Thiết kế mạch băm xung sử dụng IRF 640

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................... 1 Phần I THIẾT KẾ MẠCH BĂM XUNG SỬ DỤNG IRF 640 ................................... 2 1. Giới thiệu về đồng hồ vạn năng ( VOM) .................................................................... 2 2. Diode ............................................................................................................................. 4 2.1 Xét đặc tính của diode ............................................................................................. 5 2.2 Phương pháp kiểm tra diode ................................................................................ 5 3. Transistor ...................................................................................................................... 6 3.1 Kiểm tra transistor ................................................................................................. 6 4. Tụ điện ............................................................................................................................ 6 4.1 Các loại tụ điện ....................................................................................................... 7 4.2 Dùng thang đo điện trở để kiểm tra tụ điện ..................................................... 7 4.2.1 Kiểm tra tụ điện ............................................................................................... 7 5. Điện trở ......................................................................................................................... 8 6. Chiết áp .......................................................................................................................... 9 7. IC 555 .......................................................................................................................... 10 7.1 Cấu trúc bên trong IC 555 .................................................................................... 10 8. IRF 640 ......................................................................................................................... 12 8.1. Cấu tạo của Mosfet ............................................................................................... 12 9. Sơ đồ nguyên lý ............................................................................................................ 16 9.1 Thuyết minh sơ đồ nguyên lý ........................................................................... 16 9.2 Thông số linh kiện ................................................................................................ 17 9.3 Chế tạoo mạch in ................................................................................................... 17 9.3.1 Chế tạo mạch ................................................................................................... 19 9.4. Thử nghiệm .......................................................................................................... 20 PHẦN II THIẾT KẾ BỘ ĐẾM DÙNG VI XỬ LÝ 89C51 ....................................... 21 1. Giới thiệu họ MCS-51 ................................................................................................. 21 1.1 Các đặc điểm của 8951 được tóm tắt như sau: ............................................. 21 1.2. Sơ đồ khối của AT89C51: ................................................................................... 22 1.3. Các thanh ghi có trong vi điều khiển bao gồm : ............................................... 22 1.4. Sơ đồ chân IC 89C51 ........................................................................................... 23 1.4.1 Nhóm chân nguồn, dao động và điều khiển ................................................. 24 1.5. Chức năng các chân của 8951 : ........................................................................... 