 V
3 CC
0.01uF
Vlog ic1
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 < t1: giả sử mạch ở trạng thái không bền ban đầu. Ngõ ra V0 = 1 ⇒ Q RSFF = 0 ,
BJT Q1 tắt: không có dòng đổ qua BJT Q1 ⇒ tụ C được nạp điện từ nguồn Vcc qua điện
trở R1 qua Diode D với chiều như hình vẽ để hướng đến giá trị VCC . Tụ càng nạp thì điện
2
áp trên tụ càng tăng ( vC tăng ) cho đến khi áp trên tụ vC = v( 6) = v( 2) ≥ VCC . Lúc đó:
3
−
+
SS1 : v > v → R = 0
SS 2 : v + > v − → S = 1
⇒ Q = 1 ⇒ v0 = 0
Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng – Khoa Điện tử Viễn thông – Lớp 03ĐT2
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
Trang 9
Mạch chấm dứt thời gian tồn tại trạng thái không bền ban đầu và chuyển sang trạng
thái không bền thứ 2.
* t1 ≤ t < t 2 :
Tại thời điểm t = t1: mạch tồn tại ở trạng thái không bền thứ 2. Q =1, v0 = 0. Vì Q = 1
nên BJT Q1 dẫn → 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
1
2
điện áp trên tụ C giảm đến giá trị VCC ≤ vC ≤ VCC thì ta có:
3
3
−
+
SS1 : v > v ⇒ R = 0
SS 2 : v − > v + ⇒ S = 0
⇒ Q vẫn giữ nguyên trạng thái cũ trước đó (Q = 1) ⇒ do đó tụ C tiếp tục xả cho đến
1
khi vC ≤ VCC (điện thế ngưỡng của bộ SS1), mà vC = v(6) = v( 2) nên suy ra:
3
SS1 : v − < v + ⇒ R = 1
⇒ Q = 0 ⇒ v0 = 1
−
+
SS 2 : v > v ⇒ S = 0
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 Q1 tắt ⇒ không có dòng đổ qua BJT Q1
1
→ tụ C được nạp điện bổ sung (vì nó vẫn còn giữ Vcc do điện thế ở chân số 2 chặn trên)
3
và quá trình cứ tiếp diễn như vậy để liên tục tạo độ dài xung ra.
c.Tính độ dài xung ra:
Gọi: T1 là thời gian ứng với ngõ ra vo = 1
T2 là thời gian ứng với ngõ ra vo = 0
T là chu kì dao động của mạch : T = T1 + T2
* Tính T1 :
Phương trình nạp của tụ C:
− t ⎞
⎛
vC (t ) = [vC (∞) − vC (0)]⎜⎜1 − e τ1 ⎟⎟ + vC (0)
⎝
⎠
1
với vC (0) = VCC , vC (∞) = VCC
3
− t ⎞
⎛
2
VCC ⎜⎜1 − e τ1 ⎟⎟ + 1 VCC
⇒ vC (t ) =
3
3
⎠
⎝
2
Khi t = T1 : vC (T1 ) = VCC
3
Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng – Khoa Điện tử Viễn thông – Lớp 03ĐT2
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
T
⎛
−1 ⎞
= 2 VCC ⎜1 − e τ1 ⎟ + 1 VCC
3
3
⎜
⎟
⎝
⎠
⇒ 2 VCC
3
−T1
Trang 10
T
−1
1
1
