Đồ án Thiết kế mạch điện tử Analog tương tự - Thiết kế mạch nguồn cung cấp điện một chiều

đồ áN MÔN HọC Thiết kế mạch điện tử tương tự Đề bài: Thiết kế mạch nguồn cung cấp điện một chiều . nhiệm vụ thiết kế Thiết kế mạch nguồn cung cấp điệnmột chiều , có ổn áp thông số -Địên áp vào Uvào = 220v/50Hz -Điện áp chỉnh lưu +20v -Dòng tải it max=150mA -Diôt ổn áp có thông số U z=12v i z=20,5mA -Hệ số ổn áp 3% 2. Trình tự thiết kế : A.Nguyên tắc thiết kế , sơ đồ khối . *Nguyên tắc thiết kế : Trước hết hệ thống mạch nguồn cung cấp nhờ biến áp nguồn AC biến đổi điện áp xoay chiều 220v của mạng điện thành điện áp xoaychiều có trị số cần thiết đối với mạch chỉnh lưu .Qua mạch chỉnh lưu điện áp xoay chiều được biến đổi thành điện áp một chiều .Từ đó tạo ra mức điện DC, qua bộ ổn áp thành điện áp một chiều +20v ổn định . Từ nguyên tắc thiết kế , ta có sơ đồ khối toàn mạch như sau: Biến Chỉnh ổn áp AC áp (có hồi tiếp) DC U2 Lưu Bộ lọc Hình 1: Sơ đồ khối mạch nguồn cung cấp điện một chiều Nguồn một chiều có nhiệm vụ cung cấp năng lượng một chiều cho các mạch và thiết bị điện tử hoạt động . Năng lượng một chiều của nó được Lấy từ dòng điện xoay chiều của lưới điện thông qua một quá trình biến đổi được thực hiện trong nguồn một chiều . B.Chức năng từng khối. 1.Biến áp nguồn Biến áp nguồn làm nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều của mạng điện thành điện áp xoay chiều có trị số cần thiết đối với mạch chỉnh lưu và ngăn cách mạch chỉnh lưu với mạng điệnvề một chiều . Cấu tạo : Biến áp nguồn gồm hai cuộn dây, có số vòng khác nhau quấn trên một lõi chung bằng thép kỹ thuật (tôn silIC). Các cuộn dây thường bằng đồng bọc men cách điện,có điện trở nhỏ . Lõi gồm nhiều lá thép mỏng hình khung  hoặc Ei , Ghép sát và cách điện với nhau để truyền tải từ thông .Loại El cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp cuốn lồng vào nhau trên phần lõi chính ở giữa . hình khung hình Ei Nguyên lý hoạt động Hoạt động của biến áp nguồn dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ . Cuộn sơ cấp nối với nguồn điện xoay chiều 110v –220v.Cuộn thứ cấp ,được nối với tải tiêu thụ .Dòng điện xoay chiều trong cuộn sơ cấp làm phát sinh một từ trường biến thiên trong lõi từ . Từ thông biến thiên của từ trường đó qua cuộn thứ cấp (cùng cuốn trên lõi chung ) tạo ra một suất điệnđộng cảm ứng trong cuộn thứ cấp và gây ra một dòng điệncảm ứng chạy trong cuộn thứ cấp cung cấp cho tải , Dòng điệnnày có cùng tần số với dòng điện ở cuộn sơ cấp . -Số vòng dây , điện áp , dòng được tính theo tỉ lệ: N1= số vòng dây cuộn sơ cấp. N2 số vòng dây cuộn thứ cấp U1 điện áp hiệu dụng cuộn sơ câp U2 điện áp hiệu dụng cuộn thứ cấp i1 dòng điện hiệu dụng cuộn sơ cấp i2 dòng điện hiệu dụng cuộn thứ cấp Các dạng tín hiệu vào ra . _Tín hiệu vào ra đều là tín hiệu điện áp xoay chiều theo dạng hình sin.Chúng đồng pha với nhau và khác nhau về biên độ điện áp . ( hình 2) U1 MAX T/4 T/2 3T/4 -U1MAX U2MAX -U2MAX hình 2:Dạng điện áp vào và ra của ổn áp -Nội trở của biến áp có độ lớn : Rba=Rtc + (Rsc /n2 ) -Theo