Đề tài Bộ nghịch lưu một pha dùng IC CD4047

LỜI MỞ ĐẦU Điện tử công suất là một môn học được xem là rất quan trọng của chuyên ngành điện – điện tử. Ngày nay điện tử công suất đóng vai trò rất quan trọng trong sản xuất và đời sống con người. Nó được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện đại : truyền động điện, giao thông đường sắt, nấu luyện thép, gia nhiệt cảm ứng, điện phân nhôm từ quặng, các quá trình điện phân trong công nghiệp hoá chất thiết bị công nghiệp, dân dụng. Để tìm hiểu về môn học này, sau đây nhóm 8 em xin được giới thiệu một đề tài nhỏ rất hữu dụng trong cuộc sống “ Bộ Nghịch Lưu Một Pha Dùng IC CD4047” Đề tài được chia làm 4 phần chính : 1. Tìm hiểu về cơ sở lí thuyết. 2. Giới thiệu linh kiện trong mạch. 3. Sơ đồ và nguyên lý làm việc 4. Vẽ mạch và thi công mạch in, khảo sát thực tế. Đề tài tuy đã hoàn thành nhưng cũng không tránh khỏi nhiều sai sót, mong được sự đóng góp ý kiến của thầy Chúng em xin chân thành cảm ơn !!! TP. HCM Ngày 15 tháng 05 năm 2012 Nhóm Sinh Viên Thực Hiện: Lê Công Tỷ Nguyễn Văn Hội Lầm Tài Cóng Võ Minh Tâm BỘ NGHỊCH LƯU INVERTER DÙNG IC CD4047 I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT. Trong thực tế chúng ta có hai dạng điện năng: dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều. Dòng điện xoay chiều có ứng dụng rất rộng trong sản xuất, sinh hoạt, tuy nhiên dòng điện một chiều cũng có vai trò không kém phần quan trọng. Nó cung cấp điện năng vận hành các van điện tửcác thiết bị điện tử.Người ta thường tạo ra dòng một chiều từ xoay chiềuNếu mất điện thì sao nhỉ?, chắc chắn cuộc sống của chúng ta sẽ khó khăn rất nhiều.Câu hỏi đặt ra là:”chúng ta sẽ làm gì khi không có điện xoay chiều, làm thế nào chúng ta tạo ra nó?. Có rất nhiều cách tạo ra dòng xoay chiều : sử dụng máy phát chạy bằng dầu hay sức gió, sử dụng tấm năng lượng mặt trời Ngày nay, trong công nghiệp, sinh hoạt người ta tạo ra dòng xoay chiều từ dòng một chiều. Nguyên lí nghịch lưu : 1.1 Khối Nguồn. Nguồn một chiều DC, có thể lấy từ acquy hay các bộ chỉnh lưu. Thời gian sử dụng phụ thuộc vào dung lượng lưu trữ của acquy, công suất P=U*I. Ở đồ án này ta sử dụng nguồn DC từ bộ chỉnh lưu không điều khiển 1 pha, với I=3A, U=12VDC. Vậy công suất của mạch là P=UI=36W. 1.2 Khối Dao Động Nhiệm vụ của khối tạo sóng dao động đưa vào khối công suất với tần số điện công nghiệp. Sóng ở đây thường là hai dạng chính: hình Sin hoặc xung vuông. Thường thì khối công suất trở kháng đầu vào rất nhỏ nên trên thực tế chúng ta cần một khối khuếch đại đệm làm nhiệm vụ ổn định khối phát xung dao động, giảm trờ kháng đầu vào cho tầng công suất. 1.3 Khối Công Suất. Từ dạng sóng nhận được từ khối phát, khối công suất sẽ khếch đại đưa đến biến áp tạo điện áp xoay chiều. Thường thì khối này sử dụng các linh kiện công suất như Thysistor, transistor chịu dòng lớn Ở đây ta sử dụng MOSFET IRF 540. Để khối công suất hoạt động tốt ta cần hệ thống tản nhiệt làm mát. 1.4 Biến Áp Sử dụng biến