Xem mẫu
- Báo cáo thực tập tốt nghiệp- Hà thế Tài
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Thiết kế nguồn DC-DC ổn dòng có
điện áp đầu vào 24 V-DC, đầu ra có
dòng điện I=350 (mA), P=7 W
Page 1
- Báo cáo thực tập tốt nghiệp- Hà thế Tài
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU................................................................................................... 2
CHƯƠNG I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT................................................................. 3
1. Tìm hiểu nguyên lý ổn dòng của mạch buck converter........................... 3
2. Tìm hiểu về IC UC3842........................................................................... 5
3. Thiết kế và tính toán mạch nguyên lý nguồn ổ n dòng
sử dụng UC3842...................................................................................... 11
CHƯƠNG II : PHẦN THỰC NGHIỆM........................................................... 20
1. Tìm hiểu và lắp ráp mạch thử IC UC3842.............................................. 20
2. Hoàn thiện mạch ổn dòng sử dụng IC UC3842...................................... 21
3. Kết quả thực nghiệm ............................................................................... 23
CHƯƠNG III : KẾT LUẬN............................................................................ 25
Page 2
- Báo cáo thực tập tốt nghiệp- Hà thế Tài
LỜI MỞ ĐẦU.
Ngày nay, trong hầu hết các ngành kinh tế, kĩ thuật, nhất là các ngành công
nghiệp đều áp dụng kĩ thuật tự động hoá. Có thể nói, tự động hoá đã làm thay
đổi diện mạo nhiều ngành sản xuất, dịch vụ. ở nhiều nước đã xuất hiện những
nhà máy không có người, văn phòng không có giấy... Khắp nơi đã bắt gặp
những thuật ngữ như Thương mại điện tử, Chính phủ điện tử, Máy thông minh,
Thiết bị thông minh...
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật và công nghệ bán d ẫn điện,
ngày nay Điện tử công suất đã giữ một vai trò quan trọng trong kỹ thuật điện
nói chung. Môn học Điện tử công suất đã trở thành môn học bắt buộc đối với
sinh viên các ngành kỹ thuật điện, Tự động hoá.
Điện tử công suất là công nghệ biến đổi điện năng từ dạng này sang dạng
khác trong đó các phần tử bán dẫn công suất đóng vai trò trung tâm.
Bộ biến đổi điện tử công suất còn được gọi là bộ biến đổi tĩnh (static
converter) đ ể phân biệt với các máy điện truyền thống (electric machine) biến
đổi điện dựa trên nguyên tắc biến đổi điện từ trường. Đ iện tử công suất được
ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện đại. Có thể kể đến
các ngành kỹ thuật mà trong đó có những ứng dụng tiêu biểu của các bộ biến
đổi bán dẫn công suất như truyền động điện, giao thông đường sắt, nấu luyện
thép, gia nhiệt cảm ứng, điện phân nhôm từ quặng mỏ, các quá trình điện phân
trong công nghiệp hóa chất, trong rất nhiều các thiết bị công nghiệp và dân dụng
khác nhau...Trong những năm gần đây công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn
công suất đã có những tiến bộ vượt bậc và ngày càng trở nên hoàn thiện dẫn đến
việc chế tạo các bộ biến dổi ngày càng nhỏ gọn, nhiều tính năng và sử dụng
ngày càng dễ dàng hơn.
Trong thời gian thực tập tại trường ĐHBK Hà Nội với nội dung :“ Thiết kế
nguồn DC-DC ổn dòng có điện áp đầu vào 24 V-DC, đầu ra có dòng đ iện I=350
(mA), P=7 W“. Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Trung Kiên đã hướng
dẫn tận tình và tạo mọi điều kiện để em hoàn thành thực tập với kết quả tốt nhất.
Hà nội ,ngày 09 tháng 04 năm 2011.
Sinh viên thực hiện
Hà Thế Tài
Page 3
- Báo cáo thực tập tố t nghiệp- Hà thế Tài
CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1. Tìm hiểu về nguyên lý ổn dòng của mạch buck converter.
* Nguyên lý làm việc của mạch buck converter.
