Luận văn Khảo sát, thiết kế và thi công bộ điều khiển cho các mạch công suất biến đổi điện áp (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Khảo sát, thiết kế và thi công bộ điều khiển cho các mạch công suất biến đổi điện áp (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG KHẢO SÁT, THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC MẠCH CÔNG SUẤT BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP GVHD: ThS. HOÀNG NGỌC VĂN SVTH: CHÂU TRỌNG LĨNH MSSV: 11941014 SVTH: NGUYỄN ANH TUẤN MSSV: 11941057 S K L 0 0 4 2 4 6 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 2/2016
2. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH SƯ PHẠM KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT, THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC MẠCH CÔNG SUẤT BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP SVTH: Châu Trọng Lĩnh MSSV: 11941014 Nguyễn Anh Tuấn MSSV: 11941057 GVHD: ThS. Hoàng Ngọc Văn Tp. Hồ Chí Minh - 02/2016
3. TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Tp. HCM, ngày 15 tháng 1 năm 2016 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Châu Trọng Lĩnh MSSV:11941014 Nguyễn Anh Tuấn MSSV:11941057 Chuyên ngành: KỹThuậtĐiệnTử Công Nghiệp Mã ngành: 01 Hệđào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2011 Lớp: 11941ĐT I. TÊN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT, THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC MẠCH CÔNG SUẤT BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP. II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: - Bộ điều khiển đa năng cho các mạch công suất biến đổi điện áp sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM)và điều chế tần số xung (PFM). Có thể điều khiển cho tất cả các van điện tử dung trong điện tử công suất như Thyristor, GTO Thyristor, MOSFET, mạch Transistor Darlington và IGBT. - Điện áp điều khiển 0-10VDC, có thể chuyển đổi qua lai giữa xung PWM hoặc PFM. - Thông số kỹ thuật chính o Phương pháp PFM: . Phạm vi độ rộng xung: 5-50µs/50-500µs/0.5-5ms. . Tần số: 20Hz-20kHz o Phương pháp PWM: . Phạm vi tần số 2-200Hz/0.2-2kHz/2-20kHz. . Thời gian TON: 0-0.95 thời gian toàn chu kỳ xung. o Ngõ ra cách ly, kiểm tra ngắn mạch duy trì. o Điện áp cấp ±15VDC. 2. Nội dung thực hiện: - Nghiên cứu tài liệu trên mạng, giáo trình. - Thiết kế và thi công mạch. - Khảo sát và thực mạch đối chiếu với thông số kỹ thuật ban đầu. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 05/10/2016 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 01/2016 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP
4. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Khoa Điện - Điện Tử Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Bộ Môn Điện Tử Viễn Thông Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Châu Trọng Lĩnh Lớp: 119410ĐT MSSV: 11941014 Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Anh Tuấn Lớp: 119410ĐT MSSV: 11941057 Tên đề tài: Khảo Sát, Thiết Kế Và Thi Công Bộ Điều Khiển Cho Các Mạch Công Suất Biến Đổi Điện Áp. Xác nhận Tuần Nội dung GVHD Tuần 1 Chọn đề tài. Tuần 2 Tìm và tổng hợp các tài liệu liên quan. Tuần 3 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết. Tuần 4 Lựa chọn phương án thực hiện đề tài. Tuần 5 Thiết kế sơ đồ nguyên lý. Tính toán thông số linh kiện cho phù hợp với yêu cầu Tuần 6 của đề tài,kiểm tra mạch nguyên lí trên testboard. Tuần 7 Thiết kế mạch in. Tuần 8 Thi công mạch. Tuần 9 Đo kiểm, so sánh kết quả với yêu cầu của đề tài. Tuần 10 Chỉnh sửa mạch. Tuần 11 Thiết kế, gia công mặt nạ và vỏ cho bộ phát xung. Tuần 12 Kiểm tra bộ phát xung với ứng dụng thực tế. Tuần 13 Viết báo cáo. GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên)
5. LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do nhóm tự thực hiện dựa vào bộ thí nghiệm CONTROL UNIT PWM, PFM của nước Đức và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó.
