ổn áp một chiều

mạch bảo vệ dòng, áp hay cho người học

Chương 1 ỔN ÁP NGUỒN MỘT CHIỀU

Nguồn ổn áp dùng để tạo ra cấp cho tải Vo có trị số ổn định không tùy thuộc theo điện

áp ngõ vào VI & trị số của điện trở tải

§ 1.1 NGUYÊN TẮC ỔN ÁP

* Khối điện áp chuẩn: (V R ) Điện áp chuẩn VR là cơ sở cho việc ổn áp chuẩn để trực tiếp điều khiển điện áp ngõ ra Vo

* Khối điện áp phản hồi: (V S ) Khi ngõ ra có điện áp bị thay đổi sẽ làm điện áp phản

hồi bị thay đổi so với điện áp chuẩn (VR)

* Khối khuếch đại sai lệch: Được so sánh giữa điện áp chuẩn với điện áp phản hồi để

làm thay đổi trạng thái dẫn điện của phần tử điều khiển

* Phần tử điều khiển : Là linh kiện điện tử công suất được coi như 1 tổng trở có trị số

tùy thuộc ngõ ra của mạch khuếch đại

§ 1.2 MẠCH ỔN ÁP DÙNG DIOD ZENER

Chỉ dùng cho các lọai tải có công suất nhỏ

Vo = VZ = hằng số

R

O I I

V V

R = −

Trong đó VI là trị trung bình :

VI = ( 1,5 ÷ 2 )Vo

VS

Phần tử điều khiển

Khối điện áp chuẩn

Khối điện áp phản hồi

Khối khuếch đại sai lệch

-+

R

Z

VS

Phần tử điều khiển

Khối điện áp chuẩn

Khối điện áp phản hồi

Khối khuếch đại sai lệch

Vậy IR = IL +I Z

Công suất điện trở : PR = 2PL = 2 RI2L

Chọn Diod Zener VZ = VL

IZmax≥ 4IL

Mạch này có nhược điểm là khó thực hiện trong thực tế đối với tải có công suất lớn

§ 1.3 MẠCH ỔN ÁP DÙNG TRANSISTOR

1.3.1.ỔN ÁP NỐI TIẾP

Vo = VB – VBE

Trong đó VB = VZ = hằng số

⇒ Vo = VZ – VBE = hằng số

(VBE =0,6V ÷ 0,7V )

Vậy điện áp ra được ổn định

& chỉ tùy thuộc vào VZ

Để mạch họat động tốt vẫn phải

Có điều kiện: VI = ( 1,5 ÷ 2 )Vo

Chọn Diod zener : IZ≥ (1 ÷ 2 )IB

IR = IZ + IB

R

Z i B

I

V V

R = −

- Chọn Transistor với các thông số sau: ICmax ≥ 2IL

PC = ICVCE = IL ⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛V_i−V O

- Chọn Transistor có công suất tiêu tán cực đại là: PCmax ≥ 2PC

Ví dụ: Cho mạch ổn áp nối tiếp có VI = (18V → 24V) Yêu cầu điện thế ra ổn áp là Vo

=12V & dòng tải trung bình IL = 500mA Cho biết transistor có β = 50

Giải: - Điện áp vào trung bình là : V i V V 21V

2

24 18

=

+

=

- Dòng điện tải qua transistor: IC = IL =500mA

50

500

=

=

=

β

Dz

-+

R

T

VS

Phần tử điều khiển

Khối điện áp chuẩn

Khối điện áp phản hồi

Khối khuếch đại sai lệch

- Chọn dòng qua Diod zener : IZ = 2IB = 2 x 10mA = 20mA

Vậy chọn Diod zener có các thông số :

