Thiết kế mạch giảm áp buck – converter
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (521.21 KB, 18 trang )
BÁO CÁO
BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
ĐỀ TÀI :
THIẾT KẾ MẠCH GIẢM ÁP
BUCK – CONVERTER
GVHD : TS Hàn Huy Dũng
Hà Nội 6/2015
Ổn áp Buck - Converter
Nhóm 3
MỤC LỤC
2
Ổn áp Buck - Converter
Nhóm 3
LỜI NÓI ĐẦU
Chúng ta đang sống trong thế kỷ 21,thế kỷ của cách mạng khoa học và công nghệ.
Điện, điện tử phát triển ngày càng mạnh mẽ và mang lại những ứng dụng vô cùng to
lớn cho sự phát triển kinh tế trên toàn thế giới. Điện tử công suất là công nghệ biết đổi
điện năng từ dạng này sang dạng khác trong đó các phần tử bán dẫn công suất đóng
vai trò trung tâm. Điện tử công suất được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành
công nghiệp hiện đại. Trong các máy móc thiết bị công nghiệp,cũng như đời sống
hằng ngày đều phải sử dụng điện năng, có nhưng thiết bị hoạt động trong dải điện áp
lớn, cũng có thiết bị hoạt động trong dải điện áp nhỏ. Để cho các thiết bị hoạt động
trong dải điện áp thấp chúng ta cần rất nhiều bộ chuyển đổi khác nhau để đáp ứng dải
điện áp cho các thiết bị đó. Trong bài tập lớn lần này, chúng em lựa chọn một bộ
chuyển đổi có chức năng đó là ”Mạch giảm áp Buck Converter”.
Bảng phân công công việc
STT
Nội dung công việc
1
Làm mô phỏng và vẽ mạch in
2
Tìm hiểu nguyên lý và mua linh kiện
3
Viết báo cáo
4
Thiết lập công thức
5
Làm mạch in
3
Ổn áp Buck - Converter
I.
Nhóm 3
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
1. Tổng quan về ổn áp Buck
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.
Mạch Buck là mạch có chức năng giảm điện áp đầu vào của bộ chuyển đổi
xuống điện áp thấp hơn và ổn định hơn
Ứng dụng :
+ Trong các động cơ mô tô 1 chiều ….
+ Cho các thiết bị hoạt động trong dải tần thấp
+ Mạch đơn giản
+ Cung cấp điện một chiều và điều khiển tốc độ động cơ một chiều …
2. Chế độ hoạt động
-
Dòng IL không đổi
Dòng IL không liên tục với VD là hằng số
Dòng IL không liên tục với VO là hằng số
2.1 Chế độ dẫn liên tục
Là chế độ : dòng dẫn liên tục và IL bằng 0 tại hai đầu mút
4
Ổn áp Buck - Converter
Nhóm 3
2.2 Chế độ dẫn không liên tục
Là chế độ : trong một chu kỳ IL = 0 trong khoảng ∆2.TS
II.
