CHƯƠNG I: DẪN NHẬP Trang 2 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƢƠNG II: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN CÁC MẠCH CÔNG SUẤT BIÊN ĐỔI ĐIỆN ÁP 2. 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.1 Giản đồ xung PWM.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.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 do an 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: Utb= Ud(V) (2.1) Gọi D = là tỉ số giữa thời gian mở trên toàn chu kì khi đó ( ) 2.2 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.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 do an 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 : Tdon= 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 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 do an 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.4 Giản đồ xung PFM.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.5 Xung PFM điều khiển van MOSFET.
CHƢƠNG III: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHẾ PWM VÀ PFM CỦA BỘ THÍ NGHIỆM Trang 6 do an 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 0Ton van MOSFET đóng điện áp Vcc đƣợc đặt lên tải, khoảng thời gian từ TonT1 van MOSFET đóng điện áp đặt lên tải bị ngắt. Điện áp trung bình đặt lên tải đối với chu kì T1: Utb1= .2) - Xét chu kì T2: khoảng thời gian từ T1T1+Ton van MOSFET đóng điện áp Vcc đƣợc đặt lên tải, khoảng thời gian từ T1 + TonT1 +T2 van MOSFET đóng điện áp đặt lên tải bị ngắt. Điện áp trung bình đặt lên tải đối với chu kì T2: Utb1= .3) - Xét chu kì T3: khoảng thời gian từ T1 + 3.T2 + ton van MOSFET đóng điện áp Vcc đƣợc đặt lên tải, khoảng thời gian từ T1+3.T2+ TonT1+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= .4) Vậy điện áp trung bình đặt lên tải với các chu kì T1, T2, T3 nhƣ sau: Utb = (Utb1+Utb2+Utb3 ) = ( + + )= ( + + ) Utb =Ton.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.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 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2.3 Tổng quan khuếch đại xung điều khiển: 2.1 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 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 do an 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 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.