Đồ án Thiết kế mạch điện tử Analog tương tự

đồ án môn học Thiết kế mạch điệntử (analog) tương tự I .Nhiệm vụ thiết kế: Thiết kế mạch ổn áp dùng vi mạch (nối tiếp) . (kết hợp giữa IC và Tranzi tor) có điềuchỉnh điệnáp ra. _ Điện áp vào ổn áp Uvào =20v _ Điên áp ra mạch ổn áp Ura =(9:12)v _ Điốt ổn áp có thông số Uz =6,3 v Iz =12mA _ Dòng tảI It =250mA _ Hệ số ổn định: 0,3% Trình tự thiết kế: A: Nguyên tắc thiết kế , sơ đồ khối Nguyên tắc thiết kế: _Nguồn một chiều có nhiệm vụ cung cấp năng lượng một chiều cho các mạch và thiết bị địên tử hoạt động. Năng lượng một chiều đó được biến đổi thành dòng một chiều thông qua một quá trình biến đổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều. _Biến áp để biến đổi điệnáp xoay chiều U 1 thành điệnáp xoay chiều U 2 có giái tị thích hợp với yêu cầu. Trong một số trường hợp có thể dùng trực tiếp U 1 không cần biến áp. _Mạch chỉnh lưu có nhiệm vụ chuyển điệnáp xoay chiều U2 thành điệnáp một chiều không bằng phẳng U t ( có gía trị thay đổi nhấp nhô ) . Sự thay đổi này phụ thuộc cụ thể vào dạng mạch chỉnh lưu _ Bộ lọc có nhiệm vụ san bằng điệnáp một chiều đập vào mạch U t thành điệnáp một chiều U01 ít nhấp nhô hơn _ Bộ ổn áp một chiều ( ổn dòng ) có nhiệm vụ ổn định điệnáp ( dòng điện) ở đầu ra của nó Uo2 ( I t ) khi Uo1 bị thay đổi theo sự mất ổn định của Uo1 hay It . Hình a biểu diễn sơ đồ khối của một bộ ngồn hoàn chỉnh. Sơ đồ khối: I t Biến áp U2 M ạch chỉnh U t Bộ lọc U 01 ổn áp 1 chiều U 0 2 lưu (ổn dòng) Hình: a B: Chức năng từng khối và mạch điệnthực hiện chức năng từng khối Biến áp: _ Biến áp có nhiệm vụ biến đổi điệnáp xoay chiều U 1 của nguồn cung cấp thành điệnáp xoay chiều U 2 có giá trị thích với yêu cầu của mạch chỉ lưu. _ Trong một số trường hợp có thể dùng trưc tiếp U 1 không cần biến áp. _ Mạch biến áp: Hình:b + Biến áp dùng để tăng hoặc giảm điệnáp tuỳ thuộc vào tính chất và nhiệm vụ của từng công việc mà ta có các giái trị điệnáp ra và điệnáp vào sao cho phù hợp. Mức điệnáp được giảm phần lớn khi áp dụng mạch IC. + Nguyên lý hoạt động : Khi ta cung cấp cho cuộn sơ cấp của biến áp một dòng điệnxoay chiều thì trong cuộn thứ cấp của máy biến áp sẽ có dòng điên cảm ứng chạy qua. + Các quan hệ áp dụng cho biến áp: hay hay Trong đó: N 1 : Số vòng dây cuộn sơ cấp N 2 : Số vòng dây cuộn thứ cấp u 1 : Điện áp tức thời cuộn sơ cấp u 2 : Điện áp tức thời cuộn thứ cấp i1 : Dòng điệntức thời cuộn sơ cấp i2 : Dòng điệntức thời cuộn thứ cấp U 1 : Địên áp hiệu dụng cuộn sơ cấp U 2 : Địên áp hiệu dụng cuộn thứ cấp I1 : Dòng điệnhiệu dụng cuộn sơ cấp I2: Dòng địên hiệu dụng cuộn thứ cấp -Dạng điệnáp vào và ra : U 1m T/4 T/2 3T/4 t T -U1m Utc = U2 U2m T/4 T/2 3T/4 t -U2m T *Điện áp vào và ra đồng