VZ = Vo + VBE = 12V + 0,6V = 12,6V

IZmax≥ 4IZ ⇒ IZmax = 80mA

Tính điện trở R

Ω

= +

−

= +

−

=

−

10 20

12 21

mA mA

V V I

I

V V I

V V

R

B Z

O i

R

O i

- Chọn transistor : ICmax≥ 2IC≥ 1A

PC = ICVCE = 500mA(21V – 12V) = 4,5W Chọn PCmax = 2PC = 2 x 4,5W = 9W

1.3.2 ỔN ÁP SONG SONG

Điều kiện Vi = ( 1,5 ÷ 2 )Vo

Vo = VZ + VBE = hằng số

Vậy Vo được giữ ổn định mà chỉ tùy thuộc vào VZ

Chọn IC = IL

Mà I = IC + IL

Tính

I

V V

R= i− O

Chọn Diod zener: IZ = ( 5 ÷ 10 )IB

VZ = VO - VBE

IZmax = 2IZ

1.3.3 MẠCH ỔN ÁP PHAO

IB

I

IL

IC

IZ

RB

Dz

T R

-+

IZ

IL

I34

I2

R4

R3

R2

RL

R1

IB2

Dz

T2

T1

-+

UCC

R R

R V

4 3

4

+

=

VS = VZ + VBE

4

4 3

) (

R

R R V V

V O = Z + BE + = hằng số

Vậy điện áp ra ổn định theo VZ & cầu phân áp R3 , R4

VO = Vi – VCE1

VCE1 = VR + VBE1

Khi VI∨ ∏ VO∨ ∏ VS∨ ∏ T2 dẫn mạnh ∏ IC2 ∨ ∏ VR1∨ ∏ VCE1∨ ∏ VO¬

Ví dụ: Cho mạch ổn áp phao có yêu cầu sau: VO =9V , IL = 1A

Tìm giá trị điện trở trong mạch & chọn các thông số cho linh kiện

Giải:

Điều kiện điện áp vào: Vi =(1,5 ÷2) VO

Vi = 1,5VO÷2VO = 1,5 x 9V ÷ 2 x 9V

⇒ V i V V 15,75V

2

18 5 , 13

=

+

=

- Công suất tiêu tán trên Transistor T1 : PC1

W A

V V I

V V I V

P C1 = CE1 C1 = ( i − O) L = ( 15 , 75 − 9 ) 1 = 6 , 75

- Chọn transistor có công suất tiêu tán cực đại : PCmax

PCmax = 2PC = 13,5W

- Chọn Diod zener có : V Z V O 4,5V

2

1

=

=

- Dòng điện qua cầu phân áp R3,R4 được chọn sau cho có trị số rất nhỏ so với dòng tải để coi như không đáng kể

100

1 100

34 = = =

- Vậy ta có thể tính tổng trở của cầu phân áp:

Ω

=

=

=

10

9

34 4 3

mA

V I

V R R

R O

Mà ta có VS = VZ + VBE2 ( Chọn V BE2 = 0,7V)

- VS = 4,5V + 0,7V = 5,2V

- Chọn dòng IB2 của transistor T2 rất nhỏ so với IR34 để không ảnh hưởng đến cầu phân áp

100

10 100

2 = = =

34

4

R

S I

V R

(1) ⇒ R3 + R4 =900Ω

- R3 = 380Ω

Vậy T2 có β =50 ⇒ IE2 = βIB2 = 50 x 0,1mA = 5mA

Chọn IZ = (2 ÷ 3)IE2

Nếu chọn IZ = 3IE2 = 3 x 5mA = 15mA

⇒ Dòng qua R2 là: IR2 = IZ – IE2 = 10mA

- Tính trị số điện trở R2 là: VR2 = VO - VZ

Ω

=

−

=

−

10

5 , 4 9

2 2

mA

V V

I

V V R

R

Z O

- Dòng điện qua R1 là: IR1 = IE2 + IB1

Chọn transistor T1 có β =50

- I I C A mA

50

1

1

1

1 = = =

β

- IR1 = 5mA + 20mA = 25mA

- Tính điện trở R1 : V R1 =V i − (V BE1+V O) ( Chọn V BE1 = 0,7V)

25

) 9 7 , 0 ( 75 , 15 ) (

1

1 1

mA

V V V

I

V V V R

R

O BE i

1.3 4 MẠCH ỔN ÁP CÓ ĐIỆN ÁP NGÕ RA THAY ĐỔI ĐƯỢC:

§.1.4 MẠCH ỔN ÁP DÙNG OP-AMP

1 GIỚI THIỆU:

Khuếch đại thuật tóan còn gọi là op_amp (Operational Amplifier) là bộ khuếch đại

DC có hệ số khuếch đại AV rất cao, thường được chế tạo dưới dạng tích hợp Cấu tạo bên trong của Op-amp rất phức tạp ,tích hợp gồm nhiều linh kiện như: transistor, điện trở, diod, và ngõ ra là tầng khuếch đại công suất

