Thiết kế mạch nguồn một chiều ổn áp có điện áp ra thay đổi (0¸ 15V) 3A

MỤC LỤC Trang Mở đầu Phần I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT I. Khái niệm chung về nguồn một chiều II. Biến áp và chỉnh lưu III. Lọc các thành phần xoay chiều của dòng điện ra tải IV. Ổn định điện áp Phần II: THIẾT KẾ NGUỒN MỘT CHIỀU ỔN ÁP CÓ ĐIỆN ÁP RA THAY ĐỔI (0 ¸15V) 3A I. Sơ đồ khối của khối nguồn II. Lựa chọn phương án thiết kế Phần III: TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT VÀ LẮP RÁP MẠCH THỰC TẾ I. Tính toán thông số cho từng khối mạch II. Lắp ráp mạch thực tế Kết luận Tài liệu tham khảo Mở đầu Ngày nay cùng với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, các thiết bị điện tử đang và sẽ được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong hầu hết trong các lĩnh vực kinh tế - xã hội cũng như trong đời sống. Trong tất cả các thiết bị điện tử vấn đề nguồn cung cấp là một trong những vấn đề quan trọng nhất quyết định đến sự làm việc ổn định của hệ thống. Hầu hết các thiết bị điện tử đều sử dụng các nguồn điện một chiều được ổn áp với độ chính xác và ổn định cao. Hiện nay kỹ thuật chế tạo các nguồn điện ổn áp cũng đang là một khía cạnh đang được nghiên cứu phát triển với mục đích tạo ra các khối nguồn có công suất lớn, độ ổn định, chính xác cao, kích thước nhỏ (các nguồn xung). Từ tầm quan trọng trong ứng dụng thực tế của nguồn điện một chiều ổn áp và dựa vào những kiến thức được học cũng như tự tìm hiểu, em đã chọn đề tài: “Thiết kế mạch nguồn một chiều ổn áp có điện áp ra thay đổi (0 ¸ 15V) 3A” để qua đó tìm hiểu kĩ hơn về nguyên lí hoạt động của các mạch nguồn đồng thời củng cố thêm kĩ năng trong thiết kế các mạch điện tương tự. Trong quá trình thực hiện đề tài em xin chân thành cảm ơn thầy giáo: Th.s Võ Đình Tùng đã tận tình hướng dẫn giúp em hoàn thành đề tài này. Do khả năng kiến thức bản thân còn hạn chế, đề tài chắc chắn sẽ không tránh những thiếu sót, em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn. Sinh viên thực hiện Trương Văn Quyết PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT I. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ NGUỒN MỘT CHIỀU Nguồn một chiều có nhiệm vụ cung cấp năng lượng một chiều cho các mạch và các thiết bị điện tử hoạt động. Năng lượng một chiều của nó tổng quát được lấy từ nguồn xoay chiều của lưới điện thông qua một quá trình biến đổi được thực hiện trong nguồn một chiều. Yêu cầu đối với loại nguồn này là điện áp ra ít phụ thuộc vào điện áp mạng, của tại và nhiệt độ. Để đạt được yêu cầu đó cần phải dùng các mạch ổn định (ổn áp, ổn dòng). Các mạch cấp nguồn cổ điển thường dùng biến áp, nên kích thước và trọng lượng của nó khá lớn. Ngày nay người ta có xu hướng dùng các mạch cấp nguồn không có biến áp. Sơ đồ khối của một bộ nguồn hoàn chỉnh được biểu diễn như sau: BiÕn ¸p M¹ch chØnh l­u Bé läc æn ¸p mét chiÒu (æn dßng) U1 ~ U2 ~ UT UO1 UO2 IT RT Hình 1.1: Sơ đồ khối của một bộ nguồn hoàn chỉnh Chức năng của các khối như sau: - Biến áp để biến đổi điện áp xoay chiều U1 thành điện áp xoay chiều U2 có giá trị thích hợp với yêu cầu. Trong một số trường hợp có thể dùng trực tiếp U1 mà không cần biến áp. - Mạch chỉnh lưu có nhiệm vụ chuyển điện áp xoay chiều U2 thành điện áp một chiều không bằng phẳng UT (có giá trị thay đổi nhấp nhô). Sự thay đổi này phụ thuộc vào từng dạng mạch chỉnh lưu. - Bộ lọc có