pha với nhau nhưng điệnáp vào có biên độ lớn hơn điệnáp vào . -Biến áp công suất nhỏ thì nội trở có độ lớn theo công thức : ằ 0,3+0,8 (W) 2 . Chỉnh lưu : -Chỉnh lưu là một bộ nắm chuyển điệnáp xoay chiều U2 thành điệnáp một chiều có giá trị thay đổi nhấp nhô Ut _ Trong các mạch chỉnh lưu điệnáp hay dòng điệnra tải tuy có cực tính nhưng không thay đổi , nhưng giá trị của chúng thay đổi theo thời gian một cách chu kì, gọi là sự đập mạch của điệnáp hay dòng điệnsau chỉnh lưu. -Các phần tử dùng để chỉnh lưu gọi là đặc tuyến Volf-ampe.Dòng điệnáp qua nó chỉ có thể đi theo một chiều .Chỉnh lưu này phổ biến dùng bằng vật liệu Silic. ở một số mạch có công suất lớn hơn ,người ta dùng chỉnh lưu bằng vật liệu Selen hoặcThỷritor. -Trong mạch đang xét ta dùng chỉnh lưu cầu (4 điot )để có được ưu thế hơn cả . Hình1: sơ đồ cầu chỉnh lưu có bộ lọc bằng tụ A:Nguyên lý hoạt động: Tại một nửa chu kỳ của điệnáp thứ cấp U2 một cặp van anot và catot mở cho dòng một chiều ra tải .Cặp van còn lại khoá và hứng điệnáp ngược cực đại có biên độU2 .Trong nửa chu kỳ còn lại ,cặp van mở ban đầu đóng và hai cặp van sau lại mở.; Trong mạch chỉnh lưu chu kì thành phần môt chiều I0 tăng gấp đôi so với mạch chính chu kì, thành phần sóng hài cơ bản (n = 1)bị triệt tiêu, chỉ còn các sóng hài từ bậc n = 2 trở lên. Vậy mạch chỉnh lưu hai chu kì dã co tác dụng lọc bớt sóng hài. Điệnáp vào và ra chỉnh lưu: Ơ Ơ it = I0 + ồ Ansinnwt + ồ Bncosnwt n=1 n=1 _Trong đó I0 là thành phần một chiều và là tổng các sóng hài xoay chiều có giá trị , pha và tần số khác nhau phụ thuộc vào loại mạch chỉnh lưu. Vấn đề đặt ra là phải lọc các sóng hài này này để cho it đập mạch vì các sóng hài gây ra sự tiêu thụ năng lượng vô ích và gây ra ra nhiễu cho sự việc làm việc của tải. B: Dạng điệnáp chỉnh lưu U2 U2m T/4 T/2 3T/4 T 5T/4 t 0 -U2m Ul U2m= U1m t 0 T/4 T/2 3T/4 T 5T/4 -Ul -Sơ đồ cầu ưu việt hơn sơ đồ cân bằng ở chỗ cuộn thứ cấp được sử dụng toàn bộ trong hai nửa chu kỳ điệnáp vào và điệnáp ngược đặt trên điôt . _Vì có hai điot mắc nối tiếp luôn thường trực nên điệnáp ra cực đại khi không tải nhỏ hơn so với điệnáp trong sơ đồ cân bằng . -Đặc tuyến của điot là một đường gấp khúc. iD Da Db UD Hình2: đồ thị điệnáp bộ chỉnh lưu. _ Người ta đã tính toán rằng khi chỉnh lưu chu kì K =1,58, khi chỉnh lưu hai nửa chu kì K = 0.667. Để thực hiện nhiệm vụ lọc nói trên , bộ lọc sau được dùng cho mạch thiết kế của đề C: Ưu điểm: Sơ đồ cầu thường dùng trong trường hợp điệnáp xoay chiều tương đối lớn . Tuy cũng là sơ đồ chỉnh lưu toàn sóng nhưng nó ưu việt hơn sơ đồ cân bằng ở chỗ cuộn thứ cấp được sử dụng toàn bộ trong hai nửa chu kỳ điệnáp vào và điệnáp ngược đặt lên điốt trong trường hợp này chỉ bằng một nửa điệnáp ngược đặt lên trong sơ đồ cân bằng . Điện áp ra cực đại khi không tải . =›2-2›n ’Nghĩa là nhỏ hơn chút ít so với điệnáp ra trong sơ đồ cân bằng .Vì ở đây luôn luôn có hai điôt mắc nối tiếp . 