24 1.6. Các Port: ............................................................................................................... 24 1.7. Giới thiệu về thạch anh ........................................................................................ 25 2. Sơ đồ nguyên lý ............................................................................................................ 26 2.1 Thuyết minh sơ đồ nguyên lý ............................................................................... 27 3 Nguyên lý của mạch hoạt động ................................................................................... 27 4 Thông số linh kiện ........................................................................................................ 27 6. Thử nghiệm .................................................................................................................. 29 III. Kết Luận .................................................................................................................... 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 31 1 LỜI NÓI ĐẦU Trong sự phát triển của điện tử hiện nay,điện tử đang dần chiếm ưu thế về số lượng lớn các ứng dụng của nó trên nhiều thiết bị điện tử dân dụng, trong nhiều lĩnh vực liên quan kỹ thuật, truyền động điện, điều khiển... nhờ vào các ưu điểm của nó. Có thể nói, nền tảng của điện tử số cũng như vi điều khiển . Các mạch logic sử dụng các ma trận LED để hiển thị thông tin nhằm mục đích thông báo, quảng cáo.. tại nơi công cộng đã được sử dụng rất rộng rãi. Trên cơ sở đã được học trong môn: điện tử công suất, vi xử lý và trong khuôn khổ của đồ án môn học: Thiết kế mạch bộ đếm dung vi xử lý 89C51 với tiêu đề đầy đủ là: Màn hình quảng cáo, ở chế độ văn bản sử dụng ma trận LED bộ đếm dung vi xử lý 89C51. Mạch điều khiển tốc độ động cơ dung mosfet IRF 640 để điều khiển tốc độ động cơ. Với mục đích là tìm hiểu về mạch điện tử công suất, mạch vi xử lý nâng cao kiến thức của mình. Do kiến thức còn hạn hẹp và thời gian thực hiện không nhiều nên đề tài của em còn nhiều sai sót và hạn chế. Mặc dù đã phần nào thiết kế và tính toán chi tiết các mạch, các thông số nhưng đôi khi còn mang tính lý thuyết, chưa thực tế. Em mong sự đóng góp và sửa chữa để đề tài này mang tính khả thi hơn. Em xin chân thành cảm ơn thầy đã hướng dẫn chúng em hoàn thành chuyên đề này. Hà Nội, 30 tháng 6 năm 2015 Phần I Thiết kế mạch băm xung sử dụng IRF 640 2 Phần I THIẾT KẾ MẠCH BĂM XUNG SỬ DỤNG IRF 640 1. Giới thiệu về đồng hồ vạn năng ( VOM) Đồng hồ vạn năng hiển thị số Đồng hồ vạn năng dạng kim Hình 1.1. Đồng hồ vạn năng Đồng hồ vạn năng hay vạn năng kế là một dụng cụ đo lường điện có nhiều chức năng. Các chức năng cơ bản là ampe-kế, vôn-kế, ôm-kế, ngoài ra có một số đồng hồ đo cả được tần số của dòng điện, điện dung tụ điện, kiểm tra bóng bán dẫn.Có hai loại đồng hồ đo : đồng hồ vạn năng hiển thị số (điện tử) và đồng hồ vạn năng dạng kim Đồng hồ vạn năng điện tử là đồng hồ sử dụng các linh kiện kiện điện tử chủ động và do đó cần có nguồn điện như pin. Đây là loại thông dụng nhất hiện nay cho người làm công tác kiểm tra điện và điện tử. Kết quả của phép đo thường được hiển thị trên một màn tinh thể lỏng. Đồng hồ vạn năng dạng kim là Bộ phận chính của nó là một Gavanô kế. Nó thường chỉ thực hiện đo các đại lượng điện học cơ bản là cường độ dòng điện, hiệu điện thế và điện trở. Hiển thị kết quả đo được thực hiện bằng kim chỉ trên một thước hình cung .Cung chia độ Phần I Thiết kế mạch băm xung sử dụng IRF 640 3 Hình 1.2. Cung chia độ đồng hồ vạn năng A: Là cung chia thang đo điện trở Ω : Dùng để đọc giá trị khi sử dụng thang đo điện trở. Cung chia độ thang đo Ω có giá trị lớn nhất bên trái và nhỏ nhất bên phải (ngược lại với tất cả các cung còn lại). B: Là mặt gương: Dùng để giảm thiểu sai số khi đọc kết quả, khi đọc kết quả hướng nhìn phải vuông góc với mặt gương – tức là kim chỉ thị phải