Thiết kế và thi công bộ điều khiển mạch công suất biến đổi điện áp tại HCMUTE

1. CHƯƠNG I: DẪN NHẬP

1.1. Nội dung nghiên cứu

1.2. Bố cục nghiên cứu

2. CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN CÁC MẠCH CÔNG SUẤT BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP

2.1. Tổng quan về điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation)

2.1.1. Nguyên lí hoạt động của xung PWM trong mạch điều khiển

2.1.2. Cách tạo xung PWM

2.1.3. Ứng dụng của xung PWM

2.2. Tổng quan về điều chế tần số xung PFM (Pulse Frequency Modulation)

2.2.1. Nguyên lý hoạt động của xung PFM trong mạch điều khiển

2.2.2. Cách tạo xung PFM

2.2.3. Ứng dụng của xung PFM

2.3. Tổng quan khuếch đại xung điều khiển

2.3.1. Mạch khuếch đại là gì

2.3.2. Các phương pháp khuếch đại điện áp xung

3. CHƯƠNG 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. Giới thiệu IC SG3524

3.1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của IC SG3524

3.2. Phương án sử dụng IC SG3524 trong bộ điều chế PWM

3.3. Điều chế xung PFM sử dụng RC4152 và HEF4528B

3.3.1. Phương án sử dụng IC RC4152 và HEF4528B cho bộ điều chế PFM

3.3.2. Giải quyết vấn đề băm xung và cách ly

3.3.2.1. Băm xung bằng IC HEF40106 và IC MC14011

3.3.2.2. IC đệm dòng ULN2003

3.3.2.3. Sơ lược về transistor trường MOSFET IFR840

3.3.2.4. Phương án cách ly điện áp bằng biến áp xung

3.3.2.5. Nguồn cung cấp

4. CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ THI CÔNG BỘ THÍ NGHIỆM

4.1. Yêu cầu thiết kế của bộ thí nghiệm

4.2. Phương án thiết kế

4.2.1. Quy cách thiết kế mặt nạ

4.2.2. Quy cách kích thước của hộp điều khiển

4.2.3. Phân tích thiết kế từng khối

4.2.3.1. Khối điều chế độ rộng xung PWM

4.2.3.2. Khối điều chế tần số xung PFM

4.2.3.3. Khối băm xung và cách ly

4.3. Thiết kế mạch in

4.3.1. Thiết kế mạch in cho khối nguồn

4.3.2. Thiết kế mạch in cho bộ thí nghiệm

5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

5.1. Kết quả sản phẩm của đề tài

5.2. Kết quả đo dạng xung ngõ ra của khối điều chế PWM

5.3. Kết quả đo dạng xung ngõ ra khối điều chế PFM

6. CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

6.1. Hướng phát triển

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu chung

Đề tài 'Thiết kế và thi công bộ điều khiển mạch công suất biến đổi điện áp tại HCMUTE' tập trung vào việc phát triển một bộ điều khiển cho các mạch công suất biến đổi điện áp. Mục tiêu chính là tạo ra một thiết bị có khả năng điều khiển linh hoạt, sử dụng các phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) và điều chế tần số xung (PFM). Việc thiết kế này không chỉ đáp ứng nhu cầu thực tiễn trong phòng thí nghiệm mà còn góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy và nghiên cứu trong lĩnh vực điện tử công suất tại HCMUTE.

1.1 Tầm quan trọng của bộ điều khiển

Bộ điều khiển mạch công suất biến đổi điện áp đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh điện áp và dòng điện cho các thiết bị điện tử. Việc sử dụng các phương pháp điều chế như PWM và PFM giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của mạch, giảm thiểu tổn thất năng lượng và nâng cao độ tin cậy của hệ thống. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp và nghiên cứu, nơi mà yêu cầu về hiệu suất và độ chính xác là rất cao.

II. Lý thuyết về điều chế PWM và PFM

Chương này trình bày tổng quan về lý thuyết điều chế độ rộng xung (PWM) và điều chế tần số xung (PFM). PWM là phương pháp điều chế phổ biến, cho phép điều chỉnh điện áp ngõ ra bằng cách thay đổi độ rộng của xung. Nguyên lý hoạt động của PWM dựa trên việc đóng ngắt nguồn cung cấp cho tải theo chu kỳ, từ đó tạo ra điện áp trung bình trên tải. Trong khi đó, PFM điều chỉnh điện áp bằng cách thay đổi tần số xung, giữ nguyên độ rộng xung. Cả hai phương pháp này đều có ứng dụng rộng rãi trong điều khiển động cơ, nguồn điện và các thiết bị điện tử khác.

2.1 Nguyên lý hoạt động của PWM

Nguyên lý hoạt động của PWM dựa trên việc điều chỉnh thời gian mở và đóng của một van bán dẫn. Khi van mở, điện áp được cung cấp cho tải, và khi van đóng, điện áp ngừng cung cấp. Thời gian mở và đóng này được điều chỉnh để tạo ra điện áp trung bình mong muốn. Công thức tính điện áp trung bình trên tải cho thấy mối quan hệ giữa thời gian mở, chu kỳ và điện áp cung cấp. Việc sử dụng PWM trong các ứng dụng thực tế như điều khiển động cơ và nguồn điện giúp cải thiện hiệu suất và giảm thiểu tổn thất năng lượng.