nhiệm vụ san bằng điện áp một chiều dập mạch UT thành điện áp một chiều UO1 ít nhấp nhô hơn. - Bộ ổn áp một chiều (ổn dòng) có nhiệm vụ ổn định điện áp (dòng điện) ở đầu ra của nó UO2 (IT) khi UO1 thay đổi theo sự mất ổn định của UO1 hay IT . Trong nhiều trường hợp nếu không có yêu cầu cao thì không cần bộ ổn áp hay ổn dòng một chiều. Tùy theo điều kiện và yêu cầu cụ thể mà bộ chỉnh lưu có thể mắc theo những sơ đồ khác nhau và dùng các van chỉnh khác nhau. Bộ chỉnh lưu công suất vừa và lớn thường dùng mạch chỉnh lưu ba pha. Dưới đây chúng ta sẽ đi khảo sát từng khối nêu trên trong bộ nguồn một chiều. II. BIẾN ÁP NGUỒN VÀ CHỈNH LƯU 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 điện xoay chiều về một chiều: Hình 1.2: Biến áp nguồn 2. Chỉnh lưu Các phần tử tích cực dùng để chỉnh lưu là các phần tử có đặc tuyến Volt - Ampe không đối xứng sao cho dòng điện đi qua nó chỉ đi qua nó chỉ đi qua một chiều. Người ta thường dùng chỉnh lưu Silic, để có công suất nhỏ hoặc trung bình cũng có thể dùng chỉnh lưu Selen. Để có công suất ra lớn (>100W) và có thể điều chỉnh điện áp ra tùy ý, người ta dùng Thyristor để chỉnh lưu. Các sơ đồ chỉnh lưu thường gặp là chỉnh lưu nửa chu kỳ, sơ đồ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ, sơ đồ chỉnh lưu cầu mà trong đó sơ đồ chỉnh lưu cầu có nhiều ưu điểm hơn cả. Mạch chỉnh lưu phải có hiệu suất (tỷ số giữa công suất ra và công suất hữu ích ở đầu vào) cao, ít phụ thuộc vào tải và độ gợn sóng của điện áp ra nhỏ. Sau đây ta sẽ xét về sơ đồ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ và sơ đồ chỉnh lưu cầu. a. Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ: Đặc điểm của mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ là trong cả hai nửa chu kì của điện áp xoay chiều đều có dòng điện chạy qua tải. Có hai loại sơ đồ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ: sơ đồ cân bằng và sơ đồ cầu. a. Sơ đồ cân bằng Ur 0 t Không có Ct Có Ct b. Đồ thị thời gian của điện áp ra Hình 1.3: Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ Điện áp cực đại khi không tải: Trong đó Un là điện áp ngưỡng của diode, U2 điện áp trên cuộn thứ cấp của biến áp. Điện áp ngược đặt lên diode (trong trường hợp C t ¹ 0): Ung = U2hd. b. Mạch chỉnh lưu cầu: Sơ đồ cầu thường được dùng trong trường hợp điện áp xoay chiều tương đối lớn. Tuy cùng là sơ đồ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ nhưng nó ưu việt hơn sơ đồ cân bằng ở chỗ cuộn thứ cấp được sử dụng toàn bộ trong hai nửa chu kỳ của điện áp vào và điện áp ngược đặt lên điôt 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: nghĩa là nhỏ hơn chút ít so với điện áp ra trong sơ đồ cân bằng, vì ở đây luôn luôn có hai điốt mắc nối tiếp. Hình 1.4: Mạch chỉnh lưu cầu Ta thấy rằng trong từng nửa chu kỳ của điện áp thứ cấp , một cặp điốt có anôt dương nhất và katốt âm nhất mở, cho dòng một chiều qua , cặp điốt còn lại khóa và chịu một điện áp ngược cực đại bằng biên độ . Ví dụ tương ứng với nửa chu kỳ dương của , cặp điốt Đ1Đ3 mở, Đ2Đ4 khóa. Rõ ràng điện áp ngược đặt lên van lúc khóa có giá trị bằng một nửa so với trường hợp sơ đồ chỉnh lưu cân bằng đã xét trên, đây là ưu điểm quan trọng nhất của sơ đồ cầu. Ngoài ra, kết cấu thứ cấp của biến áp nguồn đơn giản hơn. Trong sơ đồ 1.4, nếu nối đất điểm giữa biến áp và mắc thêm tải ta có mạch chỉnh lưu có điện áp ra hai cực tính. Đây thực