6. LỜI CẢM ƠN Em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Hoàng Ngọc Văn_Giảng viên bộ môn Cơ Sở Kỹ Thuật Điện Tử đã tận tình giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài được hoàn thiện nhất. Em xin gởi lời cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện-Điện Tử trong những năm qua đã chỉ dạy cho chúng em những kiến thức quý giá, những nền tảng vững chắc để chúng em có thể thực hiện thành công đề tài của mình. Em cũng xin gửi lờicảm ơn đến các bạn lớp 11941ĐTđã chia sẻ trao đổi kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài. Người thực hiện đề tài Châu Trọng Lĩnh Nguyễn Anh Tuấn
7. MỤC LỤC CHƢƠNG I: DẪN NHẬP 1 1.1.Đặt vấn đề: 1 1.2. Mục tiêu: 1 1.3. Giới hạn: 1 1.4. Nội dung nghiên cứu: 1 1.5. Bố cục nghiên cứu: 1 CHƢƠNG II: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN CÁC MẠCH CÔNG SUẤT BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP 3 2.1. Tổng quan về điều chế độ rộng xung PWM(Pulse Width Modulation) 3 2.1.1 Nguyên lí hoạt động của xung PWM trong mạch điều khiển 3 2.1.2 Cách tạo xung PWM 4 2.1.3 Ứng dụng của xung PWM 4 2.2 Tổng quan về điều chế tần số xung PFM (Pulse Frequency Modulation) 6 2.2.1 Nguyên lý hoạt động của xung PFM trong mạch điều khiển 6 2.2.2 Cách tạo xung PFM 7 2.2.3 Ứng dụng 7 2.3 Tổng quan khuếch đại xung điều khiển 8 2.3.1 Mạch khuếch đại là gì 8 2.3.2 Các phƣơng pháp khuếch đại điện áp xung: 8 CHƢƠNG III: TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP TẠO XUNG PWM VÀ PFM CỦA BỘ THÍ NGHIỆM 9 3.1 Điều chế xung PWM bằng IC SG3524 9 3.1.1 IC SG3524 9 3.1.2 Phƣơng án sử dụng IC SG3524 trong bộ điều chế PWM: 11 3.2 Điều chế xung PFM sử dụng RC4152 và HEF4528B: 12 3.2.1 IC RC4152: 12 3.2.2 IC HEF4528: 14 3.2.3Phƣơng án sử dụng IC RC4152 và HEF4528B cho bộ điều chế PFM: 17 3.3 Giải quyết vấn đề băm xung và cách ly: 18 3.3.1 Băm xung bằng IC HEF40106 và IC MC14011: 18 3.3.2IC đệm dòng ULN2003: 19
8. 3.3.3 Sơ lƣợc về transistor trƣờng MOSFET IFR840: 20 3.3.4 Phƣơng án cách ly điện áp bằng biến áp xung: 21 3.4 Nguồn cung cấp: 21 CHƢƠNG IV: THIẾT KẾ THI CÔNG BỘ THÍ NGHIỆM 23 4.1 Yêu cầu thiết kế của bộ thí nghiệm: 23 4.2 Phƣơng án thiết kế: 23 4.2.1 Quy cách thiết kế mặt nạ: 23 4.2.2 Quy cách kích thƣớc của hộp điều khiển: 24 4.3 Phân tích thiết kế từng khối: 24 4.3.1 Khối nguồn: 24 4.3.2 Khối điều chế độ rộng xung PWM 25 4.3.3 Khối điều chế tần số xungPFM 27 4.3.4 Khối băm xung và cách ly: 28 4.4 Thiết kế mạch in: 30 4.4.1 Thiết kế mạch in cho khối nguồn: 30 4.4.2 Thiết kế mạch in cho bộ thí nghiệm: 31 CHƢƠNG V. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 35 5.1 Kết quả sản phẩm của đề tài: 35 5.2 Kết quả đo dạng xung ngõ ra của khối điều chế PWM: 37 5.3 Kết quả đo dạng xung ngõ ra khối điều chế PFM: 44 CHƢƠNG VI. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 50 6.1 Kết luận:. 50 6.2 Hạn chế:. 50 6.3 Hƣớng phát triển:. 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 PHỤ LỤC 52