⇒ 1− e
= ⇒ e τ1 = ⇒ T1 = τ1 ln 2 = CR1 ln 2
2
2
Vậy thời gian nạp của tụ là T1 = 0,7CR1
* Tính T2 :
Phương trình xả của tụ C:
τ1
vC (t ) = [vC (0) − vC (∞)] e
2
với vC (0) = VCC , vC (∞) = 0
3
− t
τ2
(2.1)
+ vC (∞)
− t
7
6
DIS
4
R
R
VCC
U3
8
⇒ vC (t ) = 2 VCC e T2
3
Khi t = T2 thì vC (T2 ) = 1 VCC
3
T
− 2
1
2
⇒ VCC = VCC e τ2 ⇒ T2 = 0,7CR2
3
3
Vậy thời gian xả của tụ C là T2 = 0,7CR2
T = T1 + T2 = 0,7C ( R1 + R2 )
Vậy chu kỳ dao động là T = 0,7C ( R1 + R2 )
2.3 Mạch dao động đa hài 1 trạng thái bền dùng IC555:
a.Sơ đồ mạch và dạng sóng:
vi
VCC
Vcc
THR
3
CV
Vout
(2.3)
t1
t
v0
t
5
C
TR
1
2
Vi
GND
Q
1
V
3 CC
vC
2
V
3 CC
(2.2)
0.01uF
Vlog ic1
T0
t
Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng – Khoa Điện tử Viễn thông – Lớp 03ĐT2
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
Trang 11
b. Nguyên lý hoạt động:
* 0 ≤ t < t1 : Mạch ở trạng thái bền
v0 = 0
Q RSFF = 1
⇒ S = R = 1 . Transistor dẫn bão hoà.
vi = VCC
Vì tụ C mắc song song với transistor nên vC = v( 7 ) = vCES = 0,2V ≈ 0V → tụ C không
được nạp điện. Mạch luôn tồn tại trạng thái bền.
* t1 ≤ t < t1 + T0 : Mạch ở trạng thái không bền.
1
t = t1 : Mạch được kích khởi bằng tín hiệu kích khởi vi ≤ VCC đưa vào chân số 2 của
3
−
+
IC555. Ở bộ so sánh 1 có v < v ⇒ R = 1 ⇒ Q = 0 ⇒ v0 = 1 . 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 vC = v( 6) nên khi vC > 2 VCC thì ở bộ so sánh 2 có v − ≤ v + ⇒ S = 1 , lúc này R
3
= 0 vì thời gian tồn tại xung kích khá nhỏ ⇒ Q = 1 ⇒ v0 = 0 . Mạch chấm dứt thời gian
tồn tại trạng thái không bền và bắt đầu chuyển sang trạng thái phục hồi.
* t ≥ t1 + T0 : giai đoạn phục hồi
Do Q = 1, v0 = 0 ⇒ T dẫn ⇒ tụ xả qua T cho đến khi vC ≈ 0 . Sau khi kết thúc giai đoạn
phục hồi mạch trở về trạng thái bền ban đầu.
c.Tính độ dài xung ra:
T0 là thời gian cần thiết để tụ C tăng từ 0 → 2 VCC
3
Phương trình nạp của tụ :
− t ⎞
vC (0) = 0
⎛
⎜
vC (t ) = [vC (∞) − vC (0)]⎜1 − e τ1 ⎟⎟ + vC (0) mà
vC (∞) = VCC
⎝
⎠
− t ⎞
⎛
⇒ vC (t ) = VCC ⎜⎜1 − e τ1 ⎟⎟
⎝
⎠
Khi t = T0 ⇒ vC (T0 ) = 2 VCC
3
⇒ 2 VCC = VCC (1 − e
3
⇒ T0 = RC ln 3
* Tính thời gian phục hồi:
Phương trình xả của tụ:
T
− 0
τ1
)
(2.a)
Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng – Khoa Điện tử Viễn thông – Lớp 03ĐT2
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
vC (t ) = [vC (0) − vC (∞)]e
− t
τ2
Trang 12
+ v C (∞ )
với vC (0) = 2 VCC , vC (∞) = 0
3
khi t = T ph ⇒ vC (T ph ) = Vlog ic 0 ≈ 0
⇒ 2 VCC e
3
⇒e
T
− ph
τ2
T
− ph
=3
τ2
= Vlog ic 0
Vlog ic 0
2 V
CC
VCC
⇒ T ph = RC ln 2
3V
log ic 0
2.4 Mạch so sánh và khuếch đại:
RF
R1
N
v0
v1
v2
R2
RP
Phương trình dòng điện tại nút N:
v1 − U N v0 − U N
+
=0
R1
RF
⎛ 1
1 ⎞ v1 v0
⎟⎟ =
+
U N ⎜⎜ +
R
R
R
RF
⎝ 1
F ⎠
1
⎛ 1
v
1 ⎞ v1
⎟⎟ −
⇒ 0 = U N ⎜⎜ +
RF
R
R
⎝ 1
F ⎠ R1
⎛ R ⎞ R
⇒ v0 = U N ⎜⎜1 + F ⎟⎟ − F v1
R1 ⎠ R1
⎝
v2
v2
RP =
Mà U N = U P =
RF
R2 + R P
R1 + R F
R
⇒ v0 = (v 2 − v1 ) F = k (v 2 − v1 )
R1
2.5 Mạch vi phân:
( chọn RF = RP , R1 = R2 )
Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng – Khoa Điện tử Viễn thông – Lớp 03ĐT2
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
Trang 13
vi
t
VCC
v0
r
d
t2
t3
VCC
c
vi
t1
v0
t
Mạch xén dung để tạo điện áp kích cho IC555 Monostable.
* 0 ≤ t < t1 : vi = VCC , tụ không được nạp
Điện áp ra: v0 = vi = VCC
* t1 ≤ t < t 2 : vi =0, tụ được nạp từ nguồn VCC qua R hướng đến giá trị VCC , áp ra tăng từ
0 → gần VCC
* t 2 ≤ t < t 3 : vi = VCC , tụ C xả điện qua D và R cho đến khi vC = 0V và điện áp ra
v0 ≈ vi ≈ VCC
2.6 Mạch bảo vệ:
k
a.Bảo vệ ngắn mạch:
Khi bị ngắn mạch ở tải dòng qua R g tăng
⇒ V Rg > V gSCR ⇒ SCR dẫn có dòng qua Relay làm
d
relay
Cho Relay ngắn mạch phía sau
r
Khóa K làm tiếp điểm thường đóng. Khi SCR
scr
c
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.
k
RC : chống lại sự tăng du
dt
C : vài chục nF đến 1μF
d
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 Q1 , Q2 tắt. Relay
không có dòng điện, tiếp điểm
Relay đóng. Mạch hoạt động bình
DZa
Qa
thường. Nếu áp vào tăng làm cho
DZa đến ngưỡng dẫn → Qa dẫn
relay
Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng – Khoa Điện tử Viễn thông – Lớp 03ĐT2
Trang 14
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
→ Q1 dẫn → Relay tác động ngắt
mạch. Nếu áp vào giảm xuống,
làm cho DZb xuống mức ngưỡng
dẫn → Qb tắt
→ Q2 dẫn → Relay tác động ngắt
mạch.