chất là hai mạch chỉnh lưu cân bằng. Hình 1.5: Chỉnh lưu điện áp ra hai cực tính III. LỌC CÁC THÀNH PHẦN XOAY CHIỀU CỦA DÒNG ĐIỆN RA TẢI Trong các mạch chỉnh lưu nói trên điện áp hay dòng điện ra tải tuy có cực tính không đổi, nhưng các giá trị của chúng thay đổi theo thời gian một cách chu kỳ, gọi là sự đập mạch (gợn sóng) của điện áp hay dòng điện sau chỉnh lưu. Một cách tổng quát khi tải thuần trở, dòng điện tổng hợp ra tải là: Trong đó là thành phần một chiều và là tổng các sóng hài xoay chiều có giá trị, pha và tần số khác nhau phụ thuộc và loại mạch chỉnh lưu. Vấn đề đặt ra là phải lọc các thành phần sóng hài này để cho ít đập mạch, vì các sóng hài gây sự tiêu thụ năng lượng vô ích và gây sự nhiễu loạn cho sự làm việc của tải. Trong mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ thành phần một chiều tăng gấp đôi so với mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ, thành phần sóng hài cơ bản (n=1) bị triệt tiêu, chỉ còn các sóng hài bậc từ n = 2 trở lên. Vì vậy mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ đã có tác dụng lọc bớt sóng hài. Người ta định nghĩa hệ số đập mạch KP của bộ lọc: Kp = Biên độ sóng hài lớn nhất của it (hay ut) Giá trị trung bình của it (hay ut) KP càng nhỏ thì chất lượng của bộ lọc càng cao. Người ta đã tính toán rằng khi chỉnh lưu nửa chu kỳ KP = 1,58, khi chỉnh lưu hai nửa chu kì KP = 0,667. Để thực hiện nhiệm vụ lọc nói trên, các bộ lọc sau đây thường được dùng: 1. Lọc bằng tụ điện Trường hợp này đã được nêu ra trong trường hợp tải điện dung của mạch chỉnh lưu. Nhờ có tụ nối song song với tải, điện áp ra tải ít nhấp nhô hơn. Hình 1.6: Lọc bằng tụ điện Do sự phóng và nạp tụ qua các 1/2 chu kỳ và do các sóng hài được rẽ qua mạch C xuống điểm chung, dòng điện ra tải chỉ còn thành phần một chiều và một lượng nhỏ sóng hài bậc thấp. Việc tính toán hệ số đập mạch của bộ lọc dẫn tới kết quả: Nghĩa là tác dụng lọc càng rõ rệt khi C và Rt càng lớn (Rt tiêu thụ dòng điện nhỏ). Với bộ chỉnh lưu dòng điện công nghiệp (tần số 50Hz hay 60Hz), giá trị của tụ C thường có giá trị từ vài đến vài nghìn (tụ hóa). 2. Lọc bằng cuộn cảm L Mạch lọc bằng cuộn cảm L được biểu diễn như sau Hình 1.7: Lọc bằng cuộn cảm Cuộn cảm L được mắc nối tiếp với tải Rt nên khi dòng điện it ra tải biến thiên đập mạch, trong cuộn L sẽ xuất hiện sức điện động tự cảm chống lại. Do đó làm giảm các sóng hài (nhất là các sóng hài bậc cao). Về mặt điện kháng, các sóng hài bạc n có tần số càng cao sẽ bị cuộn cảm L chặn càng nhiều. Do đó dòng điện ra tải chỉ có thành phần một chiều và một lượng nhỏ sóng hài. Đó chính là tác dụng lọc của cuộn L. Hệ số đập mạch của bộ lọc dùng cuộn L là: Nghĩa là tác dụng lọc của cuộn L càng tăng khi Rt càng nhỏ (tải tiêu thụ dòng điện lớn). Vì vậy bộ lọc này thích hợp với mạch chỉnh lưu công suất vừa và lớn. Giá trị của cuộn cảm L càng lớn thì tác dụng càng tăng, tuy nhiên cũng không nên dùng L quá lớn, vì khi điện trở một chiều của cuộn L lớn, sụt áp một chiều trên nó tăng và hiệu suất của bộ chỉnh lưu giảm. 3. Bộ lọc hình L ngược và hình Các bộ lọc này sử dụng tổng hợp tác dụng của cuộn cảm L và tụ C để lọc, do đó các sóng hài càng giảm nhỏ và dòng điện ra tải (hay điện áp trên tải) càng ít nhấp nhô. Để tăng tác dụng lọc có thể mắc nối tiếp 2 hay 3 mắt lọc hình với nhau. Khi đó dòng điện và điện áp ra tải gần như bằng phẳng hoàn toàn. Hình 1.8: Lọc hình L ngược Hình 1.9: Lọc hình Trong một số trường hợp để tiết kiệm và giảm kích thước, trọng lượng của bộ lọc ta có thể thay cuộn cảm L bằng R trong mắt lọc hình L ngược hay hình . Lúc đó R gây sụt áp cả thành phần một chiều trên nó dẫn tới hiệu suất và chất lượng của bộ lọc thấp hơn dùng cuộn L. Thường người ta chọn giá trị R sụt áp một chiều trên nó bằng (10 - 20)%U0 khoảng vài đến vài . 