U1 1
2 2
1
D1
Uout
Uin MOSFET Rs L2
INDUCTOR
H ình 1: mạch nguyên lý buck converter
*/ Buck converter là bộ biến đổi mà điện áp đầu ra nhỏ hơn điện áp đầu vào hay
còn được gọi là bộ biến đổi giảm áp ( step-down converter). H ình 1 là sơ đồ
nguyên lý của buck converter, Mosfet ho ạt động như mộ t công tắc(van) nó đóng
cắt bằng xung điều khiển ( xung vuông ) với một bộ điều khiển tạo ra xung điều
khiển có tần số đóng cắt lớn cấp cho mosfet.Ở đây ta sử dụng bộ đ iều chế PWM
( Pulse Width Modutlation).
Gọi T là một chu kỳ chuyển mạch,t1 là thời gian van đóng mạch (on-time) và
t2 là thời gian van mở mạch ( off-time). T=t1+t2. H ệ số (giữa thời gian đóng
mạch ( on-time) và chu kỳ chuyển mạch T ) đ ược gọi là chu kì nhiệm vụ ( duty
cycle). ( H2 )
+/ trong khi on-time của van thì điện áp V1 bằng Vin, Điot D sẽ bị phân cực
ngược và khóa lại,khi đó dòng điện Iv sẽ q ua cuộn cảm và cuộ n cảm L sẽ nạp
năng lượng ( giữ lại thành phần xoay chiều ) .Khi van off-time thì cuộn cảm L
phóng điện chống lại sự giảm đột ngột dòng điện trong mạch và tiếp tục d ẫn
dòng điện đi qua tải ,đi qua Rs và diode, kết quả điện áp V1 bằng 0. Trong thời
gian van off-time thì điện áp V 1 bằng 0 nhưng dòng điện IL vẫn không giảm về
0.Đây được gọi là chế độ continuous mode.
+/ ở chế độ này điện áp ra phụ thuộc vào thời gian đóng và mở của van
Vout= *V in
- Báo cáo thực tập tố t nghiệp- Hà thế Tài
+/ dòng điện qua cuộ n cảm có dạng xung tam giác giá trị trung bình của nó
được xác định bởi tải. Độ d ao động dòng điện IL = Imax-Imin ,phụ thuộc vào L,
và nó có thể tính toán nhờ định luật Faraday.
=> ∆i= *V*∆t => ∆IL= (Vin-V out)*t1= Vout(T-t1)
V =L
V ới V out= *Vin và chọn tần số f cho chế độ continuous mode ta có :
∆IL= (Vin-V out)* (*)
*/ tính toán giá trị cho cuộn cảm L
- tính chọ n cuộn cảm có một vấn đề xảy ra là nếu chọ n ∆IL rất nhỏ thì cuộn cảm
L phải có giá trị rất lớn để có độ đập mạch tốt. Và để tạo ra cuộ n cảm có giá trị
lớn thì sẽ nặng và đắt. Nếu chọn ∆IL nhỏ thì dòng điện điều khiển đóng mostfet
sẽ rất lớn . Bởi vậy người ta thường lấy ∆IL=10%Iout.
L= ( V in-Vout)*
Hình 2: đồ thị điện áp và dòng điện của mạch buck converter
- Báo cáo thực tập tốt nghiệp- Hà thế Tài
+/ Để điều khiển sự đóng mở của van thì ta có nhiều cách tạo ra xung vuông
điều khiển nhưng thông dụng nhất và ta sử dụng ở đây đó là giữ nguyên chu kì
T và thay đổi thời gian mở xung t1.
+/ Nguyên tắc ổ n dòng sử dụng buck converter là ta tạo ra thời gian đóng và
mở van ( hay độ rộ ng xung điều khiển vào mostfet) sao cho khi dòng điện tăng
cao vượt giá trị ngưỡng thì ta phải đóng van lại ngắt dòng đ iện qua van,khi đó
thì cuộn cảm L sẽ phóng điện qua tải (Load)và Rs và điốt => dòng không tăng
lên mà cũng không giảm về 0. Khi dòng giảm xuống giá trị Imin thì ta phải mở
van cho dòng điện qua van vừa nạp phần xoay chiều lên cuộn cảm và tăng dòng
điện không cho giảm quá giá trị ngưỡng. Để làm được điều này ta sử dụng IC
UC3842.