9. DANH MỤC HÌNH Hình Trang Hình 2.1 Giản đồ xung PWM. 3 Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý xung PWM điều khiển một van MOSFET. 3 Hình 2.3 Giản đồ xung PWM đóng cắt một van MOSFET. 4 Hình 2.4 Giản đồ xung PFM. 6 Hình 2.5 Xung PFM điều khiển van MOSFET. 6 Hình 2.6 Giản đồ xung PFM điều khiển van MOSFET. 7 Hình 3.1 Cấu tạo của IC SG3524. 9 Hình 3.2 Sơ đồ chân của IC SG3524 10 Bảng 3.1 Các thông số của IC SG3524 11 Hình 3.3 Mạch điều chế PWM dùng IC SG3524. 11 Hình 3.4 Cấu tạo của IC RC4152. 12 Hình 3.5 Sơ đồ chân của IC RC4152. 13 Hình 3.6 Cấu tạo của IC HEF4528. 14 Hình 3.7 Giản đồ xung của IC HEF4528. 15 Hình 3.8 Sơ đồ chân của IC HEF4528. 16 Hình 3.9 Mối quan hệ giữa độ rộng xung với giá trị tụ điện. 17 Hình 3.10 Cấu tạo IC HEF40106. 18 Hình 3.11 Mạch tạo dao động dùng IC HEF40106. 18 Hình 3.12 Cấu tạo IC MC14011 19 Hình3.13 Cấu tạo IC ULN2003 19 Hình 3.14 Ký hiệu và sơ đồ chân của IRF840 20 Hình 3.15 Đặc tính của IRF840 làm việc với nguồn kích xung. 20 Hình3.16 Cấu tạo biến áp xung. 21 Hình3.17 Sơ đồ chân của IC LM7810 và IC LM7815. 21 Hình3.18 Sơ đồ chân của IC LM7915. 22 Hình 4.1 Mặt nạ của bộ thí nghiệm. 23 Hình 4.2 Kích thước vỏ hộp của bộ thí nghiệm. 24 Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn. 24 Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý mạch phát xung PWM. 25 Hình 4.5 Cực thu để hở của IC SG3524. 26 Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý mạch phát xung PFM. 27
10. Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý mạch băm xung và cách ly. 29 Hình 4.8 Mạch tạo xung dùng HEF40106. 30 Hình 4.9 Mạch in khối nguồn. 31 Hình 4.10 Bố trí linh kiện khối nguồn. 31 Hình 4.11 Mạch in lớp trên của bo mạch điều khiển. 32 Hình 4.12 Mạch in lớp dưới của bo mạch điều khiển. 33 Hình 4.13 Bố trí linh kiện của bo điều khiển. 34 Hình 5.1 Mặt nạ bộ thí nghiệm thành phẩm. 35 Hình 5.2 Bên trong của bộ thí nghiệm. 36 Hình 5.3 Xung của khối PWM ở tần số 20Hz 37 Hình 5.4 Xung PWM ở tần số 20Hz khi thay đổi độ rộng. 37 Hình 5.5 Xung PWM ở tần số 20Hz sau khi băm xung và cách ly điện áp. 38 Hình 5.6 Xung của khối PWM ở tần số 200Hz 38 Hình 5.7 Xung PWM ở tần số 200Hz khi thay đổi độ rộng. 39 Hình 5.8 Xung PWM ở tần số 200Hz sau khi băm xung và cách ly điện áp. 39 Hình 5.9 Xung của khối PWM ở tần số 2kHz 40 Hình 5.10 Xung PWM ở tần số 2kHz khi thay đổi độ rộng. 40 Hình 5.11 Xung PWM ở tần số 2kHz sau khi băm xung và cách ly điện áp. 41 Hình 5.12 Xung của khối PWM ở tần số 20kHz 41 Hình 5.13 Xung PWM ở tần số 20kHz khi thay đổi độ rộng. 42 Hình 5.14 Xung PWM ở tần số 20kHz sau khi băm xung và cách ly điện áp. 42 Hình 5.15 Dùng xung PWM kích cho bộ DC-DC có điện áp ra 6.1VDC 43 Hình 5.16 Dùng xung PWM kích cho bộ DC-DC có điện