Điều khiển nguồn AC bằng PWM sử dụng MOSFET/IGBT : Nguồn điện lưới là dòng điện xoay chiều có dạng sóng sin. Nguồn điện phổ biến cho các hộ gia đình là nguồn điện xoay chiều một pha. Tần số và biên độ của sóng xoay chiều thay đổi theo từng vùng với 50 Hz hoặc 60 Hz là tần số chung và biên độ 110V hoặc 240V.
Định mức công suất của một thiết bị điện hoặc thiết bị sẽ xác định công suất mà nó sử dụng để hoạt động bình thường. Điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta muốn giảm cường độ của một bóng đèn điện hoặc chạy động cơ với tốc độ nhỏ hơn? Điều này có thể đạt được bằng cách giới hạn công suất cho thiết bị tức là cung cấp ít điện hơn công suất danh định lớn nhất.
Khái niệm hạn chế nguồn điện cung cấp cho thiết bị này được gọi là điều khiển nguồn AC. Kiểm soát nguồn AC cho phép chúng tôi sử dụng hiệu quả nguồn điện có sẵn cho các ứng dụng khác nhau.
Có hai loại điều khiển nguồn AC: ON-OFF hoặc điều khiển điều chế bỏ qua xung và điều khiển pha. Trong điều khiển bật-tắt, tải được kết nối với nguồn AC trong khoảng thời gian ngắn và nguồn AC được tắt trong một khoảng thời gian nào đó.
Một thiết bị chuyển mạch nhanh như thyristor được sử dụng để kết nối và ngắt tải với nguồn điện AC. Trong phương pháp điều khiển pha, tải được kết nối với nguồn AC trong một khoảng thời gian cụ thể của cả hai nửa chu kỳ.
Điều khiển nguồn AC dựa trên kỹ thuật PWM được thiết kế ở đây là một loại điều khiển bật-tắt. Mạch điều chỉnh nguồn AC cung cấp cho bất kỳ tải nào như bóng đèn điện, động cơ, bộ khuếch đại, v.v.
Sơ đồ mạch Điều khiển nguồn AC bằng PWM
Các Linh kiện trong mạch
Mô tả thành phần
Arduino Uno
Nó là một bảng tạo mẫu dựa trên vi điều khiển. Mục đích của bảng Arduino trong dự án này là tạo ra tín hiệu PWM cần thiết và cũng kiểm soát chu kỳ hoạt động của tín hiệu PWM với sự trợ giúp của các công tắc để điều khiển công suất đầu ra được cung cấp cho bóng đèn.
Một trong các chân I / O kỹ thuật số được sử dụng làm đầu ra PWM và bốn chân I / O kỹ thuật số khác được sử dụng làm đầu vào từ các công tắc.
GBPC 610
Nó là một bộ chỉnh lưu sóng đầy đủ kiểu cầu được sử dụng trong chuyển đổi AC sang DC.
IRGP4063
Nó là IGBT (Transistor lưỡng cực cổng cách điện) với định mức 600V và 96A với công suất tiêu tán tối đa là 330W. Mục đích của IGBT trong mạch này là hoạt động như một công tắc để bật và tắt nguồn cung cấp theo chu kỳ nhiệm vụ pf của PWM.
CNY65
Nó là một IC optocoupler có một điện trở quang được ghép nối quang với một đèn LED (ánh sáng hồng ngoại được phát ra). Nó được sử dụng để cách ly mạch tín hiệu PWM yếu khỏi bóng bán dẫn điện áp cao và dòng cao (IGBT hoặc MOSFET).
Nguyên lý làm việc Điều khiển nguồn AC bằng PWM
Mục đích của mạch này là điều khiển nguồn điện xoay chiều cung cấp cho một thiết bị điện như bóng đèn với sự trợ giúp của sóng sin xoay chiều được điều chế độ rộng xung. Nguồn điện xoay chiều (240V @ 50Hz) được cấp cho bộ chỉnh lưu cầu (BR1). Điều này được khắc phục thêm với sự trợ giúp của diode D1 và mạch lọc được tạo thành bởi điện trở R1 và tụ điện C1.
Đầu ra của tín hiệu được lọc này là tín hiệu DC, tín hiệu này được cấp cho optocoupler dưới dạng điện áp DC. Một bóng đèn mắc nối tiếp với cầu và nguồn điện.
Bảng Arduino Uno được sử dụng để tạo ra sóng PWM. Bốn công tắc được sử dụng với Arduino để chọn các chu kỳ nhiệm vụ khác nhau của tín hiệu PWM.