2.Tìm hiểu về IC UC3842
- Họ UC 1842/3/4/5 cung cấp tối ưu nhất cho các thiết bị off-line và cố định tần
số ở chế độ ổn đ ịnh dòng điện ( current mode) của các bộ biến đổi DC to DC
với số phần tử ở mạch ngoài là ít nhất. Mạch bên trong có phần khóa khi dưới
điện áp, dòng khởi động nhỏ hơn 1mA, bộ so sánh sai lệch dòng điện.
H ình 3: sơ đồ cấu trúc IC UC3842.
Page 6
- Báo cáo thực tập tốt nghiệp- Hà thế Tài
*/ Các đặc tính cơ bản của UC3842
Tối ưu hóa cho ngo ại vi và b ộ biến đổ i DC-DC.
1.
Dòng khởi độ ng thấp cỡ < 1(1mA)
2.
Tự độ ng cấp phản hồi bù.
3.
Sẽ khóa với trễ khi chưa đạt điện áp
4.
Tăng tải theo đặc tính đáp ứng
5.
Triệt tiêu xung kép
6.
Dòng cao khuếch đại ở đầu ra
7.
Sai lệch cường độ dòng điện thấp
8.
Hoạt động với tần số tới 500 KHz
9.
- Họ UC384x có 3 lo ại : lo ại 8 chân ; loại 14 chân và loại 20 chân
Hình 4: sơ đồ kết nối các chân của họ IC UC384X
Page 7
- Báo cáo thực tập tốt nghiệp- Hà thế Tài
*/ Cấu trúc của UC3842 và chức năng của các chân
*/ Chân 1:( COMP) chân 1 là chân nhận điện áp so sánh, điện áp chân 1 tỉ lệ
thuận với điện áp ra, thông thường thì ta không đ ấu trực tiếp điện áp phản hồi
mà đấu vào chân 2 qua một điện trở R.
H ình 5: sơ đồ mắ c chân 1 và chân 2 của IC
*/ chân 2:(VFB) đây là chân nhận điện áp hồi tiếp, có thể hồi tiếp so quang hoặc
hồi tiếp trực tiếp từ cuộn hồ i tiếp sau khi đi qua cầu phân áp, điện áp hồ i tiếp về
chân 2 tỷ lệ nghịch với điện áp ra, nếu một lý do nào đó làm điện áp đưa về
chân 2 tăng lên thì điện áp ra sẽ giảm thấp ho ặc bị ngắt.
*/ Chân 3 ( CURRENT SENSE ) : chân cảm biến dòng, chân này theo dõi điện
áp ở chân S của đèn Mosfet, nếu dòng qua Mosfet tăng => điện áp chân S sẽ
tăng => điện áp chân 3 sẽ tăng, nếu áp chân 3 tăng đến ngưỡng kho ảng 0,6V thì
dao động ra sẽ b ị ngắt, điện trở chân S xuống mass khoảng 0,22 ohm , nếu điện
trở này tăng trị số hoặc bị thay trị số lớn hơn thì khi chạy có tải là nguồn bị ngắt.
-điện áp tối đa phản hồi về chân 3 là 1,1(V) thường ta tính 1 V
- chú ý đối với chân này ta mắc thêm mạch RC như h ình vẽ để giảm dòng đ iện
đi vào chân 3 khi khởi động tăng quá cao.( Hình 7)
Page 8
- Báo cáo thực tập tốt nghiệp- Hà thế Tài
Hình 6: sơ đồ mắc chân 3 của IC
H ình 7 : dạng sóng ở chân 3 khi không có R-C và khi có R-C.
*/ chân 4 : chân này nối với mạch tạo dao độ ng R-C , điện áp cấp cho mạch dao
động này lấy từ chân 8 ( voltage reference 5 V), người ta thường đưa xung dòng
hồi tiếp về chân 4 để đồng pha giữa tần số dòng với tần số dao động nguồ n, điều
đó đảm bảo khi sò dòng ho ạt độ ng tiêu thụ nguồ n thì Mosfet nguồn cũng mở đ ể
kịp thời cung cấp, điều đó làm cho điện áp ra không b ị sụt áp khi cao áp chạy .