áp ra 27.8VDC 43 Hình 5.17 Xung của khối PFM có Ton bằng 5µS 44 Hình 5.18 Xung PFM có Ton bằng 5µS sau khi băm xung và cách ly điện áp. 44 Hình 5.19Xung của khối PFM có Ton bằng 50µS 45 Hình 5.20 Xung PFM có Ton bằng 50µS sau khi băm xung và cách ly điện áp. 45 Hình 5.21 Xung của khối PFM có Ton bằng 500µS 46 Hình 5.22 Xung PFM có Ton bằng 500µS sau khi băm xung và cách ly điện áp. 46 Hình 5.23 Xung của khối PFM có Ton bằng 5mS. 47 Hình 5.24 Xung PFM có Ton bằng 5mS sau khi băm xung và cách ly điện áp. . 47 Hình 5.25 Dùng xung PFM kích cho bộ DC-DC có điện áp ra 5.9VDC. 48 Hình 5.26 Dùng xung PFM kích cho bộ DC-DC có điện áp ra 22.9VDC. 48
11. LIỆT KÊ BẢNG Bảng Trang Bảng 3.1 Các thông số kỹ thuật củaIC SG3524 11 Bảng 3.2 Bảng tra các giá trị của IC RC4152. 14 Bảng 3.3 Các thông số kỹ thuật của IC RC4152. 14 Bảng 3.4 Bảng trạng thái của IC HEF4528 16 Bảng 3.5 Các thông số kỹ thuật của IC HEF4528. 17 Bảng 3.6 Thông số kỹ thuật của IRF840 20 Bảng 3.7 Thông số kỹ thuật của các IC ổn áp. 21
12. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƢƠNG I: DẪN NHẬP 1.1.Đặt vấn đề: Với sự phát triển không ngừng của kỹ thuật, đặc biệt là ngành điện tử đã đƣợc ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống. Các thiết bị điện dần thay thế những đồ dùng sử dụng sức ngƣời, những thiết bị này thƣờng sử dụng điện áp DC với các mức điện áp khác nhau, nhƣng chúng đều đƣợc biến đổi từ các điện áp AC thông dụng nhƣ 220V, 110V thông qua mạch biến đổi đổi điện áp. Để các mạch công suất biến đổi điện áp hoạt động một cách hiệu quả thì cần phải có một bộ điều khiển linh động. Bên cạnh đó, vì một số điều kiện khách quan mà phòng thí nghiệm Thực Tập Điện Tử Công Suất trƣờng ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM chƣa trang bị bộ thí nghiệm điều khiển cho mạch biến đổi điện áp. Từ gợi ý đó của thầy Hoàng Ngọc Văn (giảng viên giảng dạy môn Điện Tử Công Suất và Thí Nghiệm Điện Tử Công Suất) nhóm đã quyết định chọn đề tài “Khảo Sát, Thiết Kế Và Thi Công Bộ Điều Khiển Cho Các Mạch Công Suất Biến Đổi Điện Áp”. 1.2. Mục tiêu: Nhóm sinh viên thiết kế và thi công modun điều khiển cho bộ thí nghiệm biến đổi điện áp. Modun sẽ bao gồm hai khối nhỏ là điều chế độ rộng xung (PWM – Pulse width modulation) và khối điều chế tần số xung (PFM – Pulse frequency modulation). Hoạt động có thể đƣợc chọn với các chế độ điều khiển sau: điều chế độ rộng xung (PWM), điều chế tần số xung (PFM) với điện áp điều khiển từ 0V đến 10V. Trong đó điều chế độ rộng xung có phạm vi tần số: 20 200Hz/0.2 2 kHz/2 20 kHz, tỉ lệ /T: 0 0.95, điều chế tần số xung có phạm vi độ rộng xung: 5 50µs/50 500 µS/0.5 5ms, tần số: 20Hz 20kHz. 1.3. Giới hạn: Phạm vi thay đổi tần số chƣa rộng, dƣới 20kHz. IC RC4152 ít phổ biến ở Việt Nam. 1.4. Nội dung nghiên cứu: Khảo sát, thiết kế và thi công mạch tạo xung PWM và PFM. Thiết kế sơ bộ và đặt hàng vỏ hộp modun. Đo đạc thử nghiệm xung ngõ của modun. Chỉnh sửa các lỗi điều khiển của thiết bị. Viết báo cáo luận văn. Báo cáo đề tài tốt nghiệp. 