DZb
Qb
Q2
2.7 Mạch cấp nguồn:
Khi áp vào tăng thì:
VbeQ = const ⇒ V0 = const
vS
V0 = V DZ + Vγ + VbeQ ≈ V DZ
Tụ C để ổn định điện áp và chống nhiễu
q
+
d
c
DZ
2.8 Tính công suất tiêu tán của Transistor chuyển mạch:
I C max
t
VCes
TR
Tsat
TF
T0
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 : P = Pr + Psat + Pf
* 0 ≤ t ≤ Tr
t
I C (t ) = I C max
Tr
Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng – Khoa Điện tử Viễn thông – Lớp 03ĐT2
Trang 15
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
Vces − Vs
T −t
Vs
t + Vs ≈ r
Tr
Tr
*Trong giai đoạn bão hoà:
Psat = Vces I c max + Ves I bs
*Trong giai đoạn T f :
Vce (t ) =
Tf − t
I c (t ) =
Tf
Vce (t ) =
I c max
Vs − Vces
V
t + Vces ≈ s t
Tf
Tf
Công suất trong thời gian T0 là:
1
P=
T0
1
Ta có : *
T0
Tr
Tsat
1
(
)
I
(
t
)
V
(
t
)
dt
+
V
I
+
V
I
+
ces
c
bes
bs
max
c
ce
∫
T0
T0
0
Tr
1
(
)
(
)
=
I
t
V
t
dt
c
ce
∫
T0
0
Tr
t (Tr − t )
0
Tr2
∫ I c maxVs
I
V
= c max s
T0
dt
t
t 2 ⎞⎟
⎜
∫ ⎜ T − T 2 ⎟dt
0⎝ r
r ⎠
T
r
⎡ t2
t3 ⎤
− 2⎥
⎢
⎢⎣ 2Tr 3Tr ⎥⎦ 0
I
V ⎛T T ⎞
= c max s ⎜ r − r ⎟
3⎠
T0 ⎝ 2
I
VT
= c max s r
6T0
Tf
∫
0
1
I c (t )Vce (t )dt =
T0
=
∫ I c (t )Vce (t )dt
0
Tr ⎛
I
V
= c max s
T0
1
*
T0
Tf
Tf
∫
I c maxVs
0
(
t Tf − t
T f2
(*)
)
dt
I c maxVs T f
6T0
(**)
Thay (*) và (**) vào P:
I c maxVs T f
I
VT
V I
+ Vbes I bs
P = c max s r +
+ Tsat ces c max
6T0
6T0
T0
Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng – Khoa Điện tử Viễn thông – Lớp 03ĐT2
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
=
(
)
T
I c maxVs
Tr + T f + sat (Vces I c max + Vbes I bs )
6T0
T0
Trang 16
(2.5)
2.9 Tính cuộn dây L:
4π.10 −7 N 2 S
Hệ số tự cảm L được tính theo công thức: L =
μ
l
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 )
L.l
⇒ số vòng dây N =
4π.10 −7 Sμ
(2.6)
(2.7)
Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng – Khoa Điện tử Viễn thông – Lớp 03ĐT2
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
Trang 17
PHẦN B : PHẦN TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
Yêu cầu :
* Điện áp vào: V DC = 25v ± 30%
* Điện áp ra: V0 = 12v
* Độ gợn dòng đỉnh_đỉnh: ΔI = 0,01A
* Độ gợn áp đỉnh_đỉnh: ΔV = 0,01v
* Dòng trung bình: I 0 = 10A
* Tần số làm việc: f = 12 kHz
* Dùng IC555 để điều chế độ rộng xung
Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng – Khoa Điện tử Viễn thông – Lớp 03ĐT2
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
Trang 18
TÁC DỤNG CỦA CÁC LINH KIỆN
* Rsa ,VRa : phân áp, chọn điện áp ngưỡng.
* D za : làm cho mạch chuyển đổi trạng thái nhanh.
* Qa ,Q1 : bảo vệ quá áp.
* K: công tắc Reset.
* Qb ,Q2 : bảo vệ dưới áp.
* R a , R 3 : điện trở tăng tốc độ chuyển đổi trạng thái.
* Rsb , Rb , D zb , R2 , R3' , VRb : tương tự như mạch bảo vệ quá áp.
* Relay : Đóng ngắt mạch điện .
* R4 : điện trở hạn dòng cho SCR.
* R g : lấy áp kích cho SCR khi ngắn mạch.
* R5 ,C1 : mạch có tác dụng hạn chế kích dẫn cho SCR.
* R6 , D2 , D z1 , Q3 : cấp nguồn cho các mạch hoạt động.
* D2 : bù nhiệt cho D z1 .
* R6 : định thiên dòng cho diode D z1 .
* C8 : tụ lọc nguồn, tránh nhiễu, ổn định điện áp.