H ình 8 : sơ đồ mắc chân số 4
Page 9
- Báo cáo thực tập tố t nghiệp- Hà thế Tài
*/ chân 5 : đây là chân nối đ ất ( mass)
*/ chân 6 : chân này là chân tạo ra xung đ iều khiển van ( xung vuông ), độ rộng
của xung có thể thay đ ổi được để phù hợp với yêu cầu của mạch.
Is
U1
1 8
COMP VREF
2 7
VFB VCC Q1
MOSFET N
3 6
ISENSE OUT
4 5
RT/CT GND
UC3842
H ình 9: sơ đồ mắ c của chân 6 vào mạch
*/ chân 7 : ( VCC) đây là chân nhận điện áp cung cấp cho IC khoảng từ : 20(V -
DC )đến 23 (V - DC). Điện áp cấp cho chân 7 ban đ ầu được mắc từ nguồn qua
mộ t trở mồi. Khi mạch làm việc thì nó được cấp từ một cuộn phụ đ ã được chỉnh
lưu và lọc.
LO
Vcc
R1
R
D2
D3
U1
0
1 8
COMP VREF
2 7
0
VFB VCC
3 6
ISENSE OUT
4 5
RT/CT GND
UC3842
Hình 10: sơ đồ mắ c cho chân 7
- Báo cáo thực tập tốt nghiệp- Hà thế Tài
*/ chân 8 : đây là chân tạo ra điện áp chuẩn 5V cấp cho mạch dao động R-C và
khi điện áp cấp cho chân 7 không đủ thì mạch dao động có thể bị ngắt do điện
áp chân 8 tạo ra không đủ 5V ( H7). Người ta thường thiết kế mạch bảo vệ bám
vào chân 8 khi điện áp không đủ cấp hoặc có vấn đề gì xảy ra trên mạch thì điện
áp cấp cho chân 7 sẽ thay đổi trên hoặc dưới ngưỡng cho phép khi đó chân 8 sẽ
mất áp chuẩn 5 (V).
Page
11
- Báo cáo thực tập tốt nghiệp- Hà thế Tài
3.Thiết kế và tính toán mạch nguyên lý nguồn ổn dòng sử dụng IC UC3842
a. mạch nguyên lý nguồn ổn dòng điện áp vào 24 V-DC , dòng điện ra 350 mA.
Công suấ t 7 W.
U1 1
2 2
1
D1
Uout
Uin MOSFET Rs L2
D2
R1
R4
D3 C4
0
R2
0
7
2 6
VC C
VFB OUT RT
R5 1
COMP
4
RT/CT
UC3843 CT
R3
GN D
3 8
0
ISENSE VREF
R6
5
0
0
C3
0
H ình 11 : Sơ đồ mạ ch nguyên lý nguồn ổn dòng sử dụng nguyên lý buck
converter được xây dựng trên cả lý thuyết và th ực nghiệm
Với các thông số của mạch như sau :
R1=10K Ω; R2= 20 KΩ; R3=2 KΩ
R4= 10 KΩ ; R5=100 KΩ ;
R6= 1K Ω ; C3= 470pF
RT=10 K Ω; CT=2 µF
Page
12
- Báo cáo thực tập tốt nghiệp- Hà thế Tài
b. tính toán mạch lực:
U1 1
2 2
1
D1
Uout
Uin MOSFET Rs L2
INDUCTOR
H ình 12: sơ đồ nguyên lý mạch buck converter
- Mạch lực sử dụng các phần tử sau :
1. Van đóng mở ( mosfet)
2. Điot ( diode)
3.Cuộ n cảm ( inductor)
4. điện trở shun Rs
- Ta phải tính chọn các phần tử này theo các thông số của nguồ n như công suất,
điện áp vào ra và dòng đ iện tải...
- Với dao động R-C ở mạch điều khiển ta chọn tần số là f=50KHz.
Page
13
- Báo cáo thực tập tốt nghiệp- Hà thế Tài
b.1 : tính chọn mosfet
- Để tính chọn được mosfet ta phải dựa vào các thông số là điện áp chịu được
của van khi van khóa và dòng điện mà van chịu được. Ngoài ra còn dựa vào
tần số đóng cắt của van, vì đây là phần tử công suất nên vấn đề làm mát cũng rất
quan trọng, thường thì những van có tần số đóng cắt lớn thì tổn thất công suất
càng lớn. Có nhiều các làm mát cho các van công suất như là : làm mát bằng
nước ,làm mát quạt gió, làm mát tự nhiên...