1.5. Bố cục nghiên cứu: Quyển báo cáo đề tài sẽ bao gồm có sáu chƣơng, mỗi chƣơng trình bày các nội dung cần thiết xoay quanh đề tài. Nội dung các chƣơng nhƣ sau: Chƣơng 1: chƣơng này sẽ trình bày các nội dung tổng quan về đề tài nhƣ giới thiệu đề tài, lý do chọn đề tài, giới hạn của đề tài, CHƯƠNG I: DẪN NHẬP Trang 1
13. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chƣơng 2: chƣơng này trình bày các lý thuyết về điều chế PWM, PWM và khuếch đại ngõ ra. Chƣơng 3: chƣơng này trình bày khảo sát các linh kiện quan trọng trong mạch, trình bày cách sử dụng và cách kết hợp với các liên kiện khác. Chƣơng 4: chƣơng này trình bày những nội dung về thiết kế mạch, tính toán giá trị các linh kiện, hoạt động của mạch và thi công mạch. Chƣơng 5: trình bày những kết quả đạt đƣợc và chƣa đƣợc của đề tài so với yêu cầu ban đầu. Chƣơng 6: trình bày kết luận và những hƣớng phát triển thêm của đề tài trong tƣơng lai. CHƯƠNG I: DẪN NHẬP Trang 2
14. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƢƠNG II: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN CÁC MẠCH CÔNG SUẤT BIÊN ĐỔI ĐIỆN ÁP 2.1. Tổng quan về điều chế độ rộng xung PWM ( Pulse Width Modulation): Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung PWM là phƣơng pháp thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông để từ đó thay đổi điện áp ngõ ra của các thành phần đƣợc điều khiển. Các xung PWM khi biến đổi thì có cùng một tần số và khác nhau về độ rộng sƣờn âm hoặc sƣờn dƣơng. Hình 2.1 Giản đồ xung PWM. 2.1.1 Nguyên lí hoạt động của xung PWM trong mạch điều khiển: Các xung PWM sẽ đóng ngắt nguồn cung cấp cho tải một cách có chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng ngắt thông qua một “van” bán dẫn. Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý xung PWM điều khiển một van MOSFET. CHƢƠNG III: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHẾ PWM VÀ PFM CỦA BỘ THÍ NGHIỆM Trang 3
15. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 2.3 Giản đồ xung PWM đóng cắt một van MOSFET. Phân tích giản đồ xung : - Trong khoảng thời gian 0- van G dẫn toàn bộ điện áp đƣợc đặt lên tải. - Trong khoảng thời gian -T van G không dẫn nguồn cung cấp cho tải bị ngắt. Nhƣ vậy với thay đổi trong khoảng thời gian từ 0-T ta sẽ cung cấp một phần toàn bộ hay khoá hoàn toàn điện áp cung cấp cho tải. Công thức tính trị trung bình điện áp trên tải: Gọi to là thời gian van mở T là chu kì của xung và là điện áp cung cấp cho tải. Khi đó điện áp trung bình trên tải Ud đƣợc tính nhƣ sau: U = U (V) (2.1) tb d Gọi D = là tỉ số giữa thời gian mở trên toàn chu kì khi đó ( ) 2.1.2 Cách tạo xung PWM: - Tạo bằng phần cứng: có thể tạo xung PWM bằng cách so sánh