* D1 : bảo vệ cho SCR.
* R7 , R8 ,VR2 , C 2 : xác định thời hằng cho mạch Astable.
* D3 : tách đường nạp và xả thành hai đường.
* IC555(1): mạch dao động không trạng thái bền .
* R9 , C 4 : mạch vi phân, tạo xung kích cho Monostable.
* R10 ,VR3 , C5 , IC555(2): mạch điều chế độ rộng xung.
* R11 , R12 : điện trở phân cực cho Q4 .
* Q4 : transistor chuyển mạch , đóng hoặc mở sẻ làm cho Q5 , Q6 dẫn hay tắt.
Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng – Khoa Điện tử Viễn thông – Lớp 03ĐT2
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
Trang 19
* C 7 : làm cho Q4 chuyển đổi trạng thái nhanh hơn.
* R13 : điện trở tải của Q4 .
* R11 : ổn định, tăng tốc độ chuyển đổi.
* Q5 : ghép Darlington bổ phụ với Q6 .
* Q6 : transistor chuyển mạch.
* D5 : đảm bảo cho Q6 dẫn bão hoà.
* R15 : tăng tốc độ chuyển đổi.
* L,C 6 : mạch lọc, tích luỹ năng lượng trong thời gian Q5 , Q6 dẫn để cung cấp năng
lưọng cho mạch khi Q5 , Q6 tắt.
* R16 , D6 , D z 2 : tạo điện áp chuẩn để đưa đến mạch so sánh.
* R21 ,VR3 , R22 : lấy mẫu tín hiệu ra để đưa đến mạch so sánh.
* VR3 : thay đổi điện áp chuẩn.
* R17 , R18 , R19 , R20 , μA741(1) : mạch so sánh.
* μA741(2) : OP_AMP đệm.
* VR4 : hiệu chỉnh để thoả mãn độ gợn áp ra.
Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng – Khoa Điện tử Viễn thông – Lớp 03ĐT2
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
Trang 20
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:
T1 = 0.7C 2 (VR1 + R7 )
Chọn T1 = T/2 ⇒ 0.7C 2 (VR1 + R7 ) = 1
2f
⇒ VR1 + R7 = 1
1,4 fC 2
Chọn C2 = 22nF
Suy ra VR1 + R7 = 1
= 2,7kΩ
1,4.12.10 3.22.10 −9
Chọn R7 = 2kΩ → VR1 =0,7kΩ
Chọn R7 = 2kΩ , VR1 =1kΩ.
Theo (2.3) chu kỳ dao động của mạch là:
T = 0,7C 2 ( R7 + R8 + VR1 ) = 1
f
⇒ R7 + R8 + VR1 = 1
= 1
=5,411kΩ
0,7 fC 2
0,7.12.10 3.22.10 −9
⇒ R8 = 5,411- 2,7 = 2,711kΩ
Chọn R8 là điện trở 2kΩ và 0,8kΩ
Dòng nạp tối đa cho tụ C2 là:
I R7
2 V
CC
10
= 3
=
= 3,7 mA
R7 + VR1 2,7
Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng – Khoa Điện tử Viễn thông – Lớp 03ĐT2
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
Trang 21
Công suất tiêu tán trên R7 là:
PR7 = I R27 R7 = (3,7) 2 .2.10 3 = 27,37 mW
Công suất tiêu tán trên VR1 là:
PVR1 = I R27 VR1 = (3,7) 2 .800 = 10,952 mW
Dòng tối đa qua R8 là:
2 VCC
10
=
= 3,689 mA
I R8 = 3
R8
2,711
Công suất tiêu tán trên R8 là:
PR8 = I R28 R8 = (3,689) 2 .2,711.103 = 36,89 mW
Chọn R7 = 2kΩ / 1 W
10
R8 = 2,711kΩ / 1 W
10
VR1 = 1kΩ / 1
W
10
Chọn D3 là loại 1N4001 với VD = 0,6V , I D = 10mA
Chọn tụ C3 = 0,01μF để chống nhiễu.
