Trong lĩnh vực điện tử hiện đại, việc điều khiển tốc độ động cơ DC đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng, từ các thiết bị gia dụng đơn giản đến các hệ thống công nghiệp phức tạp. Một trong những phương pháp phổ biến và hiệu quả để thực hiện điều khiển tốc độ động cơ DC là sử dụng IC định thời 555 kết hợp với kỹ thuật PWM (Pulse Width Modulation – Điều chế độ rộng xung).
IC 555 là một mạch tích hợp đa năng, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng tạo xung, định thời và tạo dao động. Khi hoạt động ở chế độ astable, IC 555 có khả năng tạo ra một tín hiệu PWM ổn định, cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ một cách mượt mà và chính xác.
Bài viết này sẽ hướng dẫn bạn cách thiết kế và xây dựng một mạch điều khiển tốc độ động cơ DC bằng IC 555. Chúng ta sẽ tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của mạch, cách tính toán các linh kiện điện tử và cách kiểm tra mạch thực tế.
Xem thêm bài viết: Giới thiệu IC định thời
Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển tốc độ động cơ DC
Mạch điều khiển tốc độ động cơ DC sử dụng IC 555 hoạt động dựa trên nguyên lý điều chế độ rộng xung (PWM – Pulse Width Modulation). Tín hiệu PWM là một dạng sóng vuông có tần số cố định, nhưng độ rộng xung (thời gian tín hiệu ở mức cao) thay đổi. Bằng cách thay đổi độ rộng xung, ta có thể điều chỉnh lượng điện năng trung bình được cung cấp cho động cơ, từ đó điều khiển được tốc độ của động cơ.
IC 555 được cấu hình ở chế độ phi ổn (astable mode) để tạo ra tín hiệu PWM. Tần số và chu kỳ làm việc của tín hiệu PWM được xác định bởi các điện trở và tụ điện kết nối với IC 555. Biến trở RV1 cho phép điều chỉnh thủ công chu kỳ làm việc của PWM, từ đó điều khiển tốc độ động cơ.
Tín hiệu PWM từ IC 555 được đưa vào cực G (Gate) của MOSFET IRFZ44N. MOSFET hoạt động như một công tắc điện tử, điều khiển dòng điện chạy qua động cơ. Khi tín hiệu PWM ở mức cao, MOSFET dẫn điện và động cơ hoạt động. Khi tín hiệu PWM ở mức thấp, MOSFET ngắt điện và động cơ dừng lại. Bằng cách đóng cắt nhanh chóng theo tín hiệu PWM, ta có thể điều chỉnh công suất cung cấp cho động cơ và điều khiển tốc độ của động cơ.
Sơ đồ mạch điều khiển động cơ DC bằng IC 555
Sơ đồ mạch điện cho thấy các linh kiện chính của mạch điều khiển tốc độ động cơ DC:
- IC 555: Bộ tạo xung PWM, hoạt động ở chế độ phi ổn.
- Điện trở R2: Xác định tần số và chu kỳ làm việc của tín hiệu PWM.
- Biến trở RV1: Điều chỉnh chu kỳ làm việc của PWM, điều khiển tốc độ động cơ.
- Tụ điện C1: Xác định tần số và chu kỳ làm việc của tín hiệu PWM.
- Tụ điện C2: Ổn định hoạt động của IC 555.
- Tụ điện C3: Ổn định điện áp cấp cho mạch.
- Diode D1, D2: Tạo đường nạp và xả cho tụ C1.
- Diode D3: Bảo vệ mạch transistor các xung điện áp ngược.
- MOSFET IRFZ44N: Công tắc điện tử, điều khiển dòng điện chạy qua động cơ.
- LED: Đèn báo nguồn.
- Nguồn DC 9-12V: Cung cấp điện áp DC cho mạch hoạt động.
Hướng dẫn lắp ráp mạch
Để lắp ráp mạch điều khiển tốc độ động cơ DC, bạn có thể sử dụng breadboard hoặc thiết kế mạch in.
Danh sách linh kiện:
- IC 555 – 1
- MOSFET IRFZ44N – 1
- Diode 1N4007 – 1
- LED – 1
- Điện trở 1K – 2
- Điện trở 100Ω – 1
- Biến trở 100kΩ – 1
- Tụ điện 100uF – 1
- Tụ điện 10nF – 1
- Tụ điện 100nF – 1
- Động cơ DC – 1
- Nguồn DC 12V – 1
- Dây nối
- Breadboard – 1
Các bước lắp ráp:
- Kết nối các linh kiện theo sơ đồ mạch điện.
- Kiểm tra kỹ các kết nối để đảm bảo chính xác.
- Cấp nguồn cho mạch và kiểm tra hoạt động.
Mô phỏng mạch
Trước khi lắp ráp mạch thực tế, bạn có thể mô phỏng mạch trên phần mềm Proteus để kiểm tra hoạt động và quan sát dạng sóng PWM.
Kết nối một máy hiện sóng ảo ở đầu ra của IC 555 để quan sát dạng sóng. Khi thay đổi giá trị của chiết áp RV1, bạn sẽ thấy độ rộng xung của tín hiệu PWM thay đổi tương ứng.
Kiểm tra mạch thực tế
Sau khi mô phỏng mạch, bạn có thể tiến hành lắp ráp mạch thực tế trên breadboard.
Cấp nguồn cho mạch và kết nối động cơ DC. LED sẽ sáng báo hiệu mạch đang hoạt động.
Xoay chiết áp RV1 để thay đổi tốc độ động cơ. Bạn có thể sử dụng máy hiện sóng để quan sát dạng sóng PWM ở đầu ra của IC 555.
Ứng dụng của mạch điều khiển tốc độ động cơ DC
Mạch điều khiển tốc độ động cơ DC bằng IC 555 có nhiều ứng dụng trong đời sống và sản xuất:
- Điều khiển tốc độ quạt: Điều chỉnh tốc độ quạt làm mát trong các thiết bị điện tử, máy tính, tủ lạnh, điều hòa, …
- Điều khiển bơm nước: Điều chỉnh tốc độ bơm nước trong các hệ thống tưới tiêu, bể cá, đài phun nước, …
- Điều khiển độ sáng đèn: Điều chỉnh độ sáng của đèn LED, đèn sợi đốt.
- Điều khiển tốc độ xe mô hình: Ứng dụng trong các mô hình xe điều khiển từ xa.
- Robot: Điều khiển tốc độ động cơ trong các robot di chuyển, cánh tay robot, …
- Thiết bị tiết kiệm năng lượng: Giảm tiêu thụ năng lượng bằng cách điều chỉnh tốc độ động cơ theo nhu cầu sử dụng.
- Thí nghiệm trong phòng thí nghiệm: Mô phỏng và kiểm tra các nguyên lý điề khiển động cơ.
Lời kết
Bài viết đã hướng dẫn bạn cách thiết kế, lắp ráp và kiểm tra mạch điều khiển tốc độ động cơ DC bằng IC 555. Hy vọng bài viết sẽ hữu ích cho bạn trong việc học tập và nghiên cứu về điện tử.