hoặc từ các IC tích hợp nhƣ: 555, LM556, SG3524, SG3525, - Tạo bằng phần mềm: sử dụng các vi điều khiển sau đó lập trình phát xung PWM. 2.1.3 Ứng dụng của PWM: PWM đƣợc ứng dụng nhiều trong điều khiển. Điển hình nhất là điều khiển tải động cơ, đèn, hoặc các bộ điều xung, điều áp, nghịch lƣu. Sử dụng PWM điều khiển độ nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa khi kết hợp với các giải thuật điều khiển nhƣ PID giúp ổn định tốc độ động cơ đƣợc ứng dụng nhiều trong kỹ thuật robot. Kỹ thuật PWM đƣợc chuyên dùng để điều khiển các linh kiện điện tử công suất có đƣờng đặc tính là tuyến tính. Xung PWM còn đƣợc dùng trong điều chế các mạch nguồn: boot, buck, nghịch lƣu. CHƢƠNG III: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHẾ PWM VÀ PFM CỦA BỘ THÍ NGHIỆM Trang 4
16. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP PWM trong điều chế mạch nguồn kiểu tăng áp (boost): Nguyên lí hoạt động : Khi xung PWM ở mức cao transistor dẫn switch ở trạng thái “ON” điện áp đầu vào nạp cho cuộn cảm điện áp trên tụ cung cấp cho tải. Khi xung PWM ở mức thấp. swtich ở trạng thái “OFF” lúc này điện áp trên tải bằng điện áp Vin cộng với điện áp trên cuộn cảm do đó điện áp trên tải sẽ lớn hơn điện áp Vin, đồng thời tụ sẽ đƣợc nạp điện áp. Khi điện áp ngõ ra Vout đƣợc tính bằng công thức : T = don Và Vout = ( +1).Vin Trong đó : Ip là giá trị dòng điện đỉnh . Ton là thời gian dẫn của transistor. PWM trong điều chế mạch nguồn kiểu giảm áp (buck): Nguyên lí hoạt động : Khi xung PWM ở mức cao transistor dẫn switch ở trạng thái “ON” điện áp Vin qua cuộn cảm đồng thời cung cấp cho tải và nạp cho tụ điện. Khi xung PWM ở mức thấp transistor ngƣng dẫn switch ở trạng thái ngắt lúc này nguồn Vin ngừng cấp cho tải lúc này điện áp đặt lên tải là điện áp của tụ điện mắc song song với cuộn cảm và có giá trị thấp hơn điện áp Vin.Cuộn cảm đóng vai trò giữ cho điện áp giảm dần ổn định .Điện áp Vout sẽ đƣợc tính theo công thức : Vout = .Vin = D.Vin Trong đó : Ton là thời gian dẫn của transistor. T tổng thời gian dẫn và ngắt của van. CHƢƠNG III: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHẾ PWM VÀ PFM CỦA BỘ THÍ NGHIỆM Trang 5
17. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2.2 Tổng quan về điều chế tần số xung PFM (Pulse Frequency Modulator): Kỹ thuật điều chế tần số xung PFM cho mạch công suất biến đổi điện áp là kỹ thuật bằng sự thay đổi của tần số xung ta sẽ thay đổi giá trị điện áp ra trên tải. Các xung PFM có đặc điểm độ rộng sƣờn âm hoặc dƣơng đƣợc giữ không đổi trong khi chu kì xung đƣợc biến đổi tăng hoặc giảm làm thay đổi giá trị điện áp ngõ ra. Hình 2.4 Giản đồ xung PFM. 2.2.1 Nguyên lý hoạt động của PFM trong mach điều khiển: Tƣơng tự nhƣ hoạt động của xung PWM các xung PFM sẽ đóng cắt các van bán dẫn nhằm thay đổi giá trị điện áp hoặc dòng điện qua tải. Tuy nhiên sự khác