2 ON ÁP DC DÙNG OP_AMP

Hình bên là mạch ổn áp dùng op-amp ,trong mạch op_amp đóng vai trò là mạch khuếch đại sai lệch và ngõ ra cấp dòng cho cực B của transistor T lái dòng tải

VR

IZ

IL

I34

I2

R4

R3

R2

RL

R1

IB2

Dz

T2

T1

-+

UCC

R1

RL

DZ

T +VCC

Trong mạch Op-amp đóng vai trò là mạch khuếch đại sai lệch và ngõ ra cấp dòng cho cực B của transistor T lái dòng tải

R R

R V

2 1

1

+

=

Giả sử Op-amp là lý tưởng thì Vi = VZ

R

R R

V O = + Z =

1

2

1 ( Không phụ thuộc vào dòng tải IL) dòng điện qua tải : IO = IE1 = βIB1

Công suất tiêu tán trên Transistor T:

PC = (VCC – VO ).βIB1

Để điều chỉnh điện áp ra ,ta có thể thay mạch tạo áp chuẩn VZ dùng diod zener bằng mạch kết hợp Op-amp và diod zener

Ứng dụng mạch cung cấp nguồn thay đổi được:

Nguồn cung cấp ổn định 3V → 30V , 0 → 1A

Mạch có khả năng cấp điện áp ra thay đổitừ 3V đến 30V với dòng lên đến 1A

Nguồn cung cấp cho mạch từ 40V đến 45V chưa ổn định Điện áp này được đưa trực tiếp đến các cực C của các Transistor T1 và T2 ,nhưng lại gián tiếp cung cấp cho bộ khuếch đại thuật tóan (BKĐTT) qua R1 và diod zener DZ1

+VCC

VR

R

DZ

VR +VCC

R

DZ

R2

R1

+VCC

R3

DZ1

R2

R1

R4

R5

R6

R7

R8

741

T1

T2

DZ2

Vo

Điện áp ra 33V đã ổn định của DZ1 cũng được dùng để tạo ra điện áp chuẩn DZ2 và do

đó tạo ra được điện áp chuẩn 3V có độ ổn định rất cao

Transistor T1 và T2 được mắc theo kiểu Darlington với đầu vào của BKĐTT và tổ hợp Transistor tạo thành mạch khuếch D.C không đảo với độ lợi thay đổi được ,nhờ bộ phân

áp R6 – R7 – R8 Bộ phân áp này cho phép thay đổi độ lợi từ 1 đến 10 Điện áp ra thay đổi từ 3V đến 30V ,với dòng ra tới 1A rất ổn định

Nhược điểm của mạch này là không có bảo vệ ngắn mạch ,do đó mạch có thể hư hỏng nếu đầu ra bị ngắn mạch Có giải pháp là đưa vào 1 cầu chì mắc nối tiếp với đầu ra nhưng hay hơn hết là thêm 1 mạch bảo vệ ngắn mạch như hình dưới

Về cơ bản mạch chỉ thêm cảm biến dòng 0,6Ω mắc nối tiếp với ngõ ra và transistor hạn dòng T3 nối giữa cực Nền T1 và cực Phát T2 Nguyên tắc họat động rất đơn giản : T3 là transistor lọai Si và cần có 1 điện áp thuận ở cực B – E lớn hơn 0,6V để dẩn Điện áp ở cực

B –E này được lấy trên điện trở 0,6Ω và độ lớn của nó tùy thuộc vào dòng ra của mạch này

Thông thường dòng ra của mạch này nhỏ hơn 1A dòng này chạy qua R9 tạo ra điện

áp rơi trên trên R9 nhưng chưa đủ để T3 dẩn và T3 xem như hở mạch và không có ảnh hưởng

gì đến họat động của mạch Nếu có ngắn mạch ,dòng ra sẽ tăng trên 1A và tối thiểu có 0,6V rơi trên R9 ,làm T3 dẫn và tác động như 1 điện trở song song mắc giữa cực Nền T1 với cực Phát T2 ,làm cho T1 và T2 tắt ,vì vậy làm giảm dòng ra của mạch Thực tế ,khi xảy ra ngắn mạch dòng ra tự động giới hạn tới mức 1A Như vậy ,có thể thay đổi từ 3V đến 30V với dòng lên đến 1A ,nhưng có thêm chức năng tự động bảo vệ ngắn mạch ,do đó sẽ không bị

hư hỏng khi ngắn mạch ở đầu ra

§.1.5 VI MẠCH ỔN ÁP 3 CHÂN

1.5.1 Vi mạch ổn áp dương điện áp (họ 78XX)

Vi mạch 78XX là vi mạch ổn áp dương cho điện áp ngõ ra dương

78 ⇒ Biểu thị cho ổn áp dương (+)