thực tế , nhà thiết kế thường dùng công thức xác định điện trở trong của biến áp với nguồn chỉnh lưu công suất nhỏ . Ưu nhược điểm Ưu điểm : +Được dùng để tăng giảm hiệu điện thế của dòng điện xoay chiều .Tạo ra những hiệu điện thế lớn nhỏ tuỳ từng lưới điện công nghiệp . +Cách ly về phương diện điện một chiều giữâ các mạch nằm trước và sau biến áp(Hay dùng trong kỹ nghệ điện tử ) +Thích phối trở kháng -đó là tác dụng biến đổi trở kháng của biến áp .Nhằm thoả mãn nguồn và gánh thích phối trở kháng với nhau . +Trong trường hợp tăng áp để truyền tải dòng điện đi xa . Nhược điểm :+Trong kỹ nghệ điện tử ngày nay , nguồn cung cấp đẫ dần được thay thế bằng các mạch điện tử để thay thế cho nguồn biến áp có kích thước , thể tích và trọng lượng khá lớn ,sự ổn định lại không cao. 2.chỉnh lưu Chỉnh lưu là một bộ nắm điện (đèn điện tử hai cực , một hoặc nhiều điốt bán dẫn )để biến đổi điện áp xoay chiều U2 thành điện áp nhâp nhô một chiều U1, sau đó nhờ bộ lọc nguồn ta có được điện áp một chiều . Ơ đây chỉ nghiên cứu bộ chỉnh lưu bán dẫn . 2.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc : -Khi để dùng cho dòng có công suất nhỏ người ta dùng chỉnh lưu làm bằng SIClIC, Selen. -Khi để dùng cho dòng có công suất lớn hoặc dòng có thể điềuchỉnh điện áp theo ý muốn người ta dùng Thyristor. -Phổ biến thường nhà thiết kế dùng sơ đồ chỉnh lưu cầu hơn là sơ đồ chỉnh lưu nửa sóng và toàn sóng , nên mạch nguồn này ta dùng sơ đồ cầu . Hình 2 : Sơ đồ cầu cóbộ lọc bằng tụ 2.2 Ưu điểm : Sơ đồ cầu thường dùng trong trường hợp điện áp 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 điện áp vào và điện áp ngược đặt lên điốt trong trường hợp này chỉ bằng một nửa điện áp ngược đặt lên trong sơ đồ cân bằng . Điện áp ra cực đại khi không tải . : ›r=›2-2›n ’Nghĩa là nhỏ hơn chút ít so với điện áp ra trong sơ đồ cân bằng .Vì ở đây luôn luôn có hai điôt mắc nối tiếp . 2.3Dạng điện áp vào và ra: U2 UL T/4 T/2 3T/4 T 5T/4 Hình 3: đồ thị điện áp bộ chỉnh lưu. Khi biên độ điện áp vào đủ lớn , đặc tuyến điốt của mạch chỉnh lưu thường là một đường gấp khúc . iD Da Db UD 3.Bộ lọc : Sau khi có dòng điện không bằng phẳng nhờ chỉnh lưu , bộ lọc có tác dụng san bằng điện áp một chiều đập mạch U1 thành một chiều U01 ít nhấp nhô hơn . 3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động : 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 điện đem nối song song với tải điện .Tụ nạp và phóng cứ chu kỳ một lần cộng các sóng bậc cao làm dòng điện ra là một chiều cộng sóng hài bậc thấp . Bằng cách đó có thể giảm được độ gợn sóng của điện áp ra . Khi điện trở tải R lớn thì C có thể được nạp tới giá trị đỉnh của điện áp 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 4 : bộ lọc bằng tụ điện Hệ số đập mạch của bộ lọc : 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 3.2 Dạng điện áp vào và ra : UL t UV t T/2 T 3T/4 -Đầu chu kỳ dương ,tụ nạp đủ điện áp vào .Khi bộ lọc để điện áp vào giảm thấp hơn mức này thì một cặp điôt phân cực ngược .Do tải nên điện áp giảm từ từ .