2.2 Nguyên lý hoạt động của PFM

Kỹ thuật PFM cho phép điều chỉnh điện áp ngõ ra bằng cách thay đổi tần số xung trong khi giữ nguyên độ rộng xung. Điều này có nghĩa là điện áp và dòng điện qua tải được điều chỉnh thông qua tần số thay vì thời gian mở. PFM thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu hiệu suất cao hơn so với PWM, mặc dù kỹ thuật này phức tạp hơn. Việc áp dụng PFM trong các mạch công suất biến đổi điện áp cho thấy khả năng điều chỉnh linh hoạt và hiệu quả trong việc quản lý năng lượng.

III. Thiết kế và thi công bộ điều khiển

Chương này mô tả quy trình thiết kế và thi công bộ điều khiển cho các mạch công suất biến đổi điện áp. Các bước thực hiện bao gồm khảo sát tài liệu, thiết kế sơ đồ nguyên lý, tính toán thông số linh kiện và thi công mạch. Việc thiết kế mạch in và kiểm tra các thông số kỹ thuật là rất quan trọng để đảm bảo bộ điều khiển hoạt động ổn định và hiệu quả. Các linh kiện được lựa chọn dựa trên yêu cầu kỹ thuật và khả năng tương thích với các phương pháp điều chế đã đề cập.

3.1 Quy trình thiết kế

Quy trình thiết kế bộ điều khiển bắt đầu từ việc khảo sát các tài liệu liên quan đến PWM và PFM. Sau đó, thiết kế sơ đồ nguyên lý được thực hiện, trong đó các linh kiện chính như IC điều chế, transistor và các linh kiện hỗ trợ khác được xác định. Tính toán thông số linh kiện là bước quan trọng để đảm bảo mạch hoạt động đúng theo yêu cầu. Cuối cùng, mạch được thi công và kiểm tra để đảm bảo đáp ứng các thông số kỹ thuật ban đầu.

3.2 Thi công mạch

Thi công mạch bao gồm việc lắp ráp các linh kiện theo sơ đồ thiết kế và kiểm tra kết nối. Sau khi hoàn thành, mạch được kiểm tra để đảm bảo hoạt động đúng theo yêu cầu. Việc đo đạc và so sánh kết quả với thông số kỹ thuật ban đầu là rất cần thiết để đánh giá hiệu suất của bộ điều khiển. Các vấn đề phát sinh trong quá trình thi công được ghi nhận và chỉnh sửa kịp thời để đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng

Kết quả nghiên cứu cho thấy bộ điều khiển mạch công suất biến đổi điện áp hoạt động hiệu quả với các phương pháp điều chế PWM và PFM. Các kết quả đo đạc cho thấy điện áp ngõ ra ổn định và đáp ứng tốt với các thay đổi trong điều kiện hoạt động. Bộ điều khiển này có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ giáo dục đến công nghiệp, giúp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và giảm thiểu tổn thất.

4.1 Kết quả đo đạc

Kết quả đo đạc cho thấy bộ điều khiển đạt được các thông số kỹ thuật mong muốn. Điện áp ngõ ra từ bộ điều khiển ổn định trong các điều kiện khác nhau, cho thấy khả năng điều chỉnh linh hoạt của PWM và PFM. Việc so sánh kết quả với các thông số kỹ thuật ban đầu cho thấy mạch hoạt động đúng theo thiết kế, từ đó khẳng định tính khả thi của đề tài nghiên cứu.

4.2 Ứng dụng thực tiễn

Bộ điều khiển mạch công suất biến đổi điện áp có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như điều khiển động cơ, nguồn điện và các thiết bị điện tử khác. Việc áp dụng các phương pháp điều chế PWM và PFM giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu tổn thất năng lượng. Điều này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường thông qua việc sử dụng năng lượng hiệu quả hơn.

V. Kết luận và hướng phát triển

Đề tài 'Thiết kế và thi công bộ điều khiển mạch công suất biến đổi điện áp tại HCMUTE' đã đạt được các mục tiêu đề ra. Bộ điều khiển được thiết kế và thi công thành công, hoạt động hiệu quả với các phương pháp điều chế PWM và PFM. Hướng phát triển trong tương lai có thể bao gồm việc mở rộng khả năng điều khiển, cải tiến thiết kế mạch và ứng dụng trong các lĩnh vực mới.

5.1 Kết luận

Kết luận cho thấy bộ điều khiển mạch công suất biến đổi điện áp không chỉ đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật mà còn có tiềm năng ứng dụng cao trong thực tiễn. Việc nghiên cứu và phát triển bộ điều khiển này là một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực điện tử công suất tại HCMUTE.

5.2 Hướng phát triển

Hướng phát triển trong tương lai có thể tập trung vào việc cải tiến hiệu suất của bộ điều khiển, mở rộng khả năng điều khiển cho các loại mạch khác nhau và nghiên cứu các ứng dụng mới trong lĩnh vực năng lượng tái tạo. Việc áp dụng công nghệ mới và cải tiến thiết kế sẽ giúp nâng cao hiệu quả và tính ứng dụng của bộ điều khiển trong thực tế.

Khảo sát thiết kế và thi công bộ điều khiển cho mạch công suất biến đổi điện áp tại HCMUTE