Mạch nghịch lưu

1.Giới thiệu:-Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn 1 chiều sang dạng năng lượng xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều.

-Tương ứng với ngõ ra điều khiển là điện áp hay dòng điện mà ta có bộ nghịch lưu áp hay bộ nghịch lưu dòng.

-Các bộ nghịch lưu tạo thành bộ phận chủ yếu trong cấu tạo của bộ biến tần.Trong lĩnh vực tần số cao,bộ nghịch lưu thường dùng trong các lò cảm ứng trung tần,thiết bị hàn trung tần.Dùng làm nguồn điện xoay chiều cho nhu cầu gia đình,làm nguồn điện liên tục UPS,điều khiển chiếu sáng.

-Nghịch lưu là bộ chuyển đổi điện thế DC thành AC tuần hoàn với tần số mong muốn khác tần số điện khu vực (ví dụ như 400Hz trong hàng không…) nhưng có dạng không sin.Muốn có dạng sin ta dung các kỹ thuật khác nhau để biến đổi sang dạng sin.Bộ phận quan trọng là bộ công tắc điện tử công suất lớn thường dung như :Transitor,Mosfet,SCR…Trong mạch này ta sử dụng Mosfet.

2.Yêu cầu:-Điện áp vào : 24 Vdc,sai số chỉ được 10%.

-Điện áp ra : 220V,sai số chỉ được 5%.

-Dòng ra :4A (dòng tối đa cung cấp cho tải).

3.Phân tích thiết kế:

a.Sơ đồ khối:

Khối nguồn Khối tạo dao động

Khối khuếch đại công suất

Biến áp

b.Linh kiện sử dụng:-IC 4047

Chức năng: tạo sóng vuông hai nửa chu kỳ.

Đây là ic gồm 14 chân đóng gói dạng Dip. Điện áp hoạt động trong khoảng từ 3 đến 18V. Chúng ta cần quan tâm tới chức năng của các chân sau:

+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 10 đầu ra xung vuông bán chu kỳ dương.

+Chân 11 đầu ra xung vuông bán chu kỳ âm.

+Chân 7 cấp nguồn âm.

+Chân 14 cấp nguồn dương.

Tần số của xung vuông ra được tính theo công thức: T = 2.48RC

-IC 7805

-Mosfet 9540,540

Có hai lựa chọn chính cho việc sử dụng khoá đóng cắt công suất trong điều khiển đông cơ đó là MOSFET và IGBT. Cả hai loại MOSFET và IGBT đều là linh kiện được điều khiển bằng điện áp, nghĩa là việc dẫn và ngưng dẫn của linh kiện được điều khiển bằng một nguồn điện áp nối với cực gate của linh kiện thay vì là dòng điện trong các bộ nghịch lưu sử dụng transitor như trước đây. Vì vậy cách sử dụng loại linh kiện này làm cho việc điều khiển trở nên dễ dàng hơn. Thông thường MOSFET được sử dụng với các ứng dụng đòi hỏi tốc độ cao, tuy nhiên MOSFET không có khả

năng chịu dòng điện cao. Trong khi đó IGBT thích hợp với các ứng dụng ở tốc độ thấp, tuy nhiên IGBT có khả năng chịu được dòng điện cao. Với yêu cầu của đồ án ta chọn MOSFET.

Các yêu cầu chính đặt ra cho linh kiện sử dụng làm bộ nghịch lưu :

+ Điện áp VDS > Vdc = 24V+ Dòng điện qua MOSFET > dòng định mức của tải .+ Rds nhỏ+ Chịu được tần số đóng ngắt cao.

Với yêu cầu đó ta chọn MOSFET kênh N IRF540N:

VDSS = 100V

RDS(on) = 44mΩ

ID = 33A

Và chọn MOSFET kênh P bổ phụ với IRF540N là IRF9540N:

VDSS = -100V

RDS(on) = 0.117Ω

ID = -23A

Hình 2. Hình dáng của Mosfet IRF9540n

-Bjt 2sc1815

2SC1815 là transistor bipolar, tức là loại transistor có 2 mối nối PN (NP-PN), đây là loại transistor công suất nhỏ NPN rất thông dụng. Đặc tính kỹ thuật của nó là: * Điện áp đánh thủng trên chân CB, với chân E bỏ trống là: VCB0 = 60V.* Điện áp đánh thủng trên chân CE, với chân B bỏ trống là: VCE0 = 50V.* Dòng điện chảy ra trên chân C là: Ic = 150mA.* Chịu công suất đốt nóng trên chân C là: Pc = 400mW.* Hệ số khuếch đại dòng hFE trong khoảng: 70 đến 700, bình thường là: 220.* Tần số làm việc là: fT = 80MHz.