Ơ đỉnh nào đó ngay trước đỉnh điện áp vào nhờ điện áp vào , cặp điốt được phân cực thuận .Tụ lại trở về vị trí cố định ban đầu . 4 ổn áp Các mạch ổn định có nhiệm vụ giữ cho điện áp ra hoặc dòng điện ra của một thiết bị cung cấp không đổi khi điện áp 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 câp nhờ tiệt kiệm được các tụ điện và điện cảm 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 điện trở trong của mạch nhỏ và bằng điện trở động rz của điốt Zener . Hiệu quả ổn áp của điốt được thể hiện tại đoạn đặc Hình5 : điot Zener tuyến ứng với u <-Uz . Lúc này với lượng biến đổi dòng điện Di 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 6: Sơ đồ ổn áp dùng điôt Zener với mạch lặp emito ở đầu ra, Vì Ri +rz’ nên mạch ổn áp loại này có điện áp ra ít phụ thuộc vào tải .Ngoài ra , do dòng qua điôt Zener nhỏ nên có thể chọn trị số của điện trở R lớn để tăng hệ số ổn áp . (biểu thức về G) mà tổn hao trên R không tăng . Với sơ đồ hình 6b ,có thể Lấy ra điện áp U’r là một phần của Uz qua chiết áp P (Trong sơ đồ nguyên lý toàn mạch ta gọi là VR để tránh nhầm với công suất ) .Nếu chọn điện trở chiết ap P < rBE thì điện trở trong của mạch tăng không đáng kể . Phần tử điũu khiển của ổn áp để làm thay đổi tham số cho điện áp ra trên nó theo xu hướng tiệm cận tới giá trị chuẩn ,ta dùng trazito công suất .Hồi tiếp âm buộc điện áp của khuyếch đại thuật toán phải đủ lớn để bù lại cho sự sụt điện áp tại bazơ -emitơ.Độ sụt áp đó thường hơn 0,7 V.Mặt khác chuyển tiếp colecto –bazơ phân cực ngược đối với hoạt động tuyến tính . Bắt buộc ta phải có điện áp vào không ổn định phải lớn hơn điện áp khi ra đã ổn dịnh . 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 điện áp 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 điện áp ra trên nó thay đổi theo xu hướng tiệm cận dần đến giá trị chuẩn . U ra Phần tử điều khiển U’ ra (điện áp một chiều chưa ổn định) Bộ khuyếch đại Nguồn Bộ so Chuẩn Sánh Hình 7:sơ đồ khối minh hoạ nguyên tắc làm việc của mạch ổn áp có hồi tiếp Để thoả mãn các yêu cầu cao hơn về mặt ổn áp ,ổn dòng cũng như công suất ra , người ta dùng các mạch ổn định có hồi tiếp . Nguyên tắc làm việc của các sơ đồ ổn định có hồi tiếpđược biểu diễn ngay trên sơ đồ khối hình 7. Hình 8 a và b minh hoạ phương pháp Lấy tín hiệu đưa về mạch so sánh khi khi ổn áp (a) và ổn dòng (b) a,khi ổn áp b,khi ổn dòng hình 8; Cách Lấy tín hiệu đưa về bộ so sánh Tất cả các nguồn ap (Ri> ) được thực hiện theo phương pháp hồi tiếp . đều là những mạch ổn áp hoặc ổn dòng . Tuy nhiên do yêu cầu về mặt công suất nên trong các sơ đồ về ổn áp và ổn dòng còn có thêm một bộ khuyếch đại công suất mắc trong mạch hồi tiếp . Các sơ đồ ổn định có hồi tiếp được chía thành hai loại cơ bản :ổn định song song và ổn định nối tiếp . Theo đề bài , ta dùng hồi tiếp ổn định nối tiếp . 4.4 Phần khuyếch đại Tín hiệu đi ra từ bộ so sánh vào bộ khuyếch đại .Khi trở ra chúng là những tín hiệu được dưa vào bộ điềukhiển để điềuchỉnh điện áp ra theo yêu cầu thiết kế . Khuyếch đại có rất nhiều dạng (tranzito EC,BC ).Song ở mạch này ta dùng IC kết hợp cho cả phần khuyếch đại và phần so sánh .Ta dùng IC LM348. 