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:
−t ⎞
⎛
vC4 (t ) = VC4 (∞) − VC4 (0) ⎜1 − e τ ⎟ + VC4 (0)
⎝
⎠
Trong đó : VC4 (0) = 0
[
Vcc
C4
R9
D4
]
VC4 (∞) = VCC
−t ⎞
⎛
⇒ VC4 (t ) = VCC ⎜1 − e τ ⎟
⎝
⎠
Gọi t1 là thời gian tụ C4 nạp được 1/3Vcc
−t ⎞
⎛
⇒ VC4 (t1 ) = VCC ⎜1 − e τ ⎟ = 1 VCC
3
⎝
⎠
⇒ t1 = R9 .C4 ln1,5
(*)
Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng – Khoa Điện tử Viễn thông – Lớp 03ĐT2
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
Trang 22
Gọi tx là thời gian tồn tại xung của mạch Monotable
Gọi Vo là điện áp ra của ổn áp.
t
t
1 x
Ta có: V0 = ∫ Vs dt = x Vs
T 0
T
V
V
⇒ tx = 0 T = 0
Vs
Vs . f
*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
12
Khi Vs = 25 ⇒ t x 0 =
= 40 μs
25.12.10 3
12
= 57 μs
Khi Vs = 17,5 ⇒ t x max =
17,5.12.10 3
12
= 30μs
Khi Vs = 32,5 ⇒ t x min =
32,5.12.10 3
Để đảm bảo độ rộng xung kích nhỏ hơn tx chọn:
1
1
t1 ≤ t x min = 30 = 6 μs
5
5
6
⇒ R9 C 4 =
= 15.10 −6
ln 1,5
Chọn C4 = 22nF
⇒ R9 =
15.10 −6
= 681Ω
22.10 −9
Chọn R9 là 700Ω
Công suất tiêu tán trung bình của R9:
−t ⎞
⎛
VC 9 (t1 ) = VCC ⎜1 − e τ ⎟
⎝
⎠
⇒ v R 9 (t ) = VCC e
−t
τ
− 2t
⇒ PR 9tb
t
t
2
e
1 1 v R2 9 (t )
1 1 VCC
= ∫
dt = ∫
T 0 R9
T0
R9
2
VCC
C4
=
2T
τ
dt
⎛
⎞
− 2t1
⎜⎜1 − e R 9.C 4 ⎟⎟
⎝
⎠
Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng – Khoa Điện tử Viễn thông – Lớp 03ĐT2
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
Trang 23
Mà t1 = T2 = 0,7 R8 C 2 = 0,7.2,711.10 3.22.10 −9 = 41,7μs
− 2.41, 7 ⎞
15 2.22.10 −9.12.10 3 ⎛
15 ⎟ = 29,58mW
⎜⎜1 − e
⇒ PR9tb =
⎟
2
⎝
⎠
Vậy chọn R9 = 700 Ω/ 1 W
10
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:
T = C5 (VR2 + R10 ) ln 3 = t x 0
VR2
40.10 −6
7
⇒ C5 (VR2 + R10 ) =
= 36,4 μs
R10
ln 3
6
Chọn C5 = 2,2 nF
vi
⇒ R10 + VR2 = 16,55 kΩ
2
Chọn R10 = 16kΩ ⇒ VR2 = 550Ω
C5
Chọn VR2 là biến trở 1kΩ
2 VCC
10
=
= 0,6 mA
Dòng nạp cực đại cho tụ C5 là: I R10 = 3
R10 + VR2 16,55
Công suất tiêu tán trên R10 là:
Vcc
4
8
IC555
1
3
5
PR10 = I R210 .R10 = (0,6) 2 .10 −6.16.10 3 = 5,76 mW
Công suất tiêu tán trên VR2 là: PVR 2 = (0,6) 2 .10 −6.10 3 = 0,36 mW
Vậy chọn R10 = 16 kΩ/ 1 W
10
W
VR2 = 1 kΩ/ 1
100
Ta c ó: τ5 = C5 ( R10 + VR2 ) = 2,2.10 −9 (16 + 0,55).103 = 36,41 µs