PHÂN TÍCH MẠCH
1. Sơ đồ tổng quan các khối
220V - AC
Giảm điện áp
xoay chiều
Làm phẳng
Chỉnh lưu
điện áp 1
chiều
2. Mạch Buck lý tưởng
5
Buck
converter
Ổn áp Buck - Converter
Nhóm 3
Cấu tạo mạch:
-
Diode : bảo vệ khóa T trong giữa khoảng thời gian Ton và Toff tránh có dòng dò
chảy ngược lại đánh thủng khóa T
-
Khóa T : điều chỉnh điện áp đầu ra bằng cách thay đổi chu kỳ đóng ngắt
-
Bộ lọc thông thấp : gồm cuộn cảm và một tụ điện có chức năng ổn định điện áp
đầu ra
-
Vd : điện áp đầu vào của mạch
3. Nguyên lý hoạt động của mạch
Gọi T là chu kỳ chuyển mạch, t1(ton) là thời gian đóng mạch (on-time) và
t2(toff) là thời gian mở mạch (off-time)
-
Trong khi on-time thì điện áp đầu vào được đưa vào mạch
Vin=V1, Diode sẽ bị phân cự ngược và bị khóa lại, khi đó dòng điện sẽ qua
cuộn cảm và cuộn cảm L1 sẽ nạp năng lượng. Chiều dòng điện như hình vẽ:
-
Trong khi van off-time thì cuộn cảm L phóng điện chống lại sự giảm đột ngột dòng
điện trong mạch và tiếp tục dẫn dòng điện đi qua tải, đi qua R và Diode,kết quả
điện áp V1=0. Trong thời gian van off-time thì điện áp V1=0 nhưng dòng điện L I
vẫn không giảm về 0. Đây được gọi là chế độ Continuous mode. Chiều dòng điện
như hình vẽ:
6
Ổn áp Buck - Converter
Nhóm 3
III. TÍNH TOÁN GIÁ TRỊ VỀ MẠCH BUCK
1. Chu kỳ chuyển mạch
Trong đó :
-
t1 là thời gian van đóng mạch (on – time )
t2 là thời gian van mở mạch (off – time)
2. Chu kỳ nhiệm vụ ( Độ rộng xung )
3. Tính toán giá trị điện áp ra ( Uout )
3.1 Khi van mở :
≤
Thời gian : 0 t
I min +
U in + U out
.t1 = I max
L
Vậy:
7
Ổn áp Buck - Converter
Nhóm 3
∆I L = I max − I min
U in + U out
=
.t1(1)
L
3.2 Khi van khóa ta có :
L.
diL
= −U out
dt
≤
Thời gian: t1 t
U out
−
( t − t1 )
L
I L = I max
Khi ở chế độ xác lập:
I L (t = 0) = I L (t = T )
⇒ I min
U out
= I max −
(T − t1 )
L
Vậy :
⇒ ∆L = I max − I min
U out
=
.( T − t1 ) (2)
L
Từ (1) và (2) ta có :
U out
t1
= .U in
T
4. Tính toán giá trị cuộn cảm
Từ công thức (1) , ta có :
8
Ổn áp Buck - Converter
Nhóm 3
U in − U out
L=
.t1
∆L
Với :
∆L = (5 ÷ 10%).I out
IV. THIẾT KẾ BỘ TẠO XUNG VỚI TẦN SỐ 10KHZ DÙNG
IC 555
1. Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung
2. Tính toán giá trị của tần số
Với tần số là 10kHz,chọn tụ C3=1nF và R1=R2:
Công thức tính :
9
Ổn áp Buck - Converter
Nhóm 3
T = 0.693* ( R1 + 2.R 2 ) * C3
Ta có:
T=
1
1
−4
=
=
10
(s)
3
f 10.10
T
⇒ R1 = R2 =
= 48Kohm
0.693* C3*3
V.
TÍNH TOÁN CÁC GIÁ TRỊ ĐỂ TIẾN HÀNH MÔ
PHỎNG VÀ LÀM MẠCH
1. Tính toán các giá trị trong mạch Buck
Với đầu vào của mạch Buck là 12V,đầu ra của mạch là 6V,dòng điện
I out = 3(Am)
,tần số là f=10kHz.
1.1 Chu kỳ chuyển mạch T:
T=
1
1
−4
=
=
10
( s)
3
f 10.10
1.2 Thời gian van đóng t1:
U out =
t1
.U in
T
U out .T 6 *10−4
⇒ t1 =
=
= 5 × 10−5 ( s )
U in
12
10
Ổn áp Buck - Converter
Nhóm 3
1.3 Độ rộng xung D
t1 5 × 10 −5
D= =
= 0.5
−4
T
10
1.4 Giá trị cuộn cảm L:
⇒L=
∆L = 0.1* I out = 0.3
U in − U out
12 − 6
.t1 =
.5 × 10 −5 = 0.001( H )
∆L
0.3
2. Mô phỏng
2.1 Sơ đồ mô phỏng trên Psim
-
Điện áp đầu vào mạch:12V
11
Ổn áp Buck - Converter
-
Nhóm 3
Khóa T:sử dụng Mosfet
Diode:bảo vệ khóa T giữa các chu kỳ đóng mở
Cuộn cảm L
Tụ điện C
Điện trở R
2.2 Kết quả mô phỏng
Từ biểu đồ ta thấy:
Điện áp đầu ra và dòng điện qua cuộn cảm phụ thuộc vào thời gian
đóng mở của khóa T.