4.5 Sơ lược về IC LM348 -Là bộ khuyếch đại thuật toán có hệ số khuyếch đại lớn và ứng dụng phổ biến trong thiết kế mạch .IC LM348 nằm trong nhóm các khuyếch đại thuật toán loại BiPOLAR có 14 chân loại DiP,nhưng cũng có thể được sử dụng hai đầu vào vi sai và một đầu ra chung .Nó được tính tương đương với IC U741với hệ số khuyếch đại K >0 Phạm vị điện áp cung cấp ±10 đến ±18V Điện áp vào tối đa 24V Tổn hao nguồn 500mW Điều kiện kiểm tra Vs-5V Điện áp vòng lúc mở 96dB Dòng định thiên hiện thời 30nA Tốc độ đáp ứng 0,6(V/ms),ms Mức thay đổi điện áp 28V hoặc ±14V Nhiệt độ lý tưởng 250C Hình 9: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch cấu trúc bên trong của bộ khuyếch đại thuật toán LM348. C.Xây dựng sơ đồ nguyên lý toàn mạch Mạch nguồn cung cấp điện một chiều ,có ổn áp thông số -Điện áp vào Uvào=220v/50Hz -Điện áp sau chỉnh lưu +20v -Dòng tải it max=150mA -Điốt ổn áp có thông số Uz=12v Iz=20,5mA -Hệ số ổn áp :3% Căn cứ vào những cơ sở trên , ta có sơ đồ nguyên lý toàn mạch của mạch nguồn cung cấp điện một chiều . Nguyên lý hoạt động của mạch : -Điện áp vào 220V/50Hz vào biến áp ,sang đến cuộn thứ cấp thành điện áp xoay chiều có giá trị thích hợp . -Dòng ra này nhờ chỉnh lưu toàn sóng của điốt cầu thành các nửa chu kỳ chỉ có ở phần dương trong dao động hình sin. -Dòng điện mới mấp mô đi qua bộ lọc được san bằng các nửa chu kỳ sao cho gần được như dòng không đổi một chiều . Khi một đôi điôt mở ,tụ lọc được lọc tới đỉnh điện áp ra và sẽ duy trì cho tớilúc có dòng tải.Tụ phóng điện một phần giữa các đỉnh điện áp tạo các xung .Khi điện áp ra sẽ ở trạng thái là điện áp gợn sóng . -Hai con trở mắcnối tiếp với nhau R2 và VR thành bộ phân áp đẩy lượng bất ổn của điện áp đầu ra hồi tiếp về và so sánh với điện áp chuẩn .Những sai số về dấu và độ lớn của nó được IC LM348 phát hiện và khuyếch đại lên cho đủ . -Tiếp theo dòng được Tranzito lặp lại nhờ mắc tải Emitơ tại lối ra để bù chỗ bất ổn ban đầu . -Bộ phân áp như đẫ nói ở trên để điện trở VR thay đổi để điềuchỉnh được mức điện áp một chiều đặt ở cửa vào của IC,rồi định mức một chiều tại lối ra của IC đồng thời định mức một chiều tại lối ra của Ura tuỳ vào lúc đó ta tăng hay giảm . -Điốt Zener mắc nối tiếp với R1 trở thành bộ điện áp chuẩn cho dòng . -Cuối cùng dòng trước khi ra tải tiêu thụ sẽ qua tụ C2 để mức ổn định tối đa . D.các tính toán trên sơ đồ nguyên lý : -Bộ chỉnh lưu cần 4 điôt có sụt ap trong phân cực thuận =0.7V. Vậy chọn bộ điốt cầu .Ta có sụt áp toàn bộ chỉnh lưu = 2 sụt áp trên 2 diôt nối tiếp : 2Uđ =2.0,7 =1,4 (v) -Điện áp sau chỉnh lưu( đề bài ) : UAmax =+20(V) -Điện áp vào chỉnh lưu : Uvào đ = UAmax + 2Uđ = 20 + 1,4 = 21,4(v) -Chọn điôt chỉnh lưu : DF005 50V 1A Si pkg:D-70 -Điện áp thứ cấp hiệu dụng của máy biến áp : U2 hd = Ud = 21,4 =15,132 ằ √2 √2 -Điện áp ngược cực đại trên điốt khoá =Uvàođ = 21,4V -Điện áp ngược cực đại trên tụ C = U2hd =15V -Hệ số ổn áp đối với điện áp một chiều = hệ số lọc điện áp xoay chiều =3% G =R/ rz =3% -Điốt Zener có thông số : Uz =12V ; Iz =20,5 mA ;chọn điốt 1N759 *Motorola 12V 500mW Si Zener pkg:DO –35 1,2 -Chọn tụ C cho bộ lọc :1000m /50Hz -Với dòng vào IC LM348 ằ 0 ta có : R1 =UA –Uz = 20 - 12 =0,39 KW Iz 20,5 .10-3 -Chọn R1 ằ0,4 KW .