Phương trình nạp của tụ C5 :
− t ⎞
⎛
vC 5 (t ) = VCC ⎜⎜1 − e τ5 ⎟⎟
⎝
⎠
Khi VS = VS min = 17,5V ⇔ t x = t x max = 57 μs
−57
⇒ VC 5 = 15(1 − e 36, 41 ) = 11,86 V
Khi VS = VSo = 25V ⇔ t x = t xo = 40 μs
Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng – Khoa Điện tử Viễn thông – Lớp 03ĐT2
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
Trang 24
− 40
⇒ VC 5 = 15(1 − e 36, 41 ) = 10V
Khi VS = VS max = 32,5V ⇔ t x = t x min = 30 μs
−30
⇒ VC 5 = 15(1 − e 36, 41 ) = 8,42 V
4. Tính mạch lọc:
Theo đề:
∆V = 0,01 V
∆I = 0,01 A
(1 − k )k.VS
Theo (1.9) ta có: L =
f .ΔI
t
V
12
= 0,48
với: k = x = 0 =
T VS 25
(1 − 0,48).0,48.25 = 52 mH
suy ra: L =
12.10 3.0,01
Vậy L = 52 mH
(1 − k )kVS
ΔI
0,01
=
Theo (1.10) ta có: C 6 =
=
= 10,4µF
2
3
Δ
8
f
V
8 f LΔV
8.12.10 .0,01
Chọn C 6 = 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:
4π.10 −7.N 2 .S .μ
L=
l
l .L
⇒N=
4π.10 −7.S .μ
Với µ = 1000
⇒N=
0,04.52.10 −3
2
−7 (0,01)
4π.10 .
π.1000
4
= 144 vòng
Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng – Khoa Điện tử Viễn thông – Lớp 03ĐT2
Đồ án môn học ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG
Với µ = 6000
⇒N=
0,04.52.10 −3
(0,01) 2
4π.10 .
π.6000
4
Trang 25
= 59 vòng
−7
Chọn D6
*Điện áp ngược cực đại khoảng (3÷4)Vs
*Dòng trung bình thuận I F > 10A
Chọn D6 là 1N5410 có :
V KA = 200V
I F = 15 A
5. Tính mạch điều khiển:
Q5 , Q6 là transistor chuyển mạch chỉ làm việc trong
thời gian có xung ra ở đầu ra của mạchmonotable.
Khi Q5 ,Q6 dẫn thì nguồn DC được đưa đến đầu ra,
khi Q5 , Q6 tắt thì cắt nguồn DC ra khỏi mạch.
Dòng trung bình ngõ vào: I S = k .I 0 = 0,48.10 = 4,8A
Mà : I S = I CSQ6 + I CSQ5 + I R14
Dòng chảy qua Q6 lớn nhất , Chọn I SQ6 = 4,6A
a. Tính chọn Q6:
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 Tr = T f = 1µs.
Theo (2.5) ta có:
Công suất của Q6 là:
I
T
.V
P = C max S T f + sat (Vces I C max + Vbes I bs )
T0
3.T0
*Chọn BJT có β min = 30
I
4,6
Ta có I bs ≥ cs =
= 0,153A
β min 30
Chọn I bs = 0,16A
⇒P=
D5
Q6
R15
Q5
R14
R13
C7
Q4
R11
R12
(40 − 2) .(0,2.0,46 + 0,8.0,16) = 1,17W
4,6.25
.1 +
3.40
40
Vậy chọn Q6 là transistor thỏa:
Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng – Khoa Điện tử Viễn thông – Lớp 03ĐT2