Nhìn thấy được thời gian đóng và mở của khóa T,thông qua giá trị
dòng điện khi đi qua cuộn cảm.
Khi ta thay cuộn cảm L=50uH, ta có dạng đồ thị như sau:
12
Ổn áp Buck - Converter
Nhóm 3
Từ biểu đồ thị ta thấy:
Điện áp ra và dòng qua cuộn cảm đều tăng nhưng dạng sóng chưa ổn
định.
Dẫn tới, ta cần thay đổi thông số cuộn cảm L vì do ở chu kỳ khóa T ngắt
cuộn cảm xả cho tải R không đủ lớn,dẫn đến ta cần tăng giá trị cuộn cảm L.
Khi ta tăng cuộn cảm L=500uH, ta có dạng đồ thị như sau:
Từ biểu đồ thị ta thấy:
Dạng sóng cảu điện áp ra và dòng điện qua cuộn cảm đã ổn định
hơn, nhưng vẫn có gợn sóng.
13
Ổn áp Buck - Converter
Nhóm 3
Do vây, muốn dạng sóng ra ổn định hơn ta cần phải tăng giá trị cảu
cuộn cảm L và giảm giá trị tụ C vì tụ C có chức năng sạc xả cho tải R trong
các chu kỳ khóa T đóng mở tương ứng.
Khi ta tăng cuộn cảm L=1000uH(Theo cách tính lý thuyết) và
giảm tụ C=200uF, ta có dạng đồ thị sau:
Ta thấy dạng sóng ra đã ổn định hơn,với điện áp đầu ra đạt 6V.
2.3 Đồ thị dạng xung điều khiển tạo ra bằng IC555
Xung tại đầu ra
của IC555
14
Ổn áp Buck - Converter
Nhóm 3
3. Tiến hành làm mạch
3.1 Sơ đồ nguyên lý :
Bộ
tạo
xung
Bộ ổn áp
Buck
3.2 Sơ đồ mạch in
15
Ổn áp Buck - Converter
Nhóm 3
3.3 Mạch thực tế
Kết quả thu được: Với điện áp vào ra 9V DC , đo được ở đầu ra là 5V DC
Kết quả mô phỏng : Với điện áp vào là 9V DC, đầu ra thu đc là 5.12V DC
VI. NHẬN XÉT
1. Ưu điểm:
-
Mạch đơn giản,nhỏ gọn,dễ thiết kế,mô phỏng.
Hiểu chi tiết nguyên lý hoạt động của mạch và các linh kiện.
16
Ổn áp Buck - Converter
-
Nhóm 3
Điện áp và dòng ổn định.
Mạch hoạt động đúng chức năng.
2. Nhược điểm:
-
Mạch chỉ hoạt động với tải thuần trở R và không hoạt động với tải RL.
17
Ổn áp Buck - Converter
Nhóm 3
KẾT LUẬN
Sau một thời gian, tìm hiểu và sự nỗ lực của các thành viên, chúng em đã hoàn
thành bài tài lớn đúng theo kế hoạch. Mạch đã được hoàn thiện như theo các yêu cầu
của thầy. Các kết quả thu được gần đúng như mô phỏng theo lý thuyết. Tuy nhiên do
trình độ còn hạn chế, nên vẫn còn vài thiếu sót, mong thầy và các bạn bỏ qua.
Chúng em rất mong nhận được sự đóng góp nhiệt tình của các bạn để bài tập
lớn được hoàn thiện hơn nữa!
Cuối cùng, chúng em cảm ơn thầy TS. Hàn Huy Dũng đã hướng dẫn tận tình
và tạo mọi điều kiện để bài tập lớn được hoàn thành.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
18