Bốn công tắc liên kết với Arduino cung cấp các chu kỳ nhiệm vụ 0%, 25%, 50% và 75%. Khi không có công tắc nào được nhấn, công suất tối đa được phân phối đến bóng đèn.
Tín hiệu PWM từ vi điều khiển (Arduino) được đưa đến đầu vào của Optocoupler (CNY65) với bóng bán dẫn trong optocoupler được kết nối với điện áp DC từ bộ chỉnh lưu để dẫn nhanh.
Một điện trở (R5) được sử dụng nối tiếp với optocoupler để bảo vệ diode phát hồng ngoại trong optocoupler. Điện trở R4 được sử dụng để giảm gai chuyển mạch. Mục đích của optocoupler là cô lập tín hiệu PWM điện áp thấp khỏi điện áp và dòng điện lớn trong bóng bán dẫn.
Đầu ra của bộ ghép quang là cùng một tín hiệu PWM từ vi điều khiển (Arduino) và sẽ hoạt động như tín hiệu đầu vào được áp dụng cho cổng của bóng bán dẫn.
Bóng bán dẫn phải là thiết bị chuyển mạch tốc độ cao có thể xử lý công suất lớn. Do đó, có thể sử dụng MOSFET hoặc IGBT công suất. Điều quan trọng cần nhớ khi hoạt động với MOSFET và PWM là MOSFET vẫn bật
Làm thế nào PWM có thể được sử dụng để điều khiển nguồn AC? Cách hiệu quả nhất để điều khiển nguồn AC là điều chỉnh tần số của tín hiệu AC. Xem xét tình huống có công tắc giữa thiết bị điện như bóng đèn và nguồn điện chính.
Nếu công tắc BẬT (hoặc đóng) trong 2 giây và TẮT (hoặc mở) trong 2 giây, thì mức tiêu thụ điện sẽ giảm 50%.
Nếu hành động chuyển đổi nhanh đến mức mắt người không phát hiện ra thì bóng đèn sẽ xuất hiện vì nó liên tục phát sáng với độ sáng chỉ bằng một nửa và chỉ tiêu thụ 50% điện năng. IGBT hoặc MOSFET được sử dụng làm công tắc và hoạt động chuyển mạch của bóng bán dẫn được điều khiển bằng xung.
Khoảng thời gian bật (cao) và tắt (thấp) của xung sẽ xác định xem bóng bán dẫn được bật hay tắt và do đó điều khiển nguồn AC và đây là cách tín hiệu PWM được sử dụng trong điều khiển nguồn AC.
Các khoảng thời gian bật và tắt của sóng PWM xác định một yếu tố gọi là chu kỳ nhiệm vụ và đây là một tham số quan trọng trong việc kiểm soát công suất.
Sóng PWM chu kỳ làm việc 50% sẽ chỉ cung cấp 50% công suất tối đa và sóng PWM chu kỳ làm việc 33% sẽ chỉ cung cấp 33% công suất tối đa.
Một điều quan trọng cần được xem xét khi chọn thiết bị chuyển mạch là nó phải có hành động chuyển mạch nhanh và cũng phải có khả năng xử lý công suất lớn.
Ghi chú
- Mạch được đề cập ở đây có thể được sử dụng với bóng đèn. Không thể sử dụng tải cảm ứng như động cơ vì mạch phân cực DC.
- Có thể sử dụng mạch phát hiện không chéo nhưng điều này có thể khiến bộ vi điều khiển rất bận rộn vì nó phải liên tục theo dõi xem có giao nhau không.
- MOSFETS cũng có thể được sử dụng thay cho IGBT nhưng MOSFETS tản nhiệt tốt hơn trong trường hợp IGBT.
- Vị trí của đèn có thể được di chuyển và đặt ở cống của bóng bán dẫn.
- Trong trường hợp có bất kỳ nhấp nháy nào, cuộn cảm 100µH có thể được sử dụng trong đường ra.
Các ứng dụng
- Mạch này có thể được sử dụng để điều khiển nguồn AC cung cấp cho thiết bị điện.
- Các sửa đổi nhẹ trong mạch sẽ cho phép nó điều khiển nguồn AC thành các tải cảm ứng như động cơ.
- Có thể được sử dụng để tiết kiệm nguồn AC vì nó có thể điều chỉnh nguồn điện cung cấp cho thiết bị điện.