4. Bộ lọc cộng hưởng Hình 1.10.a biểu diễn bộ lọc cộng hưởng dùng mạch cộng hưởng song song LkCk mắc nối tiếp với tải Rt nhờ vậy sẽ chặn sóng hài có tần số bằng tần số cộng hưởng của nó. Ngoài ra tụ C1 còn có tác dụng lọc thêm. (a) (b) Hình 1.10: Các bộ lọc cộng hưởng Hình 1.10.b biểu diễn bộ lọc cộng hưởng dùng mạch cộng hưởng nối tiếp LkCk mắc song song với tải Rt. Ở tần số cộng hưởng nối tiếp của mạch LkCk trở kháng của nó rất nhỏ nên nó ngắn mạch các sóng hài có tần số bằng hay gần bằng tần số cộng hưởng. Ngoài ra cuộn L còn có tác dụng lọc thêm. IV. ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP Nhiệm vụ ổn định điện áp (gọi tắt là ổn áp) một chiều ra tải khi điện áp và tần số điện lưới thay đổi, khi tải biến đổi (nhất là đối với bán dẫn) rất thường gặp trong thực tế. Điện trở ra của bộ nguồn cung cấp yêu cầu nhỏ, để hạn chế sự ghép ký sinh giữa các tầng, giữa các thiết bị cùng chung nguồn chỉnh lưu. Việc ổn định điện áp xoay chiều có nhiều hạn chế nhất là khi điện áp lưới thay đổi nhiều. Dùng bộ ổn áp một chiều bằng phương pháp điện tử được sử dụng phổ biến hơn đặc biệt khi công suất ra tải yêu cầu không lớn và tải tiêu thụ trực tiếp điện áp một chiều. Các dạng bộ ổn áp trên thực tế được chia làm ba loại chính: ổn áp kiểu tham số (ổn áp dùng điốt Zener), ổn áp kiểu bù tuyến tính (mạch ổn áp có hồi tiếp) và ổn áp xung. Trong phạm vi của đồ án này chúng ta chỉ xét đến mạch ổn áp có hồi tiếp với nguyên tắc thực hiện các sơ đồ ổn áp có hồi tiếp, phân loại và một số loại IC ổn áp tuyến tính. 1. Nguyên tắc mạch ổn áp có hồi tiếp Để nâng cao chất lượng ổn định, người ta dùng bộ ổn áp kiểu bù tuyến tính (còn gọi là ổn áp so sánh hoặc ổn áp có hồi tiếp). Nguyên tắc làm việc của các sơ đồ ổn định có hồi tiếp được biểu diễn như sau PHẦN TỬ ĐIỀU KHIỂN BỘ KHUẾCH ĐẠI BỘ SO SÁNH NGUỒN CHUẨN (Điện áp một chiều chưa ổn định) ®Þnh) U’r Ur Hình 1.11: Sơ đồ khối minh họa nguyên tắc làm việc của các mạch ổn định có hồi tiếp Trong mạch này, một phần điện áp (dòng điện) ra được đưa về so sánh với một giá trị chuẩn. Kết quả so sánh được khuếch đại lên và đưa đến phần tử điều khiển. Phần tử điều khiển thay đổi tham số làm cho điện áp (dòng điện) ra trên nó thay đổi theo xu hướng tiệm cận đến giá trị chuẩn. Hình sau minh họa phương pháp lấy tín hiệu đưa về mạch so sánh khi ổn áp và ổn dòng. Rt U’r R Rt Điện áp đưa về bộ so sánh Điện áp đưa về bộ so sánh a. b. Hình 1.12: Cách lấy tín hiệu đưa về bộ so sánh a. Khi ổn áp b. Khi ổn dòng. Có thể thấy rằng, tất cả các nguồn áp (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, nên trong các sơ đồ ổn áp hoặc ổn dòng còn có thêm một bộ khuếch đại công suất mắc trong mạch hồi tiếp. Tùy theo phương pháp cấu trúc, các sơ đồ ổn định có hồi tiếp được chia thành hai loại cơ bản: ổn định song song và ổn định nối tiếp. Sơ đồ khối bộ ổn áp kiểu song song được cho ở hình 1.13.a, nguyên lý làm việc của loại sơ đồ này như sau: Phần tử điều chỉnh D điều tiết dòng điện