che khuất bóng của nó trong gương. C: Là cung chia độ thang đo điện áp: Dùng để đọc giá trị khi đo điện áp một chiều và thang đo điện áp xoay chiều 50V trở lên. Cung này có 3 vạch chia độ là: 250V; 50V; 10V D: Là cung chia độ điện áp xoay chiều dưới 10V: Trong trường hợp đo điện áp xoay chiều thấp không đọc giá trị trong cung C. Vì thang đo điện áp xoay chiều dùng diode bán dẫn chỉnh lưu nên có sụt áp trên diode sẽ gây ra sai số. E: Là cung chia độ dòng điện xoay chiều tới 15A. F: Là cung chia độ đo hệ số khuếch đại dòng 1 chiều của transistor - hfe. G, H: Là cung chia độ kiểm tra dòng điện và điện áp của tải đầu cuối. I: Là cung chia độ thang đo kiểm tra dB: Dùng để đo đầu ra tín hiệu tần số thấp hoặc âm tần đối với mạch xoay chiều. Thang đo này sử dụng để độ khuếch đại và độ suy giảm bởi tỷ số giữa đầu vào và đầu ra mạch khuếch đại và truyền đạt tín hiệu theo đơn vị đề xi ben. Đồng hồ vạn năng dung để đo điện áp xoay chiều AC, một chiều DC, đo điện trở và điện kháng, kiểm tra các tụ hóa Với thang đo điện trở của đồng hồ vạn năng ta có thể đo được rất nhiều thứ.  Đo kiểm tra giá trị của điện trở Phần I Thiết kế mạch băm xung sử dụng IRF 640 4  Đo kiểm tra sự thông mạch của một đoạn dây dẫn  Đo kiểm tra sự thông mạch của một đoạn mạch in  Đo kiểm tra các cuộn dây biến áp có thông mạch không  Đo kiểm tra sự phóng nạp của tụ điện  Đo kiểm tra xem tụ có bị dò, bị chập không.  Đo kiểm tra trở kháng của một mạch điện  Đo kiểm tra đi ốt và bóng bán dẫn (diode,tranfsistor) 2. Diode Diode là phần tử được cấu tạo bởi một lớp tiếp giáp bán dẫn p-n. Điốt có hai cực, anot A là cực nối với lớp bán dẫn kiếu p, catot K là cực nối với bán dẫn kiểu n. Dòng điện chỉ chạy qua diode theo chiều từ A đến K khi điện áp Uak dương. Khi điện áp Uak âm, dòng qua diode gần như bằng không. Hình 1.3. Ký hiệu và hình dáng của diode bán dẫn Khi đã có hai chất bán dẫn là p và n, nếu ghép hai chất bán dẫn theo một lớp tiếp giáp p và n ta được một diode .Lớp tiếp giáp p-n có đặc điểm tại bề mặt tiếp xúc các điên tử dư thừa trong bán dẫn n khuếch tán sang vùng bán dẫn p để lấp các lỗ trống tạo thành một lớp ion trung hòa về điện lớp ion này tạo thành miền cách điện giữa hai chất bán dẫn. Kết quả tạo thành thành một tụ điện với các điện tích âm ở phía lớp p và các điện tích dương ở các lớp n. Các điện tích của tụ điện này tạo nên một điện trường E có hướng từ vùng n sang vùng p, ngăn cản sự khuếch tán tiếp tục của điện tử từ n sang p. Và E=0.65 đối với tiếp giáp p-n trên silic ở nhiệt độ 25 độ C Phần I Thiết kế mạch băm xung sử dụng IRF 640 5 Hình 1.4. Lớp tiếp giáp p-n 2.1 Xét đặc tính của diode Hình 1.5. Đường đặc trưng V-A của diode Nửa trái là ở chế độ phân cực ngược và nửa bên phải trục I là chế độ phân cực thuận. Đặc tính phân cực thuật tương ứng với Uak>0 còn đặc tính phân cực ngược ứng với Uak<0. Trên đường đặc tính thuật, nếu điện áp ano-catot tăng dần từ 0 đến khi qua ngưỡng điện áp Ud0 cỡ 0.6-0.7, dòng Id có thể thay đổi rất lớn nhưng điện áp rơi trên Uak hầu như ít thay đổi, điện trở R của diode rất nhỏ. Trên đườnh đặc tính ngược, nếu điện áp Uak tăng dần từ 0 đến giá trị U ngưỡng, max gọi là điện áp ngược lớn nhất, thì dòng qua diode vẫn có giá trị rất nhỏ. Cho đến khi Uak đạt tới U ngưỡng, max thì xảy ra hiện tượng diode bị đánh thủng. 