3 . Bộ lọc : Sau khi có dòng điệnkhông bằng phẳng nhờ chỉnh lưu , bộ lọc có tác dụng san bằng điệnáp một chiều đập mạch U1 thành một chiều U01 ít nhấp nhô hơn . _ Nhờ có tụ nối song song với tải , mà điệnáp ra tải ít nhấp nhô hơn A: Nguyên lý hoạt động : _ Do sự nạp và phóng của tụ điệnqua chu kì và do các sóng hài bậc cao được rẽ qua mạch C xuống điểmchung, dòng điệnqua tải chỉ còn thành phần dòng một chiều và một lượng nhỏ sóng hài bậc thấp. Việc tính toán hệ số đập mạch của bộ lọc dùng tụ ta có công thức sau: Kp = Bộ lọc rất đa dạng ( lọc bằng tụ điện, bằng cuộn cảm , bằng cộng hưởng ..) song ta đi vào nghiên cứu bộ lọc bằng tụ điện. Tụ điệnđem nối song song với tải điện.Tụ nạp và phóng cứ chu kỳ một lần cộng các sóng bậc cao làm dòng điệnra là một chiều cộng sóng hài bậc thấp . Bằng cách đó có thể giảm được độ gợn sóng của điệnáp ra . Khi điệntrở tải R lớn thì C có thể được nạp tới giá trị đỉnh của điệnáp xoay chiều : ur ằ›2-Un Lúc này ta có mạch chỉnh lưu giá trj đỉnh khác với mạch chỉnh lưu giá trị trung bình .Điện áp ngược đặt trên đíôt lớn gâp 2 so với trường hợp không có bộ lọc . Hình: 3: Bộ lọc bằng tụ điện: KP =biên độ sóng hài lớn nhất của it (hayUt) Giá trị trung bình của it (hayUt) Thực nghiệm cho thấy KP= KP càng nhỏ thì chất lượng lọc càng cao .Trị số tụ C cỡ vài mF ávài nghìn mF B : Dạng điệnáp vào và ra : UL t UV t T/2 T 3T/4 _ ở chu kì dương điệnáp sẽ được nạp vào tụ tới trị số trị số của điệnáp vào. Nếu không có tải và không tổn hao thì điệnáp có thể duy trì ở mức đỉnh. Tuy nhiên sự có mặt của tải khiến cho điệnáp giảm chậm như hình vẽ . Do thời gian nạp ngắn , dòng nạp đỉnh ngắn, dòng nạp đỉnh có thể khá lớn và yếu tố quan trọng khi chúng ta chọn đi ốt chỉnh lưu. Khi chọn giá trị của tụ điệnnên chọn tụ hoá và đặc biệt chú ý đến điệnáp cực đại đặt lên tụ điều 4: ổn áp: Các mạch ổn áp (ổn định) có nhiệm vụ giữ cho điệnáp ra hoặc dòng điệnra của một thiết bị cung cấp không đổi khi điệnáp vào thay đổi cũng như khi tải hoặc nhiệt độ thay đổi . Thông thường các mạch ổn định có tác dụng giảm ũ và giảm tạp âm do đó dùng mạch ổn định có thể giảm nhỏ kích thước của thiết bị cung cấp nhờ tiệt kiệm được các tụ điệnvà điệncảm lọc . 4.1 Mạch ổn áp dùng điốt Zener Các mạch chỉnh lưu có tụ lọc Ct không có tính chất ổn áp một chiều , vì trở kháng đối với thành phần một chiều của tụ rất lớn . Trong trường hợp này dùng điôt Zener rất có lợi . Ngoài ra dùng điôt Zener còn có lợi hơn dùng các khâu lọc thông thường .Vì điệntrở trong của mạch nhỏ và bằng điệntrở động rz của điốt Zener . Hiệu quả ổn áp của điốt được thể hiện tại đoạn đặc tuyến ứng với u <-Uz . Lúc này với lượng biến đổi dòng Hình4 : điot Zener điệnDi khá lớn thì DU biến thiên rất ít . 