trong giới hạn cần thiết qua đó điều chỉnh giảm áp trên điện trở Rd theo xu hướng bù lại: U2 = U1 - URd , do đó điện áp ra tải được giữ không đổi. Bộ tạo điện áp chuẩn đưa Ech vào so sánh với điện áp ra U2 ở bộ so sánh và độ sai lệch giữa chúng được khuếch đại nhờ khối khuếch đại Y. Điện áp ra của Y sẽ khống chế phần tử điều chỉnh D. Sự biến đổi dòng điện từ 0 Itmax sẽ gây nên sự biến đổi tương ứng dòng điện qua phần tử điều chỉnh từ Itmax 0. D Y Ech U1 Rt U2 Udc D Y Ech U1 Rt It U2 Id a. b. Hình 1.13: a. Sơ đồ khối bộ ổn áp mắc song song b. Sơ đồ khối bộ ổn áp mắc nối tiếp Hình 1.13.b biểu thị sơ đồ khối bộ ổn áp bù mắc nối tiếp, trong đó phần tử điều chỉnh D được mắc nối tiếp với tải, do đó dòng điện chạy qua tải cũng gần bằng dòng điện chạy qua D. Nguyên lý họat động của bộ ổn áp dựa trên sự biến đổi điện trở trong của phần tử điều chỉnh D theo mức độ sai lệch của điện áp ra (sau khi đã được so sánh và khuếch đại). Ví dụ do nguyên nhân nào đó làm cho U2 biến đổi, qua mạch so sánh và khuếch đại Y tín hiệu sai lệch sẽ tác động vào phần tử điều chỉnh D làm cho điện trở của nó biến đổi theo chiều hướng là Uđc trên hai cực của D bù lại sự biến đổi của U1. Khi đó ta có U2 = U1 - Uđc do có sự biến đổi cùng chiều giữa U1 và Uđc , U2 sẽ ổn định hơn. Trong hai sơ đồ trên, phần tử điều chỉnh gây ra tổn hao chủ yếu về năng lượng trong bộ ổn áp và làm cho hiệu suất của bộ ổn áp không vượt quá được 60%. Trong sơ đồ mắc song song, công suất tổn hao chủ yếu xác định bằng công suất tổn hao trên Rd và trên phần tử điều chỉnh D là: Trong sơ đồ mắc nối tiếp, công suất tổn hao chi do phần tử điều chỉnh quyết định: Vậy sơ đồ nối tiếp có tổn hao ít hơn sơ đồ song song một lượng là UtId nên hiệu suất cao hơn và nó được dùng phổ biến hơn. Ưu điểm của sơ đồ song song là không gây nguy hiểm khi quá tải vì nó ngắn mạch đầu ra. Sơ đồ nối tiếp yêu cầu phải có thiết bị bảo vệ vì khi quá tải, dòng qua phần tử điều chỉnh và qua bộ chỉnh lưu sẽ quá lớn gây nên hỏng phần tử điều chỉnh hoặc biến áp. 2. Bộ ổn áp tuyến tính IC Để thu nhỏ kích thước cũng như chuẩn hóa các các tham số của các bộ ổn áp một chiều kiểu bù tuyến tính người ta chế tạo chúng dưới dạng vi mạch, nhờ đó việc sử dụng cũng dễ dàng hơn. Các bộ IC ổn áp trên thực tế cũng bao gồm các phần tử chính là bộ tạo điện áp chuẩn, bộ khuếch đại tín hiệu sai lệch, transistor điều chỉnh, bộ hạn dòng. Các IC ổn áp thường đảm bảo dòng ra khoảng từ 100mA đến 1,5A điện áp tới 50V, công suất tiêu tán khoảng 500 - 800 mW. Hiện nay người ta cũng chế tạo các IC ổn áp cho dòng tới 10A. Các loại IC ổn áp điển hình thường dùng là : serial 78xx hay 79xx, LM 105, LM 309, A 723, LM323, LM 317, LM 337… Tùy thuộc vào tham số kỹ thuật như điện áp ra, dòng ra, hệ số ổn định điện áp, khả năng điều chỉnh điện áp ra, dải nhiệt độ làm việc, nguồn cung cấp, độ ổn định theo thời gian.v.v. mà người ta chế tạo ra nhiều loại khác nhau. PHẦN II THIẾT KẾ NGUỒN MỘT CHIỀU ỔN ÁP CÓ ĐIỆN ÁP RA THAY ĐỔI TỪ 0 -15V I. SƠ ĐỒ KHỐI CỦA KHỐI NGUỒN BiÕn ¸p M¹ch chØnh l­u Bé läc æn ¸p mét chiÒu (æn dßng) U1 ~ U2 ~ UT UO1 UO2 IT RT Hình 2.1: Sơ đồ khối của một bộ nguồn hoàn chỉnh Các tiêu chuẩn kỹ thuật của khối nguồn: - Điện áp vào 220VAV - 50Hz. - Điện áp ra 0 - 15VDC. - Dòng điện ra tải 3A. - Công suất cực đại 45W. II. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁP THIẾT KẾ Dựa vào các tiêu chuẩn kỹ thuật của khối nguồn như trên ta lựa chọn phương áp thiết kế cho từng khối của bộ nguồn và từ đó đưa ra sơ đồ nguyên lý của bộ nguồn: 1. Biến áp Ở đây do nguồn ổn áp được sử dụng ở lưới điện xoay chiều (220V - 50Hz) và công suất cực đại của nguồn là 45W (15VDC - 3A) nên ta sử dụng một biến áp có điện áp vào 220V và điện áp ra 15V, dòng ra 3A. 2. Mạch chỉnh lưu Do những ưu điểm của mạch chỉnh lưu cầu như điện áp ra ít nhấp nháy, điện áp ngược mà điôt phải chịu nhỏ hơn so với phương pháp cân bằng nên ta sẽ chọn bộ chỉnh lưu cầu. 3. Bộ lọc nguồn Bộ lọc có nhiệm vụ san bằng điện áp một chiều dập mạch UT thu được sau khối chỉnh lưu thành điện áp một chiều UO1 ít nhấp nhô hơn. Với những đặc điểm của phương pháp lọc bằng tụ điện như tính đơn giản cũng như chất lượng lọc khá cao nên ở đây ta sẽ sử dụng phương pháp lọc này cho khối nguồn. 4. Khối ổn áp Theo yêu cầu thiết kế mạch ổn áp có điện áp ra thay đổi từ 0V đến 15V nên ta sử dụng một IC ổn áp thông dụng là LM317. Do LM317 chỉ cho điện áp ra trong dải 1.2V - 35V (với cách mắc thông thường) nên ta phải sử dụng một cách mắc phối hợp nhằm điều chỉnh điện áp ra về mức 0V bằng cách dùng một khối mạch để tạo ra điện áp âm. a. Nguyên lý khối mạch ổn áp có điện áp thay đổi · Tổng quát về IC LM317 LM 317 là một IC ổn áp thông dụng được ứng dụng nhiều trong thực tế với các ưu điểm như điện áp ra ổn định cũng như cách điều chỉnh điện áp ra khá đơn giản (chỉ cần thay đổi giá trị một phân áp). Một số đặc điểm thông số kỹ thuật cơ bản của LM 317 như sau: * 1,2V ≤ UOUT ≤ 35V. * IOUT MAX = 1,5A. * 3V ≤ UIN - UOUT ≤ 40V. * IADJ = (50 ¸100) mA. * 10 mA ≤ IOUT ≤ IMAX Hình 2.2: IC ổn áp LM317 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của LM317 được trình bày như sau: Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý IC LM317 Mạch sử dụng IC LM317, với cách mắc thông thường (như hình 2.4) điện áp ra chỉ nằm trong khoảng 1,2V đến 35V. Hình 2.4: Sơ đồ ổn áp dùng LM317 Điện áp ra có thể điều chỉnh được nhờ thay đổi phân áp R1 , R2 . Dòng điện ra tại chân ADJ có giá trị rất nhỏ (50 - 100mA). Điện áp trên R1 là 1,25V. Khi đó điện áp ra được tính theo công thức: Do IADJ có giá trị rất nhỏ nên có thể tính gần đúng Ura như sau: · Phương pháp điều chỉnh Ur về mức điện áp 0V: Để có thể điều chỉnh Ur về mức 0V ta sử dụng cách mắc mạch phối hợp như sau: Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý chỉnh mức điện áp ra về mức 0V. Nguyên lý chỉnh Ur về mức 0V như sau: Từ sơ đồ nguyên lý ta có: Nếu ta có giá trị U1 ≤ -1,25V thì khi đó ta có thể điều chỉnh được điên áp Ur về mức 0V. b. Nguyên lý của khối tạo điện áp âm Nguồn âm có thể được tạo ra đơn giản bằng cách sử dụng một cuộn biến áp có đầu ra âm và dương. Nhưng ở đây ta sẽ tạo ra một nguồn âm bằng cách dùng các nguồn dương có sẵn. Việc tạo ra điện áp âm từ các nguồn điện áp dương có sẵn dựa trên nguyên lý của một nguồn xung cơ bản sử dụng sự phóng và nạp của các tụ điện theo chu kỳ nhờ tác dụng của một xung vuông được tạo ra từ một khối mạch tạo xung. Sơ đồ khối mạch như sau: Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý của mạch tạo điện áp âm Trong đó: Các IC LM7812, LM555, và R1 , R2 , C1 , C2 có tác dụng tạo ra một xung vuông có tần số được xác định theo R1 , R2 , C1 và biên độ khoảng 7,4V (theo đặc tính của IC555). Khối tạo xung xuông này có thể được thay bằng bất kỳ một mạch tạo