- Ở đ ây là mạch thì nghiệm với điện áp 24 V-DC, dòng It=350 mA nên các van
hầu hết đều chịu được, và thời gian làm việc ngắn nên ta chọn phương pháp làm
mát tự nhiên.
- Từ các thông số như trên ta chọ n mosfet loại : IRF540
với các thông số kỹ thuật như sau :
b.2: tính chọn điot
Cũng như tính chọn mosfet, điot cũng là mộ t phần tử công suất.Với thông số
mạch ta chọn lo ại : 1N1192A có các thông số kỹ thuật như sau :
∆U (V)
TYPE Imax(A) U n(V)
1N1192A 20 100 1 ,5
Page
14
- Báo cáo thực tập tốt nghiệp- Hà thế Tài
b.3: tính toán và thiết kế cuộn cảm
- Do ở việt nam,các lõi cuộn cảm không có thông số kỹ thuật chính xác nên việc
tính chọn chính xác cuộn cảm là rất khó khăn, bởi vậy mà ta chỉ tính gần đúng
rồi dùng thực nghiệm tạo ra cuộn cảm với số vòng dây chuẩn.
* / Tính toán giá trị của cuộn cảm:
Đồ thị dòng đ iện và áp trên mạch.
*/ khi van mở ta có :
L =Uin-Uout
*/ khi van khóa :
L =-Uout
Giả thiết : U in= const => dòng qua L có dạng tuyến tính
+/ 0 ≤ < t1 ; iL=Imin + .t
Page
15
- Báo cáo thực tập tốt nghiệp- Hà thế Tài
+/ t1≤ t < T ; iL= Imax - ( t- t1).
t=t1 thì :
Imin+ * t1 =Imax
∆IL=Imax-Imin= * t1 (a)
*/ ở chế độ xác lập :
IL(t=0) =iL(t=T)
Imin =Imax- ( T- t1).
∆IL= Imax-Imin= ( T- t1). (b)
ừ (a),(b) ta có : Uout= *U in . (c)
Ta thường lấy ∆IL =(5-10%) Iout
Từ công thức (a) ta có :
L= *t1 (1)
∆
Mà ta có: ( duty cycle)= (2)
Giả thiết không có tổn hao công suất trên mạch ta có :
Pin=Pout =P U in*Iin = Uout*Iout =>Ura= = =20 (V).
∗
+/ ta chọ n tần số làm việc của mạch là f=50 (KHz)
=0.02*10-3 (s)
Từ đây suy ra : T= =
=0.02*10-3 * = 0.01666*10-3 (s)
Vậy từ (2) suy ra : t1=T*
Thay t1 vào biểu thức (1) ta có :
*0.01666*10 -3=0.002 (H).
L=
.∗ ∗
Page
16
- Báo cáo thực tập tốt nghiệp- Hà thế Tài
*/ Thiết kế cuộn cảm :
-ta chọn lõi ferrite kiểu chữ E.
Việc tính toán chính xác số vòng dây và lõi không tính được do lõi mua không
có hệ số từ thẩm bão hòa Bsat bởi vậy mà ta phải thực hiện b ằng thực nghiệm.
- Lõi ferrite ở mạch là loại E5724. Có kích thước rộng là : 18.8 (mm)
- số vòng dây ta thực hiện bằng thực nghiệm sao cho độ đập mạch của dòng
điện phù hợp với yêu cầu.
- kích thước dây đồng : với giá trị mật độ dòng điện thông thường là 5A/mm2,
thì với Iout= 350 mA,ta chọn dây có đường kính là : d=0.35 (mm).
Page
17
- Báo cáo thực tập tốt nghiệp- Hà thế Tài
b.4. tính chọn điện trở Rs
- để tính chọn được Rs ta phải dựa vào dòng điện phản hồi và điện áp phản hồi.