Điện trở động điot rz =0,4 .100 =13,3 (KW ) 3 -Dòng chạy trên nhánh hồi tiếp nhỏ hơn rất nhiều so với dòng tại Zt khoảng gần 10 lần : (VR +R2)min ³ Ura mãx = 12 = 800 (W) =0,8KW IR2 0,015 (VR +R2)min ³ 0,8 KW -Chọn VR =0,4 KW R2 = 0,8 KW -Điện áp ra cực tiểu :Ura min =Uz =12V -Điện áp ra cực đại Ura max =(VR +R2 ) Uz = 1,2 .12 =18(V) R2 0,8 Vậy giá trị điện áp ra thay đổi trong khoảng (12Vá 18V) -Công suất của tranzito : UCE max =Uvào –Ura min =20-12=8V IEmax=It + IR2 max =150 + 15 = 165 (mA) =0,165 (A) -Suy ra Pmax =UCE max .iE max = 8.0,165 =1,32 (W) -Chọn tranzito : FCX649 *ZTX Si 1,5W 25V 2A 240MHz pkg:SOT-89 2,1,3 -Chọn tụ C2 = 500 mF/50Hz -Công suất biên áp Pba= công suất tổng cộng Ptc =Ptải +P chỉnh lưu+Pổn áp +Phao tổn biên áp I=IR +IIC +Iộ so sánh= 170+ 25+ 20,5 = 216(mA) Imax= 220 mA Vậy công suất tiêu thụ : P=220 mA.20V=4,4W Nếu kể cả công suất tổn hao tiêu tán trên điốt cầu và háo tổn biên áp .Lấy Pbiến áp =10W Theo thực nghiệm (ADAPiOR) ta có Tiết diện mạch từ chính của lõi sắt : Sc =1,5.ệ10W ằ 4,7 cm2 Hệ số choán không gian =4,7/0,95 ằ 5 cm2 Ta chọn lõi Ɯ 20 X27 -Dây cuốn : -Số vòng dây cuộn sơ cấp: n=45.(U/Sc) =45.(220/5) = 1980 (vòng) -Số vòng cuộn thứ cấp : n’= 45.(20/5) = 180 (Vòng)+5% nội trở = 189(vòng) I trong cuộn sơ cấp : I=1,1 Pba = 1,1.10/220 =0,05 A =50mA  U Đường kính cuộn dây sơ cấp :d=0,02 = 0,14 mm Đường kính cuộn dây thứ cấp : d= 0,02 = 0,3 mm Kết luận : để mắc mạch điện cung cấp điện một chiều có AC-220v/50Hz ; DC (12Vá 18V) cần các linh kiện sau : Lõi sắt biến áp Ɯ 20 X27 5cm2 Dây sơ cấp f0,14 1980 vòng Dây thứ cấp f0,3 189 vòng Điot chỉnh lưu DF005 50V 1A Si pkg:D-70 Tụ C 1000mF/50Hz Điot Zener 1N759 Motorola 12V 500 mW Si Zener pkg: DO-35 1,2 Tranzito FCX649 ZTX Si 1,5W 25V 2A 240MHz pkg: SOT-89 2,1,3 R1 0,4 KW R2 0,8 KW VR 0,4 KW IC LM348 Quad 741 Op-Amp pkg:DiP14 (A:3,2,4,11,1)(B:5,4,6,11,..) Tụ C2 500 mF/50Hz E.ưu nhược điểm của mạch đã thiết kế : 1.ưu điểm : -Tận dụng được công suất biến áp .Yêu cầu lọc thấp.Chất lượng ổn định cao .Điện áp đặt lên điôt thấp . -Sử dụng 1IC để kểt hợp được cả bộ khuyếch đại lẫn bộ so sánh . -Điện áp ra một chiều có thể thay đổi tuỳ ý trong khoảng (12Vá 18V) -Các linh kiện đều sẵn có trên thị trường . 2.Nhược điểm : -Kích thước và trọng lượng khá lớn do còn sử dụng biến áp . -Biến áp đổi điện dễ bị cháy nếu dùng quá tải ,không phù hợp với yêu cầu về dòng điện và công suất . -Nếu tranzito hoặc cuộn sơ cấp bị cháy thì bộ rung ngừng làm việc ngay vì mạch tạo sóng không hoạt động được . *Ngày nay , hầu hết người ta có xu hướng dùng các mạch cung cấp khôngcó biến áp và ổn áp xung thay cho các mạch cung cấp “cổ điểm “ nhằm tiết kiệm được tối đa năng lượng và tổn hao công suất không đáng có , thu nhỏ được khối lượng và kích thước của toàn mạch .