xung vuông khác (ví dụ như mạch đa hài dao động, mạch dao động dùng mạch di pha ...) Khi đó tại chân số 3 (chân OUT) của IC 555 sẽ có một xung vuông có biên độ là U0 = 7,4V . Khi xung vuông ở mức cao, dòng điện từ chân 3 nạp vào tụ C3 rồi qua D1 xuống đất do đó tụ C3 được tích điện. Khi chân số 3 ở mức thấp 0V, khi đó có thể xem cực (+) của tụ C3 được nối xuống đất. Trước đó tụ C3 đã đươc tích điện U0 - 0,7 = 6,7V, do đó lúc này tại cực (-) của tụ C3 sẽ có điện áp là - (U0 - 0,7) = - 6,7V, điện áp âm này sẽ kéo dòng qua diode D2 làm cho tại catot của sẽ tồn tại một điện áp âm có giá trị - (U0 - 0,7) + 0,7 = 6V nhờ có LM7905 điện áp này được giữ ổn định ở mức -5V. Các tụ C4, C5 đóng vai trò là các tụ lọc. Vậy ở đầu ra của mạch ta đã tạo ra được một điên áp âm có giá trị - 5V. c. Cách tăng dòng điện ra tải Do IC LM317 chỉ có thể cho dòng điện ra tải cực đại là 1,5A do đó để có thể đạt được dòng ra tải là 3A ta có thể mắc thêm transistor điều chỉnh phối hợp với IC ổn áp như sau: Hình 2.5: IC ổn áp dùng thêm transistor ngoài để tăng dòng sử dụng. Từ sơ đồ ta có Ir = IC » IE . Khi đó transistor trở thành phần tử chịu dòng thay cho IC ổn áp. Do vậy chỉ cần chọn loại transistor có khả năng chịu được dòng điện mong muốn (3A) và tính toán để phân cực cho transistor đó hoạt động. PHẦN III: TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT VÀ LẮP RÁP MẠCH THỰC TẾ I. TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CHO TỪNG KHỐI MẠCH 1. Biến áp Hình 3.1: Biến áp nguồn Với chỉ tiêu Ura max = 15 V, theo đặc tính kỹ thuật của LM317 thì điện áp vào IC cần thoả mãn 3V ≤ UIn - UOut ≤ 40V, do đó UIn = 18V, mặt khác phải cộng thêm một lượng điện áp rơi trên hai diode chỉnh lưu, do đó điện áp ra trên cuộn thứ cấp là U2 = UIn + 2 * 0,7 = 19,4 V. Xét khi điện áp lưới có giá trị nhỏ nhất Ulưới min = 200 V, và với điện áp ra yêu cầu trên cuộn thứ cấp là 19,4V ta có: Khi điện áp lưới có giá trị lớn nhất Ulưới max = 240 V, điện áp ra lớn nhất trên cuộn thứ cấp: (V) Ta có dòng điện ra trên khối nguồn cũng là dòng điện ra trên cuộn thứ cấp của biến áp: Ira = I2 = 3A. Do đó công suất lớn nhất mà biến áp cung cấp là: P2 = U2 * Ir = 23 * 3 = 69 W Giả sử rằng tổn hao trên hai diode chỉnh lưu là 10% thì công suất thực của biến áp là: W Dòng điện chạy trên cuộn sơ cấp là: A — Để tính diện tích thiết diện của lõi biến áp ta dựa vào công thức: (cm2) _ (cm2) Do đó ta lựa chọn diện tích tiết diện của lõi biến thế là 9 cm2, và dùng thép kỹ thuật Tôn - Silíc. — Tính đường kính dây cuốn biến áp theo chỉ tiêu mật độ dòng 3A/mm² - Cuộn sơ cấp: I1 = 0,2 A (mm2) _ Đường kính dây cuốn biến áp trên cuộn sơ cấp: (mm) - Cuộn thứ cấp: I2 = 3A (mm2) _ Đường kính dây cuốn biến áp trên cuộn thứ cấp: (mm) — Tính số vòng dây của biến áp: Dựa vào tỉ số: _ Xét khi Ulưới max = 240 V thì số vòng dây trên cuộn sơ cấp là: (vòng) Số vòng dây trên cuộn thứ cấp là: (vòng) — Vậy ta lựa chọn biến áp có các đặc tính sau: - Diện tích tiết diện lõi biến áp: S = 9 cm2 - Đường kính dây cuốn biến áp: + Sơ cấp : d1 = 0,3 mm + Thứ cấp: d2 = 1,128 mm - Số vòng dây cuốn biến áp: + Sơ cấp : n1 = 1200 vòng + Thứ cấp: n2 = 80 vòng 2. Khối chỉnh lưu Khi điện áp lưới có giá trị lớn nhất Ulưới max = 240 V, điện áp ngược đặt lên diode chỉnh lưu: (V) Dòng điện lớn nhất qua diode: ID = I2 = 3A. Hệ số gợn sóng (khi Ct = 0) W = 0,49. Tần số của điện áp ra bộ chỉnh lưu: 100Hz Do đó ta lựa chọn diode chỉnh lưu loại: IN5408. 