4.2 Mạch ổn áp dùng điôt Zener kết hợp với Tranzito . Sơ đồ ổn áp dùng điôt Zener đã xét trong mục 4.1 thường có công suất tổn hao khá lớn . Pth =iz.Uz Khi yêu cầu dòng ra tải lớn , phải chọn điốt có dòng lớn .Diốt Zener chỉ thích hợp với các bộ chỉnh lưu công suất nhỏ .Có thể dùng các mạch ổn áp Zener có tầng ra là một mạch lặp emitơ để ổn áp cho các mạch chỉnh lưu công suất lớn hơn . a> Điện áp cố định b> Điện áp ra thay đổi . Hình 5: Sơ đồ ổn áp dùng điôt Zener với mạch lặp emito ở đầu ra, Vì Ri +rz’ nên mạch ổn áp loại này có điệnáp ra ít phụ thuộc vào tải .Ngoài ra , do dòng qua điôt Zener nhỏ nên có thể chọn trị số của điệntrở R lớn để tăng hệ số ổn áp . (biểu thức về G) mà tổn hao trên R không tăng . Với sơ đồ hình 5b ,có thể lấy ra điệnáp U’r là một phần của Uz qua chiết áp P .Nếu chọn điệntrở chiết ap P < rBE thì điệntrở trong của mạch tăng không đáng kể 4.3 Mạch ổn áp có hồi tiếp . Nguyên tắc thực hiện các sơ đồ ổn áp có hồi tiếp : Trong mạch này ,một phần điệnáp ra được đưa về so sánh với một giá trị chuẩn .Kết quả so sánh được khuyếch đại lên và đưa đến phần tử điềukhiển .Phần tử điềukhiển thay đổi tham số làm cho đện áp ra trên nó thay đổi theo xu hướng tiệm cận dần đến giá trị chuẩn -khâu này đưa một phần điệnáp ra về so sánh với một giá trị chuẩn .Giá trị điệnáp hồi tiếp về có thể thay đổi được nhờ biến trở VR có thể điềukhiển được . VR điệnáp đưa về so sánh R Hình6: mạch hồi tiếp có thể điềukhiển được nhờ VR 4.4 Tạo điệnáp chuẩn của bộ ổn áp : -Tạo điệnáp chuẩn là bộ phận cần thiết trong ổn áp.Đây là chuẩn để so sánh điệnáp ra .Độ ổn định của bộ này luôn được tính là mốc của độ ổn định điệnáp ra . -Mạch này sử dụng bằng điot Zener: hình 5: mạch điềuáp chuẩn Zener -Nguyên lý hoạt động : Do được chế tạo đặc biệt điot Zener làm viếc ở chế độ đánh thủng và sự chuyển tiếp P-n khi phân cực ngược.Điện áp ngược đặt trên địot làm phát sinh ra hiện tượng đánh thủng làm ổn áp có thể ổn định được nhờ dòng bão hoà . 4. 6 : Bộ so sánh của ổn áp : - Bộ này so sánh điềuáp được hồi tiếp về với điệnáp chuẩn . -Nhằn tích kiệm và tối đa hoá hữu ích các chi tiết mạch , ta sử dụng IC thuật toán .Phù hợp với mạch đang xét ,ta dùng IC MC 4741. 4.7 : Bộ khuyếch đại của ổn áp : -Tín hiệu được lấy ra từ bộ so sánh đưa vào để khuyếch đại tín hiệu .IC MC 4741 cũng có tầng khuyếch đại vi sai nên được kết hợp làm bộ khuyếch đại . 