nhau giữa xung PWM và PFM là ở xung PFM việc điều chỉnh trị số điện áp, dòng điện tải bằng cách thay đổi giá trị tần số xung trong khi vẫn giữ nguyên thời mở “van” còn xung PWM thì hoạt động ngƣợc lại việc điều khiển dựa vào thời gian đóng mở van và tần số xung PWM đƣợc giữ nguyên. Hình 2.5 Xung PFM điều khiển van MOSFET. CHƢƠNG III: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHẾ PWM VÀ PFM CỦA BỘ THÍ NGHIỆM Trang 6
18. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 2.6 Giản đồ xung PFM điều khiển van MOSFET. Phân tích giản đồ: - Xét chu kì T1: khoảng thời gian từ 0 Ton van MOSFET đóng điện áp Vcc đƣợc đặt lên tải, khoảng thời gian từ Ton T1 van MOSFET đóng điện áp đặt lên tải bị ngắt. Điện áp trung bình đặt lên tải đối với chu kì T : U = .Vcc (2.2) 1 tb1 - Xét chu kì T2: khoảng thời gian từ T1 T1+Ton van MOSFET đóng điện áp Vcc đƣợc đặt lên tải, khoảng thời gian từ T1 + Ton T1 +T2 van MOSFET đóng điện áp đặt lên tải bị ngắt. Điện áp trung bình đặt lên tải đối với chu kì T2: Utb1= .Vcc (2.3) - Xét chu kì T3: khoảng thời gian từ T1 + 3.T2 T1 + 3.T2 + ton van MOSFET đóng điện áp Vcc đƣợc đặt lên tải, khoảng thời gian từ T1+3.T2+ Ton T1+3T2+T3 van MOSFET đóng điện áp đặt lên tải bị ngắt. Điện áp trung bình đặt lên tải đối với chu kì T3: Utb1= .Vcc (2.4) Vậy điện áp trung bình đặt lên tải với các chu kì T1, T2, T3 nhƣ sau: U = (U +U +U ) = ( + + ) = ( + + ) tb tb1 tb2 tb3  Utb =Ton.Vcc ( ) = Ton.Vcc.f (2.5) tb 2.2.2 Cách tạo xung PFM: - Tạo bằng phần cứng: sử dụng các IC chuyên dụng điều chế PFM nhƣ: RC4152, MB39A135 (1 kênh), MB39A136 (2 kênh), - Tạo bằng phần mềm: sử dụng các vi xử lý lập trình phát xung PFM. 2.2.3 Ứng dụng: Tƣơng tự nhƣ PWM kỹ thuật điều chế PFM đƣợc ứng dụng trong điều khiển các van điện tử công suất, tải động cơ, điều khiển các mạch công suất biến đổi điện áp, Về mặt hiệu năng xung PFM hiệu năng cao hơn nhiều so với xung PWM do cùng một thời gian ton xung PFM cho một dải duty circle rộng nhờ việc thay đổi tần số. Tuy nhiên kỹ thuật điều chế PFM phức tạp hơn kỹ thuật điều chế PWM. CHƢƠNG III: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHẾ PWM VÀ PFM CỦA BỘ THÍ NGHIỆM Trang 7
19. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2.3 Tổng quan khuếch đại xung điều khiển: 2.3.1 Mạch khuếch đại là gì: Mạch khuếch đại đƣợc hiểu là một dạng mạch bất kì sử dụng một lƣợng công suất nhỏ ở đầu vào để tạo ra một lƣợng công suất lớn ở đầu ra. Các loại mạch khuếch đại: Mạch khuếch đại điện áp: Là mạch khi ta đƣa một tín hiệu có biên độ nhỏ vào, đầu ra ta sẽ thu đƣợc một tín hiệu có biên độ lớn hơn nhiều lần. Mạch khuyếch đại về dòng điện: Là mạch khi ta đƣa một tín hiệu có cƣờng độ yếu vào, đầu ra ta sẽ thu đƣợc một tín hiệu cho cƣờng độ dòng điện mạnh hơn nhiều lần. Mạch khuyếch đại công xuất: Là mạch khi ta đƣa một tín hiệu có công xuất yếu vào, đầu