3. Khối lọc nguồn — Sau khi qua khối chỉnh lưu cầu thì tụ lọc cũng phải đảm bảo chịu được điện áp lớn nhất là 23 V. Do đó ta chọn một tụ lọc có Umax = 25 V. — Để xác định điện dung của tụ ta dựa vào độ gợn sóng sau khối chỉnh lưu: Chọn độ gợn sóng sau khối chỉnh lưu là Kgs = 5% = 0,05. Chu kỳ chỉnh lưu: (s) Điện trở tải tương đương: W Khi đó: (F) Vậy ta chọn tụ lọc : 2200 mF / 25V. 3. Khối phân áp lấy điên áp ra Hình 3.2: Khối phân áp Phân áp R1 và R2 có nhiệm vụ làm thay đổi điện áp ra theo sự biến thiên của biến trở R2. Từ sơ đồ ta có: Khối tạo điên áp âm có nhiệm vụ tạo ra một điên áp âm U1 = - 5V. Khi đó để tạo ra một điên áp biên thiên từ 0 - 15 V thì: Nếu chọn R1 = 560 W thì ta có 1,68 KW ≤ R2 ≤ 8,4 KW. Như vậy ta có thể chọn một biến trở 10K. 4. Khối tạo điên áp âm Khối tạo điên áp âm được xây dựng trên cơ sở một nguồn xung cơ bản cho điện áp ra là - 5V (do sử dụng IC ổn áp LM 7905) và dòng ra tải có thể đạt đến 1A (theo đặc tính của IC LM555 và LM7905). Hình 3.3: Khối tạo điên áp âm. — Nguồn cung cấp: Ta sử dụng một nguồn ổn áp đơn giản với IC LM7812 tạo ra một điên áp ổn định +12V, cung cấp cho IC tạo xung. — Khối tạo xung vuông: IC LM555 có nhiệm vụ tạo ra một xung vuông có tần số và biên độ ổn định. Tần số do LM555 tạo ra được tính theo công thức: Nếu chọn RA = R4 = 1K, RB = R5 = 10K và C = 1 mF thì tần số đóng mở của tụ C9 là: (Hz) Nguyên lý hoạt động của mạch được giải thích như ở phần II và điện áp ra luôn đạt -5V ổn định do sử dụng LM7905. 5. Transistor tăng dòng ra tải Để tăng dòng ra cho nguồn ta sử dụng cách mắc như sau: Hình 3.4: IC ổn áp dùng thêm transistor ngoài để tăng dòng sử dụng. Do dòng ra là 3A ta phải sử dụng một transistor có khả năng chịu được dòng lớn hơn hoặc bằng 3A. Ở đây ta sẽ sử dụng transistor B688. Từ sơ đồ trên ta thấy để phân cực cho transtor hoạt động thì sụt áp trên điện trở R3 phải là 0,7 V, dòng qua nó là 0,3A (Dòng qua LM317). Do đó ta chọn điện trở R3 như sau: Ở đây ta sử dụng một điện trở có R3 = 2,2 W, công suất P = 0,5 W. 6. Khối lọc điện áp ra Để tăng độ ổn định cũng như để lọc các nhiễu của điện áp ra ta sử dụng thêm một khối lọc điện áp ra gồm tụ C3 = 100mF / 25V và C4 = 100 nF. Sau khi tính toán chi tiết cho các khối ta tiến hành ghép nối các khối với nhau thành sơ đồ nguyên lý như sau: s¬ ®å nguyªn lý nguån m«t chiÒu æn ¸p cã ®iÖn ¸p ra t hay ®æi (0 ¸ 15V) 3A Sơ Đồ Layout Sơ đồ mạch thực tế KẾT LUẬN Sau một thời gian tìm hiểu và thiết kế, em đã hoàn thành đồ án thiết kế của mình với yêu cầu thiết kế khối nguồn một chiều ổn áp có điện áp ra thay đổi (0 ¸ 15V) 3A. Kết quả thiết kế đã được lắp ráp thành mạch điện và kết quả hoạt động của mạch đạt được những yêu cầu thiết kế. Qua đề tài thiết kế này đã giúp em có thể áp dụng những kiến thức đã học vào thực tế đồng thời nâng cao khả năng tự tìm hiểu và thiết kế các mạch điện tương tự. Từ những kiến thức đã thu được trong quá trình thực hiện đồ án này sẽ giúp em có thêm kinh nghiệm để thiết kế các mạch điện mới có độ phức tạp hơn. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo: Th.s Võ Đình Tùng đã tận tình hướng dẫn giúp em hoàn thành đồ án thiết kế này. Sinh viên thực hiện Trương Văn Quyết Tài Liệu Tham Khảo DATASHEET của các IC LM317, LM 7812, LM 555, LM 7905, và Transistor B688 Wedsite: dientuvietnam.net, 4tech.com..