2.2 Phương pháp kiểm tra diode : Đặt đồng hồ ở thang x 1kΩ-10kΩ , đặt hai que đo vào hai đầu Diode, nếu đo chiều thuận que đen (que nối với cực dương của pin) vào Anôt, que đỏ(que nối với cực âm) vào Katôt => kim lên, đảo chiều đo kim không lên là => Diode tốt Nếu đo cả hai chiều kim về 0 => là Diode bị chập. Nếu đo thuận chiều mà kim không lên => là Diode bị đứt. Phần I Thiết kế mạch băm xung sử dụng IRF 640 6 3. Transistor Transistor gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mối tiếp giáp P-N , nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận , nếu ghép theo thứ tự NPN ta được Transistor ngược, về phương diện cấu tạo transistor tương đương hai diode đấu ngược chiều nhau. 1.6. Transistor 3.1 Kiểm tra transistor Để đồng hồ ở thang đo điện trở, chạm que âm vào cực B que dương vào cực C rồi chuyển sang cực E, 2 trường hợp kim đều không lên tức là transitor còn tốt, nếu kim lên 1 trong 2 trường hợp hoặc cả 2 thì tức là transitor đã hỏng. 4. Tụ điện Tụ điện là một loại linh kiện điện tử thụ động tạo bởi hai bề mặt dẫn điện được ngăn cùng điện lượng nhưng trái dấu, cách bởi điện môi. Khi có chênh lệch điện thế tại hai bề mặt, tại các bề mặt sẽ xuất hiện điện tích, sự tích tụ của điện tích trên hai bề mặt tạo ra khả năng tích trữ năng lượng điện trường của tụ điện. Khi chênh lệch điện thế trên hai bề mặt là điện thế xoay chiều, sự tích luỹ điện tích bị chậm pha so với điện áp, tạo nên trở kháng của tụ điện trong mạch điện xoay chiều. Tụ điện không thể tạo ra electron - nó chỉ lưu trữ chúng. Tụ điện có khả năng nạp và xả rất nhanh. Phần I Thiết kế mạch băm xung sử dụng IRF 640 7 4.1 Các loại tụ điện Tụ điện phân cực Tụ không phân cực Tụ điện có trị số biến đổi Các siêu tụ điện Hình 1.7. Hình ảnh các siêu tụ điện 4.2 Dùng thang đo điện trở để kiểm tra tụ điện 4.2.1 Kiểm tra tụ điện  Kiểm tra tụ gốm: Chỉnh thang đo trên đồng hồ vạn năng về thang đo điện trở với giá trị khoảng 1kΩ đến 10 kΩ. Chạm 2 que đo của đồng hồ vào 2 chân của tụ điện nếu kim chỉ của đồng hồ quay lên rồi từ từ trở về vị trí cũ thì tức là tụ còn tốt, nếu kim quay lên mà không về lại vị trí cũ tức là tụ bị dò còn nếu kim quay chạm về 0 và không trở lại thì tức là tụ bị chập  Kiểm tra tụ hóa: Chỉnh thang đo trên đồng hồ về thang đo điện trở với giá trị khoảng 1Ω hoặc 10Ω. Tụ hóa thì thường không bị dò hay chập mà chủ yếu là chất lượng tụ bị giảm phóng nạp không tốt. Để kiểm tra xem tụ hóa có bị chập, dò, còn sử dụng được ta làm tương tự như tụ gốm nhưng với thang đo điện trở 1Ω hoặc 10Ω. Để kiểm tra chất lượng của tụ ta đem 1 tụ cùng loại chất lượng tốt để so sánh. Chạm 2 que đo của đồng hồ vào 2 chân của tụ điện, nếu tụ ta muốn kiểm tra kim quay lên cùng giá trị và trờ về vị trí cũ cùng thời gian với tụ mới thì tức là tụ còn tốt, ngược lại là chất lượng tụ đã giảm sút do tụ đã thay đổi điện dung. Phần I Thiết kế mạch băm xung sử dụng IRF 640 8 5. Điện trở Điện trở hay Resistor là một linh kiện điện tử thụ động trong một mạch điện, hiệu điện thế giữa hai đầu của nó tỉ lệ với cường độ dòng điện qua nó theo định luật Ohm U=I.R Mã màu trên điện trở Trong thực tế, để đọc được giá trị của một điện trở thì ngoài việc nhà sản xuất in trị số của nó lên linh kiện thì người ta còn dùng một qui ước chung để đọc trị số điện trở và các tham số cần thiết khác. Giá trị được tính ra thành đơn vị Ohm (sau đó có thể viết lại thành kí lô hay mêga cho tiện). Hình 1.8. Bảng màu điện trở Đối với điện trở 4 vạch màu  Vạch màu thứ nhất: Chỉ giá trị hàng chục trong giá trị điện trở  Vạch màu thứ hai: Chỉ giá trị hàng đơn vị trong giá trị điện trở  Vạch màu thứ ba: Chỉ hệ số nhân với giá trị số mũ của 10 dùng nhân với giá trị điện trở  Vạch màu thứ tư: Chỉ giá trị sai số của điện trở Phần I Thiết kế mạch băm xung sử dụng IRF 640 9 Ví dụ, điện trở 4 vạch màu ở phía trên có giá trị màu lần lượt là: xanh lá cây/xanh da trời/vàng/nâu sẽ cho ta một giá trị tương ứng như bảng màu lần lượt là 5/6/4/1%. Ghép các giá trị lần lượt ta có 56x104Ω=560kΩ và sai số điện trở là 1%. Đối với điện trở 5 vạch màu  Vạch màu thứ nhất: Chỉ giá trị hàng trăm trong giá trị điện trở  Vạch màu thứ hai: Chỉ giá trị hàng chục trong giá trị điện trở  Vạch màu thứ ba: Chỉ giá trị hàng đơn vị trong giá trị điện trở  Vạch màu thứ tư: Chỉ hệ số nhân với giá trị số mũ của 10 dùng nhân với giá trị điện trở  Vạch màu thứ 5: Chỉ giá trị sai số của điện trở Ví dụ điện trở điện trở 5 vạch màu có các màu lần lượt là: Đỏ/cam/tím/đen/nâu sẽ tương ứng với các giá trị lần lượt là 2/3/7/0/1%. Như vậy giá trị điện trở chính là 237x100=237Ω, sai số 1%. 