XX ⇒ Biểu thị điện áp ngõ ra

Ví dụ: 7805 ⇒ cho ra điện áp dương 5V

Dạng vỏ ngòai và ký hiệu chân

Chân 1 : Ngõ vào (input)

Chân 2 : Nối mass (GND)

+VCC

40V÷4

R3

3.9K

DZ1

33V/1 W

R2

10 K

R1

1K

R4

2.7K

R5

470

R6

10

R7

470

R8

1K

741

DZ2

6,8V

T1

2N305

4 T2N3055 2

Vo

R9

0.6/1W

+ C1

100μ OUT 3÷30V

0÷1A

T3

2N3704

2 3

7 4 6

Chân 3 : Ngõ ra (output)

Dòng ra cực đại của họ vi mạch 78XX

* 78LXX (Low power) : Imax = 100mA

* 78MXX (Medium power) : Imax = 500mA

* 78XX : Imax = 1A ÷ 1,5A

* 78HXX (High power) : Imax = 5A

* 78PXX (Puissance power) : Imax = 10A

Bảng mã số điện áp ra

7805

7806

7809

7812

7815

7818

7824

5V 6V 9V 12V

15 18V 24V

Cách mắc mạch điện

Dạng mạch điện dùng vi mạch ổn áp 3 chân như hình trên trong đó tụ CI được thêm vào khi vi mạch đặt xa nguồn chỉnh lưu và lọc (nguồn DC chưa ổn định ) để ổn định điện áp ngõ vào có giá trị khỏang 0,33μF Tụ điện ngõ ra Co khỏang vài nF để lọc nhiễu cao tần do các xung nhọn có thể làm hỏng các vi mạch

Điện áp ngõ vào

Vmin = VO + 2V

Vimax =35V

Vậy Vo + 2V ≤ VI ≤ 35V

1.5.1 VI MẠCH ỔN ÁP ÂM ĐIỆN ÁP (HỌ 79XX)

Vi mạch 78XX là vi mạch ổn áp dương cho điện áp ngõ ra dương

79 ⇒ Biểu thị cho ổn áp âm (-)

XX ⇒ Biểu thị điện áp ngõ ra

Ví dụ: 7915 ⇒ cho ra điện áp âm -15V

Dạng vỏ ngòai và ký hiệu chân

7812

1 2 3

IN OUT

GND

Chân 1 : Nối mass (GND)

Chân 2 : Ngõ vào (input)

Chân 3 : Ngõ ra (output)

Dòng ra cực đại của họ vi mạch 79XX

* 79LXX (Low power) : Imax = 100mA

* 79MXX (Medium power) : Imax = 500mA

* 79XX : Imax = 1A ÷ 1,5A

* 79HXX (High power) : Imax = 5A

* 79PXX (Puissance power) : Imax = 10A

Bảng mã số điện áp ra

7905

7906

7909

7912

7915

7918

7924

-5V -6V -9V -12V -15V -18V -24V

Cách mắc mạch điện

Điện áp ngõ vào

Vmin = VO - 2V

Vimax = -35V

Vậy -35V ≤ VI≤ Vo - 2V

1.5.2 ỨNG DỤNG

+) Mạch nguồn ổn áp 15V – 1A dùng 7812

7912

1 2 3

IN OUT

GND

2

1

3

2 x 1N4002 1,5Ω/10W

7812

1K Ω

500 Ω

100 μF 50V 0,22μF

I max = 1A

Biến thế nguồn có điện ra ở cuộn thứ cấp là 36V có chấu giữa (mỗi bên 18V) Biến trở 500Ω dùng để điều chỉnhlúc đầu để có điện áp ra 15V IC 7812 phải lắp cánh Nhôm giải nhiệt tốt