ra ta thu đƣợc tín hiệu có công xuất mạnh hơn nhiều lần, thực ra mạch khuyếch đại công xuất là kết hợp cả hai mạch khuyếch đại điện áp và khuyếch đại dòng điện làm một. 2.3.2 Các phƣơng pháp khuếch đại điện áp xung: Sử dụng Transistor, FET: dựa vào đặc tính khuếch đại của linh kiện cũng nhƣ yêu cầu của xung điều khiến. Ta thiết kế mạch hoạt động ở chế độ làm việc phù hợp. Sử dụng IC khuếch đại thuật toán op-amps: Lợi dụng đặc tính độ lợi vòng hở rất lớn của op-amps ta có thể đƣa các xung điện áp vi sai đầu vào bé để có đƣợc điện áp xung ngõ ra có trị số lớn. Tuy nhiên việc sử dụng khuếch đại toán rất khó kiểm soát do độ lợi vòng hở rất lớn khiến điện áp ngõ ra khi hoạt động chế độ vòng hở không hồi tiếp thƣờng ở chế độ bảo hoà. Sử dụng biến áp xung: Biến áp xung có đặc tính có thể hoạt động ở tần số cao cho công suất lớn, kích thƣớc nhỏ gọn dễ tích hợp. Mặt khác xung đầu ra ở cuộn thứ cấp vẫn đƣợc giữ nguyên hình dạng không bị méo dạng. Dựa vào các đặc tính trên ta có thể sử dụng biến áp xung để khuếch đại xung điều khiển. CHƢƠNG III: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHẾ PWM VÀ PFM CỦA BỘ THÍ NGHIỆM Trang 8
20. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƢƠNG III: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHẾ PWM VÀ PFM CỦA BỘ THÍ NGHIỆM 3.1 Điều chế xung PWM bằng IC SG3524: 3.1.1 IC SG3524: a) Giới thiệu IC SG3524: IC SG3524 đƣợc tích hợp tất cả các chức năng cần thiết trong việc xây dựng một bộ điều chỉnh nguồn điện, biến tần, hoặc điều chỉnh chuyển mạch trên một chip duy nhất. Nó đƣợc thiết kế để điều chỉnh chuyển mạch của một trong hai cực biến áp đôi trong chuyển đổi DC-DC, và các ứng dụng chuyển đổi phân cực sử dụng tần số cố định, kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM). b) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của IC SG3524: Hình 3.1 Cấu tạo của IC SG3524. Mỗi IC bao gồm một bộ điều chỉnh On-Chip, bộ khuếch đại vi sai, bộ dao động nội đƣợc lập trình sẵn, xung lái Flip-Flop, hai transistor để hở, một bộ so sánh có độ lợi cao, bộ hạn chế dòng và mạch tắt hoạt động. Mạch tạo dao động đƣợc tích hợp sẵn, khi kết hợp với điện trở và sẽ tạo ra dao động xung răng cƣa. Dao động này chúng ta có thể đo đƣợc tại chân 7 ( ) của SG3524. Tần số đầu ra dao động là xung vuông đƣợc cấp cho tầng FF-T để chia đôi xung và đảo pha xung ra trên các đầu ra Q và ̅ của FF-T. Nhƣ vậy, theo thứ tự từ chu kỳ xung này đến chu kỳ xung khác thì đầu ra của của FF-T sẽ thay nhau đổi trạng thái. Tất nhiên, theo nguyên lý FF-T thì độ rộng xung của các đâu ra Q sẽ là bằng 200%, tức bằng hai lần chu kỳ dao động gốc. Từ nguyên tắc trên, các đầu vào của mạch cộng đảo lấy từ đầu ra FF-T lần lƣợt đảo pha nhau. Đầu ra CHƢƠNG III: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHẾ PWM VÀ PFM CỦA BỘ THÍ NGHIỆM Trang 9
21. S K L 0 0 2 1 5 4