6. Chiết áp Chiết áp xoay Hình 1.9. Chiết áp xoay Chiết áp ở đây chính là điện trở điều chỉnh, ta có thế thay đổi giá trị điện trở của triết áp thông qua núm xoay có gắn triên thân chiết áp . \ Phần I Thiết kế mạch băm xung sử dụng IRF 640 10 7. IC 555 IC 555 là một loại linh kiện khá là phổ biến bây giờ với việc dễ dàng tạo được xung vuông và có thể thay đổi tần số tùy thích, với sơ đồ mạch đơn giản,điều chế được độ rộng xung. Nó được ứng dụng hầu hết vào các mạch tạo xung đóng cắt hay là những mạch dao động khác. Đây là linh kiện của hãng CMOS sản xuất 7.1 Cấu trúc bên trong IC 555 Hình 1.10. Sơ đồ cấu trúc bên trên IC 555 Các chức năng của 555:  Là thiết bị tạo xung chính xác  Máy phát xung  Điều chế được độ rộng xung (PWM)  Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng trong thu phát hồng ngoại) Sơ đồ chân IC555 Phần I Thiết kế mạch băm xung sử dụng IRF 640 11 Hình 1.11. Sơ đồ chân của LM 555 Timer  Chân số 1 (GND) : Chân nối đất  Chân số 2(TRIGGER): Đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và được dùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp.Mạch so sánh ở đây dùng các transitor PNP  Chân số 3(output): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic. Trạng thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1. 1 ở đây là mức cao nó tương ứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%)  Chân số 4(resset): Dùng lập định mức trạng thái ra. Khi chân số 4 nối masse thì ngõ ra ở mức thấp. Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2 và 6.Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động thường hay nối chân này lên VCC.  Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND. Chân này có thể không nối cũng được nhưng mà để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định.  Chân số 6(THRESHOLD) : là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp khác và cũng được  Chân số 7(DISCHAGER) : có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu điều khiển bỡi tầng logic của chân 3 .Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại.ngược lại thì nó mở ra. Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C lúc IC 555 dùng như 1 tầng dao động . Phần I Thiết kế mạch băm xung sử dụng IRF 640 12  Chân số 8 (Vcc): Không cần nói cũng bít đó là chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động. Không có chân này coi như IC chết. Nó được cấp điện áp từ 2V -->18V (Tùy từng loại 555 thấp nhất là con NE7555) 8. IRF 640 Mosfet là Transistor hiệu ứng trường (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) là một Transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác với Transistor thông thường mà ta đã biết. Mosfet thường có công suất lớn hơn rất nhiều so với BJT. Đối với tín hiệu 1 chiều thì nó coi như là 1 khóa đóng mở. Mosfet có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện, là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợp cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu. 8.1. Cấu tạo của Mosfet Khác với BJT, Mosfet có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển bằng điện áp với dòng điện điều khiển cực nhỏ. Mosfet là loại bóng trường với 3 cực: D(Drain) S(Source) G(Gate). G : Gate gọi là cực cổng S : Source gọi là cực nguồn D : Drain gọi là cực máng Ký hiệu Hình 1.12. Ký hiệu mosfet  Cấu tạo của Mosfet ngược Kênh N Phần I Thiết kế mạch băm xung sử dụng IRF 640 13 Hình 1.13. Cấu tạo mosfet Trạng thái khóa của bóng :Ugs<=0, nên dùng điện áp âm Trạng thái dẫn: Ugs>0 để mở bảo hòa bóng cần có điện áp điều khiển vượt giá trị nhất định, thường lớn hơn 10V. Mosfet là van điều khiển bằng điện áp. Để đánh giá khả năng khuyếch đại của bóng ta dùng tham số độ hỗ dẫn của bóng Gfs( thể hiện trên đặc tính truyền đạt của bóng).