áp cách ly một pha 12V-220V/ 3A. Bộ phận này quyết định tới việc tạo ra tín hiệu xoay chiều, quyết định công suất toàn mạch. Nó có tỷ số vòng dây cuộn thứ cấp lớn hơn cuộn sơ cấp. Công suất của mạch được tính Pmax =UI Với I là dòng điện biến áp chịu được. U là hiệu điện thế đặt vào cuộn sơ cấp. II. CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG IC CD4047 CD4047 là IC tạo xung vuông họ CMOS, điện áp làm việc có thể lên đến 20VDC. Đây là IC gồm 14 chân được đóng gói dạng dip 100T. Điện áp hoạt động trong khoảng từ 0.5VDC – 20VDC. Nhiệt độ làm việc từ -65oC đến +150oC và có thể chịu nhiệt độ +260oC trong 10s. Chức năng các chân : Chân 1 : đầu vào tụ C Chân 2 : đầu vào điện trở R Chân 3 : đầu vào R-C tạo dao động với tần số định sẵn Chân 4 : trạng thái bền Chân 5 : trạng thái không bền Chân 6 : chân kích khởi âm Chân 7 : nguồn âm Chân 8 : chân kích khởi dương Chân 9 : reset Chân 10 : đầu ra xung vuông bán kỳ dương Chân 11 : đầu ra xung vuông bán kỳ âm Chân 12 : kích khởi lại Chân 13 : đầu ra OSC Chân 14 : nguồn dương Tần số của xung vuông được tính theo công thức: F = 14.4RC Sơ đồ khối bên trong IC CD4047 -Hoạt động của IC như sau: Hoạt động của chân astable được phép khi đạt đầu vào chân 5 ở mức cao hoặc mức thấp của chân 4 hoặc của 2 chân. Độ rộng của xung vuông của Q và ̅ là hàm của đầu vào phụ thuộc vào R C Chân 5 astable cho phép mạch làm bộ tạo dao động đa hài qua cổng 5. Độ rộng xung ở chân 13 bằng 1/2 đầu ra Q trong chế độ astable. Trong chế độ ổn định đơn khi có sườn dương ở đầu vào +trigger(8) khi chân trigger(6) ở mức thấp các xung đầu vào có thể thuộc bất kỳ thời điểm nào tương ứng với xung đầu ra. -Chân 12 cho phép kích mở trở lại khi nó là xung dương. -Đặc điểm của vi mạch như sau: -Công suất tiêu thụ thấp -Hoạt động ở trạng thái đơn là chế độ không ổn định - Các đầu ra ổn định ở mức các thể bù bổ xung chỉ yêu cầu một tín hiệu duy nhất ngoài R hoặc C các đầu vào có điệm kiểm tra tĩnh ở điện áp 20V được chuẩn hoá đặc tính , đặc tính ở đầu ra chuẩn và đối xứng. 2.2 MOSFET IRF 540 Là Mosfet kênh N có 3 chân được đóng gói dạng T0220 Peak Diode Recovery: Giới hạn tốc độ tăng điện áp trên diot mắc giữa cực Drain và Souce, khi quá giá trị này van sẽ hỏng. Sở dĩ có thông số này là vì trong van tồn tại các giá trị điện dung và điện cảm ký sinh. Khi có biến thiên điện áp ,các yếu tố này sẽ tương tác, tạo ra một sức điện động đủ lớn để phá hỏng các lớp tiếp giáp trong van. Continuous Drain Current dòng điện một chiều liên tục lớn nhất chảy qua mosfet, giới hạn bởi tổn hao dẫn , thường cho ở 25°C và 100°C. Gate-to-Source Voltage: Điện áp điều khiển giữa cực Gate và Souce, thường lớn nhất là 20V,thực tế hay đặt khoảng 10V,khi mosfet hoạt động xảy ra hiện tượng điện áp điều khiển bị tăng cao do ảnh hưởng của điện dung ký sinh giữa cực Drain và Gate,khi tính toán nếu thấy điện áp này tăng cao cần thêm một diode zener mắc giữa cực Gate và Souce. Operating Junction and Storage Temperature