-đối với chế độ current mode thì dòng điện phản hồi sẽ đi vào chân 3 của IC
UC3842 ,điện áp tối đa đặt lên chân 3 là 1,1V và dòng đ iện tố i đa đưa về phản
hồi dòng là I = 0,473.4 = 1,892A, do đó đ iện trở phản hồi dòng có giá trị là :
RCS= Uph/Iph= 0,52Ω
C.Tính toán m ạch điều khiển
C.1. tính cấp nguồn cho IC
- do ở đây nguồn cấp ta sử dụng là nguồn 24 V-DC nên ta sử dụng trực tiếp
nguồn này cấp cho IC qua một trở mồi, mà không cần mạch cấp bù từ cuộn phụ
qua chỉnh lưu.
Vcc
HI
R4
7
2 6
CC
VFB OUT
V
1
COMP
4
RT/CT
UC3843
GD
N
3 8
ISENSE VREF
5
0
H ình 13: sơ đồ cấp nguồn cho IC UC3842
- điện áp cấp vào cho chân 7 của IC là khoảng 18 V - 23V với điện áp 24 V nên
chọn có giá trị là :
R=U/I=6/10-3=6 K Ω
Page
18
- Báo cáo thực tập tốt nghiệp- Hà thế Tài
Do khi mắc tải sẽ gây sụt áp nên để có thể chỉnh được điện áp cấp cho IC ổ n
định thì thay vì ta sử d ụng một trở có giá trị cố định thì ta sử dụng một biến trở
có thể chỉnh được : ở đây ta sử dụng biến trở có giá trị R 4=10KΩ.
C.2. tính cấp điện áp so sánh và hồi tiếp cho chân 1 và chân 2.
HI
R1
Vcc
7
R2
2 6
VCC
VFB OUT
1
COMP
R5
4
RT/CT
UC3843
GND
3 8
ISENSE VREF
R3
R
5
0 0
H ình 14 :sơ đồ mạch phản hồ i.
- áp vào chân 1 và chân 2 có giá trị: 2 < U1,2≤ 2 ,5 (V). Và dòng điện là 1mA
- tính chọ n và thiết kế sao cho có thể tinh chỉnh được giá trị cấp cho hợp lý. Ta
cũng lấy điện áp cấp cho chân 1 và 2 như hình vẽ nên vào vẫn là 24V.
- điện áp vào chân 1 là 2 V, 1mA => ta cần chọn giá trị của trở là :
R=U/I=(24-2)/10 -3=22 K Ω.
- cũng như cấp điện áp cho chân 7 ta không sử dụng trở có giá trị cố định
và sử dụng biến trở , ở đây ta sử dụng biến trở R2=20K Ω
Ta sẽ lắp thêm trở R3= 2 KΩ tạo cầu phân áp để chỉnh điện áp cho chân 1 dễ
hơn.
- Để nguyên thiết kế như tính toán trên lý thuyết thì khi thực nghiệm biến
trở bị cháy khi điều chỉnh giá trị, bởi vậy mà lắp thêm điện trở R1=10 KΩ
vào mạch nối tiếp với biến trở R2= 20KΩ. Khi đó thì việc tinh chỉnh sẽ
thực hiện được trên cả hai biến trở của mạch, mà không bị cháy.
Page
19
- Báo cáo thực tập tốt nghiệp- Hà thế Tài
C.3. Tính toán RT &CT
7
2 6
VC C
VFB OUT RT
1
COMP
4
RT/CT
UC3843 CT
GN D
3 8
0
ISENSE VREF
5
0
H ình 15 : sơ đồ mạch cấ p dao động R-C cho chân 4
- chọn tần số chuyển mạch f=50KHz
- tần số của dao độ ng phụ thuộc vào giá trị của RT và CT
- ta có công thức : f=
- chọn R=10KΩ => C= = =2 (µF).
∗
- đây là tụ dùng để tạo dao động nên phải là tụ không phân cực.
- vậy mạch dao động ta sử dụng RT=10 KΩ & CT=2 (µF).
C.4. tại chân 3 có một điện trở và tụ để giảm sự tăng đột biến của tín hiệu vào
chân 3. Ta chọn R=(1KΩ) và C=470 pF
C.5. trở m ắc từ chân 2 qua chân 1 của IC ta chọn giá trị R= 100KΩ.
Page
20
nguon tai.lieu . vn