4.8 : Phần tử điềukhiển : -Phần tử làm thay đổi tham số điệnáp ra theo su hướng tiệm cận dần đến giá trị chuẩn . -Phần này ta dùng trazito công suất , Tranzito công suất co tri số công suất đủ lớn cũng như cấu hình đầu thoát nhiệt thích hợp . Thường trazito được mắc theo mạch lặp emiter . Độ sụt áp bazơ - emiter của tranzito điềukhiển thường là một khối thuận của hệ hồi tiếp vòng đóng và tác duịng của nó bị loại trừ đối với điệnáp tải . 5: Xây dựng nguyên lý toàn mạch: _ Điện áp vào ổn áp Uvào =20v _ Điên áp ra mạch ổn áp Ura =(9:12)v _ Điốt ổn áp có thông số Uz =6,3 v ;Iz =12mA _ Dòng tảI It =250mA _ Hệ số ổn định: 0,3% Sơ đồ nguyên lý toàn mạch: 6: Phần tính toán vi mạch Chọn D1D4 sao cho sụt áp = 0,7v Sụt áp toàn mạch : 2UĐ = Uvào + 2UĐ = 20 + 1,4 =21,4v Chọn điot chỉnh lưu: đIôt cầu 1BQ40 : Điện áp đánh thủng : 40V Dòng điệncực đại : 1A Cấu tạo : Si Ký hiệu chân : D-70 Điện áp thứ cấp hiệu dụng của máy biến áp U 2hd == 21,4 0,707 15 (v) Điện áp ngược cực đại lên điot khoá = Uđ Địên áp ngược cực đại lên tụ : C = U 2hd Chọn tụ hoá : C = 1000F Điot Zener :U z = 6,3 v P= 75,6 (mW) I z = 12 (mA) = 0,012 (A) Chọn Diot Zener : 1N4736 Diot có thông số: Motorla pkg: DO- 41 1,2 Điện áp ổn áp : 6.8V Công suất cực đại : 1W Chọn dòng vào IC thuật toán 0 ta có: Điện áp ra vào cực tiểu : Ura min = 9(v) Điện áp ra vào cực đại : U ra max = 12(v) Dòng điệnchạy trên nhánh hồi tiếp có (VR+R 2) nhỏ hơn dòng Zt theo thực tế là 10 lần nên Từ đó chọn k W R 2 =252 (W)=0,252 kW Giá trị điệnáp ra : (912)V Tính công suất của tranzi to: Công suất tiêu tán trên tranzito Chọn Tranzito: 2N3053: pkg: TO—53,2,1 Công suất cực đại : 5W Tần số làm việc : 185 MHz Điện áp: 40V Dòng colectto cực đại : 700mA. Kết luân : Với với dòng điệnáp xoay chiều 220V ,để có được bộ ổn áp dùng vi mạch ,ta sử dụng các linh kiện sau: Điot cầu Điot Zener Tranzito IC khuyếch đại thuật toán : R1 R2 VR . 1BQ40 1N4736 2N3053 MC4741 1142 W 252 W 228 W Kết luận : Ôn áp trên có những mặt ưu điểm–khuyết điểmsau: 1.Ưu điểm -Độ ổn định cao. Điệnáp ra có thể thay đổi được theo ý muốn nhờ VR điều khiển trong khoảng (9-12)V -Linh kiện đễ tìm ,sẵn có. Nhược điểm: -Hiệu suất thấp do tiêu hao năng lượng nhiều . -Trazito và bién áp hỏng ngay lập tức khi dòng quá tảI . -Khối lượng cũng như kích thước đều khá lớn . Ôn áp dùng vi mạch trong thực tế được sử dụng rất rộng rãi và quen thuộc với mọi người .Để có thể thiết kế chế tạo nó ,cũng không phức tạp .Trong đồ án môn học này ,ta thiết kế mạch ổn áp dùng vi mạch nối tiếp kết hợp giữa trazito và IC có điềuchỉnh điềuáp ra sao cho thoả mãn đề bàI Ura =(9-12)V.Dù đã rất cố gắng lựa chọn các linh kiện sẵn có mà kinh tế nhất và thiết kế các kết nối đơn giản nhất ,song vẫn không thể tránh khỏi những thiếu sót bất cập xảy ra .Vậy mong sự góp ý và chỉ bảo của các thầy cô cùng các bạn đọc .