Range: giới hạn nhiệt độ của lớp tiếp giáp,thường là -55 đến +175°C. Quá thang nhiệt độ này van sẽ hỏng. Total Gate Charge: Điện tích tổng cộng của các tụ điện ký sinh trên cực Gate tại một giá trị Uđk nhất định, thường cho ở 10V, đây chính là điện tích mà mạch điều khiển(gate driver) phải nạp hoặc xả cho các tụ này trong quá trình đóng hay mở van.Bởi vậy mà mạch điều khiển đôi khi còn được gọi là Gate charge. Rise Time và Fall Time: thời gian chuyển mạch của van tương ứng từ trạng thái khoá sang trạng thái dẫn và ngược lại , được trình bày trong giản đồ dưới đây.Đây là thông số quyết định đến tổn hao chuyển mạch , là thông số quan trọng khi đánh giá chất lượng của van, khi tính toán mạch điều khiển thì Rise Time và Fall Time của xung điều khiển phải bé hơn các thông số này của van. 2.3 Máy Biến Áp. -Biến áp cách ly 220VAC-12VAC/3A -Dùng biến đổi điện áp thành điện áp chuẩn 220V ra tải sử dụng. -Với biến áp 3A này ta có ngỏ ra với công suất sẽ là 36W. 2.4 Tụ Điện – Điện Trở -Điện trở 820Ω ( để hạn dòng ra cho LED. - Điện trở 330Ω ( : hạn dòng vào các chân 4 5 6 14 của IC CD4047 - 2 Điện trở 220Ω ( ) : hạn dòng cho Mosfet IRF 540 -Điện trở 390KΩ ( ) và biến trở 100 KΩ (V ) : định tần số xung ra IC 4047 -Tụ 2200μ ( )/ 25V :lọc nhiễu nguồn 1 chiều vào nghịch lưu. -Tụ 0.01μ cùng điện trở và biến trở xác định tần số cho IC CD4047. - Với giá trị trong mạch ta có tần số xung ra của IC từ 46 HZ tới 58HZ 2.5 Các Thiết Bị Khác Gồm đèn LED, công tắc on/off, dây dẫn, domino,diot,biến trở III. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ, PHÂN TÍCH MẠCH 3.1 Sơ Đồ Nguyên Lý 3.2 Phân Tích Mạch IC CD4047 đóng vai trò chính trong mạch này. IC này được nuôi bằng nguồn 12V cung cấp vào chân 14. Qua IC này tạo ra được 2 xung dương có giá trị ngược nhau tại 2 chân đầu ra Q và Q đảo.Cặp RC có tác dụng tạo dao động với tần số : F = 14.4RC ta có thể thay đổi tần số đầu ra của xung điều khiển bằng cách điều chỉnh giá trị của biến trở Sau đó 2 xung này được đưa vào mosfet IRF540. Để tránh dòng vào lớn từ IC4047 ta thêm vào điện trở 220Ω ở mỗi cổng Q và ̅. Xung này có tác dụng kích mở IEF540 Từ hình minh hoạ ta thấy có 2 dòng điện ngược chiều nhau chạy qua cuộn dây sơ cấp của biến. Như vậy ta đã tạo ra được dòng điện xoay chiều. Xung đầu ra chân 10 và 11 của IC 4047 đảm bảo chỉ có 1 chân ở mức cao và lúc đó chân kia ở mức thấp, vì vậy đảm bảo 2 mosfet IRF540 sẽ đóng mở luân phiên theo tần số ra của IC 4047 MẠCH NGUỒN VÀ MẠCH HOÀN THIỆN Dạng Sóng Thực Tế KẾT LUẬN Mạch inverter sử dụng IC CD4047 và Mosfet IRF540 như đã trình bày ở trên là một dạng mạch đơn giản, dễ dàng thi công lắp đặt. Mạch có công suất nhỏ khoảng 36W và dạng sóng ra chỉ là dạng xung vuông. Vì vậy không thích hợp cho các tải động cơ. Với mạch này, nhóm 8 dùng cho tải bóng đèn, với tần số ra được tinh chỉnh nhờ biến trở VR1. Với mạch thực tế của nhóm, khi không tải, mạch cho ra nguồn điện với điện áp gần 240VAC. Khi lắp đèn vào có thể thắp sáng.