* Tụ liên cực ở ngả ra là: Cob = 3.5pF Chúng ta biết 2SC1815 là transistor NPN, transistor PNP hỗ bổ của nó là 2SA1015, nghĩa là 2 transistor này có các đặc tính kỹ thuật đều giống nhau, chúng chỉ khác là được cấu trúc NPN và PNP.

Trong hình minh họa trên, cho thấy cách dùng một transistor 2SC1815 với mạch cho chậm nối loa vào máy tăng âm. Mạch R và C trên chân B dùng làm mạch mở điện trể. Nguyên lý của mạch trể như sau: Khi mạch vừa được cấp nguồn, tụ C1 (1000uF) khởi đầu nạp điện từ mức áp 0V, lúc này transistor 2SC1815 không dẫn điện, dòng nạp của tụ C1 (1000uF) qua R1 (10K) và diode zener 10.1V, khi điện áp trên tụ C1 lên đến khoảng 1.2V thì transistor dẫn điện, nó cấp dòng cho relay 12V đóng các tiếp điểm lá kim để cho nối loa vào mạch. Trong mạch người ta dùng 3 diode: * Diode ngang R1 dùng để tạo đường xả điện nhanh cho tụ C1 khi tắt máy. * Diode trên chân B của transistor dùng nâng cao mức ngưỡng kích dẫn transistor lên mức 1.2V. * Diode mắc ngang relay dùng dập mức áp nghịch, phản hồi do cuộn dây của relay.-Biến áp

Máy biến áp là một thiết bị điện từ tĩnh, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, dùng

để biến đổi điện áp của hệ thống dòng điện xoay chiều nhưng vẫn giữ nguyên tần số. Hệ

thống điện đầu vào máy biến áp ( trước lúc biến đổi ) có : điện áp U1, dòng điện I1, tần số

f. Hệ thống điện đầu ra của máy biến áp ( sau khi biến đổi ) có : điện áp U 2, dòng điện I2

và tần số f.

Đầu vào của máy biến áp nối với nguồn điện, được gọi là sơ cấp. Đầu ra nối với tải gọi là

thứ cấp. Các đại lượng, các thông số sơ cấp trong ký hiệu có ghi chỉ số 1 : số vòng dây sơ

cấp w1, điện áp sơ cấp U1, dòng điện sơ cấp I1, công suất sơ cấp P1. Các đại lượng và

thông số thứ cấp có chỉ số 2 : số vòng dây thứ cấp w2, điện áp thứ cấp U2, dòng điện thứ

cấp I2, công suất thứ cấp P2.

-Ắc quy

Ăcquy là loại bình hoá học dùng để tích trữ năng lượng điện và làm nguồn điện cung cấp

cho các thiết bị điện như động cơ điện, bóng đèn làm nguồn nuôi cho các linh kiện điện

tử vv...

c.Sơ đồ nguyên lý,phân tích mạch điện:-Đề tài chủ yếu đi sâu vào nguyên lý hoạt động của mạch nghịch lưu trên cơ sở lý thuyết đã học và tham khảo từ nhiều nguồn,chúng em triển khai mạch ở mức độ đơn giản với công suất ra trung bình như dưới:

M 1I R F 5 4 0 N

M 2I R F 5 4 0 N

M 3I R F 5 4 0 N

M 4I R F 5 4 0 N

M 5I R F 5 4 0 N

M 6I R F 5 4 0 N

R 1 1

1 0 k

R 1 2R E S I S TO R V A R

M 7I R F 9 5 4 0

M 8I R F 9 5 4 0

M 9I R F 9 5 4 0

M 1 0I R F 9 5 4 0

M 1 1I R F 9 5 4 0

M 1 2I R F 9 5 4 0

U 2

L 7 8 0 5 / TO 2 2 0

V I N1

V O U T2

V 11 2 V d c

0

T1

TR A N _ H M 3 1

1 3

2 5

U 1

4 0 4 7

A S T5

A S T4

-T6 +T8

Q1 0

Q1 1

O S C1 3

C X1

R X2

R C C3

R E T1 2

R S T9

V D D1 4

R 1

1 0 k

C 10 . 3 3 u

R 31 0 k

0

Q 3

2 S C 1 8 1 5

Q 4

2 S C 1 8 1 5

R 81 0 k

R 91 0 k

0

0

0

C 31 n

C 41 n

C 54 7 u

0

1. Khối nguồn

Nguồn DC 12V từ ắc quy được dùng để cung cấp cho mạchTrong khối nguồn, dùng IC 7805 để chuyển mức áp 12V từ ắc quy về áp 5V cung cấp cho IC 4047. Còn áp cung cấp cho 2 BJT và tầng khuếch đại công suất Mosfet thì vãn dùng áp 12V

Mạch nguồn nuôi 5V dùng IC ổn áp loại 3 chân, họ 78xx. Ở đây dùng IC 7805 nên mức áp cho ra trên chân OUT là 5V có độ ổn định rất tốt. Khi dùng loại IC ổn áp này, bên tải, tức bên ngả ra ta cần dùng tụ điện để dập hiện tượng dao động tự kích trong IC. Hiện tượng tự kích, do tải thiếu tụ, sẽ làm cho mức áp ngả ra dao động tần thấp, lúc lên cao lúc xuống thấp. Công dụng của IC 7805 là giữ cho điện áp nguồn cấp cho IC 4047 luôn được ổn định, nó không bị thay đổi theo mức áp 12V nhấp nhô theo điều kiện thai đổi của tải, điều này giữ được biên độ và tần số của tín hiệu kích thích được ổn định.2. Khối tạo dao động

IC 4047 được mắc theo sơ đò trên sẽ phát ra sóng vuông với hai nửa chu kỳ lệch pha nhau 180˚

. Để tần số hoạt động là 50Hz tính toán theo công thức T=4.4RC ta chọc thông số R,C nhưsau: C=0.33uF, R=13.7Kohm, giá trị R có được bằng cách mắc nối tiếp điện trở 10K và một biến trở 10K. Biến trở này có tác dụng chỉnh tần phù hợp với yêu cầu.

Tín hiệu từ 2 chân 10 và 11 có mức cao logic ở khoảng 5V nên sẽ được đưa vào 2BJT 2SC1815 để tăng mức cao logic lên 12V, đảm bảo kích mở cho MOSFET.

3. Tầng khuếch đại công suất

* Với loại MOSFET kênh P, khi trên chân Gate chưa có tích điện tích âm, thì trong kênh dẫn P chưa hình thành đường hầm dẫn điện. Chỉ khi trên chân Gate có tích điện tích âm, lúc đó nó tạo ra rất nhiều lỗ trốngn(tương đương điện tích dương) trong kênh P, nhờ có đường hầm này nối thông giếng chân S và chân D nên lúc này chân DS sẽ dẫn điện và nó cho dòng điện chảy qua. * Ngược lại, với loại MOSFET kênh N thì chỉ khi trên chân Gate có tích điện tích dương, lúc đó giữa hai giếng S và D mới hình thành đường hầm với nhiều diện tử tự do, lúc này transistor mới dẫn điện và cho dòng điện chảy qua kênh. Vậy, chỉ khi cực Gate của transistor MOSFET kênh P có mức áp thấp hơn chân S thì lúc đó nó mới dẫn điện. Và ngược lại khi cực Gate của transistor MOSFET kênh N có mức áp cao hơn chân S thì lúc đó nó mới dẫn điện. Hình 4: Nguyên lý làm việc của tầng công suất kéo đẩy.

Hình vẽ cho thấy, ta dùng 2 transistor MOSFET hỗ bổ để làm cầu kéo đẩy, lúc chân Gate ở mức áp thấp (L., Low) thì transistor MOSFET kênh P dẫn điện và lúc mức áp của tín hiệu trên chân Gate lên cao (H, High) thì đến transistor MOSFET kênh N dẫn điện. Điều này sẽ tạo ra dòng điện luôn đổi chiều cho chảy qua cuộn sơ cấp của biến áp và với hiện tượng cảm ứng điện từ của biến áp, lúc này trên cuộn thứ cấp quấn nhiều vòng hơn sẽ cho ra mức áp volt cao.

Vì mỗi MOSFET chịu được dòng tối đa là 23A đối với IRF9540n và 33A đối với IRF540n nên ta dùng 4 tầng FET được mắc song song nhau để đảm bảo cung cấp đủ dòng ra 4A cho tải mà FET không bị cháy.

Khi hoạt động ở trạng thái tối đa của tải, dòng qua tải 4A thì dòng qua cuộn sơ cấp của Biến áp là: 220x4/12=73A, do đó mỗi FET sẽ chịu dòng là 73/4=18A < Id(max)

4. Tầng lọc ngõ ra

Bộ lọc LC được dùng để lọ c các thành phần sóng hài bậc cao . Mạch lọc LClà mạch lọc có khả năng lọc tốt nhất, có khả năng lọc được nhiều tần số theo ýmuốn. Nhược điểm lớn nhất của mạch lọc là giá thành và sự vận hành của mạch. Chúng ta biết rằng cuộn cảm có t rở khá ng t ỷ lệ v ới t ầ n số (ZL= ω.L) còn t ụ điện có trở kháng t ỷ lệ nghịch v ới t ầ n số nguồn điện (ZC= 1/ ω C), v ì v ậy kết hợp hai phần tử này t a sẽ có bộ lọc. Cuộn cảm L mắc nố i tiếp với tải sẽ chặn lại những thànhphần tần số cao, t ụ điện C mắc song song v ới t ả i sẽ cho qua (nối mass ) những thành phần tần số cao mà cuộn cảm không chặn lại được.

5. Nguyên lý hoạt động của toàn hệ thống

-Toàn bộ hệ thống mạch sử dụng nguồn 12V từ ắc quy. Ắc quy trong mạch sử

dụng với thông số là điện áp đầu ra 12v và dòng điện là 73A

-Khi được cấp nguồn IC 4047 sẽ hoat động tạo xung 50Hz và lệch pha nhau 180

độ, xung của 4047 phụ thuộc vào điện trở và 1 tụ (yêu cầu tụ điện ngoài nối giữa chân 1

và chân 3 ,1 điện trở giữa chân 2 và chân số 3cuả IC). Để tín hiệu có tần số thích hợp,

chọn tụ C=0.33uF, R=10K

-Để có thể điều chỉnh được tần số phát ra ta mắc nối tiếp điện trở với 1 biến trở

10k để có thể dễ dàng giải tần số của nó .

-Tín hiệu xung ra ở 2 chân 10 và 11 luôn lệch pha nhau, có biên độ khoảng 5V,

được dẫn qua và nối qua điện trở gây sụt áp trên điện trở.

-Tín hiệu xung lúc này khoảng 0.8V được cấp trực tiếp vào chân số B của BJT

2SC1815, làm tăng biên độ mức logic cao của xung ra cung cấp kích khởi cho MOSFET

- Xung điện áp đối xứng kích mở cho IRF540N VÀ IRF9540N dẫn dẫn theo từng

cặp đi qua biến áp theo 2 chiều ngược nhau. Kết quá là có dòng điện xoay chiều xuất

hiện trong cuộn sơ cấp Biến áp. Qua Biến áp, điện áp được nâng lên 220V

- Tụ 400V-2uF được mắc song song với ngõ ra để kết hợp với cuộn thứ cấp Biến

áp làm thành mạch lọc LC, lọc các hài bậc cao của tín hiệu sóng vuông, tạo cho điện áp

ra trở nên gần Sine để cung cáp cho các thiết bị có tính cảm kháng hoạt động.

+ Khi xảy ra sự cố quá tải dòng tăng sẽ làm đứt cầu chì cắt điện áp cấp cho mạch.