+) Mạch nguồn ổn áp 12V – 5A dùng 7812

Bộ nguồn dùng IC 7812 cần phải gắn giải nhiệt với Transistor T2 dùng để nâng định mức dòng điện lên 5A Có bảo vệ đầy đủ cho ngắn mạch tải (bằng giới hạn dòng T1 và điện trở 0,3Ω) Ngõ ra giảm xuống tức thời khi dòng điện ra vượt quá 5A , điện trở 0,3Ω/60W

.Biến thế cuộn thứ cấp có định mức 18V/8A

+) Mạch nguồn ổn áp 5V – 2A dùng 7805

Mạch nguồn ổn áp 5V – 2A có bảo vệ ngắn mạch Transistor 3055 phải gắn giải nhiệt .Khi dòng ngõ ra vượt quá 2A làm áp rơi trên địện trở 0,22Ω lớn đủ để phân cực cho transistor A1015 dẫn cho dòng kích cho SCR 100-6 dẫn cấp dòng cho relay K tác động làm

mở tiếp điểm thường đóng K ngắt nguồn ở ngõ ra

+) Mạch nguồn ổn áp kép ± 15V dùng 7805 và 7915

Nếu có tải chung giữa 2 nguồn thì có thể xảy ra sự khóa mạch Sự khóa mạch này xảy ra vì ổnáp 3 chân không chịu được điếnap ngược 1ớn hơn điện áp thuận sụt trên 1 diod .Để ngăn ngừa sự khóa mạch này ,thiết kế tốt nhất là đặt diod phân cực ngược ở mỗi ngõ ra của nguồn kép Các diod sẽ không cần thiết nếu dùng tải từ đầu ra so với đất ,sự khóa mạch

HEP57003

3 Ω 5W

0,3 Ω

5000 μF 50V

0,02 μF

3

V o = 12V

I max = 5A

5000 μF 50V

7812 0,68 μF

1nF

22 μF 25V

T 1

HEP5003

2N3055

4,7K/1W

K

2200 μF 50V

0,22 μF

V o = 5V

I max = 2A

7812

3

0,22Ω/5W

K

MCR 100-6

2SA1015

này có thể xảy ra ở thời điểm mở nguồn ,đặc biệt xảy ra nếu 1 điện áp vào tăng nhanh hơn điện áp vào kia

Điều kiện khóa mạch thường ảnh hưởng đến ổn áp dương hơn là ổn áp âm Các diod này ngăn điện áp ngược đến IC ổn áp và bảo vệ khi mở nguồn Diod phải có định mức dòng

ít nhấtằ2ng phân nữa của dòng ra Các diod D1,D2 dùng để bảo vệ IC ổn áp ,D3, D4 dùng để tránh khóa mạch

1.5.3 VI MẠCH ỔN ÁP CÓ ĐIỆN ÁP RA THAY ĐỔI ĐƯỢC

Mặc dù ta có thể dùng IC ổn áp 3 chân lọai cố định để dùng trong các mạch ổn áp điều chỉnh được ,nhưng dòng tĩnh IQ từ chân GND của IC ổn áp 3 chân lọai cố định ảnh hưởng đến sai số điện áp ra Do đó ,người ta chế tạo ra các IC ổn áp 3 chân điều chỉnh được

vì lọai này có dòng tĩnh IQ từ chân ADJ (điều chỉnh) nhỏ hơn nhiều so với dòng tĩnh từ chân GND của lọai ổn áp 3 chân cố định

Có nhiều lọai IC ổn áp 3 chân điều chỉnh được như:

- Lọai ổn áp dương có : LM 117 ,LM 217 ,LM 317 ,LM350

Lọai ổn áp âm có : LM 337

-

1.5.3.1 ĐỐI VỚI IC ỔN ÁP DƯƠNG :

* Chân 1: Chỉnh mức điện áp ra (ADJ)

* Chân 2: Cho điện áp vào (Input)

* Chân 3: Cho điện áp ra (Output)

IC này có thể cấp dòng tải lên đến 1,5A mức điện áp ra thay đổi được trong khỏang

từ 1,25V đến 37V Chú ý đến điều kiện giải nhiệt cho IC Với lá nhôm giải nhiệt tốt ,IC sẽ cấp dòng ra lớn mà vẫn ở trạng thái an tòan

2200 μF

V o = +15V μA7815

3

μA7915

1

V o = - 15V

2200 μF

D1

D3

D4

D2

LM117

1 2 3

LM117L LM117M LM117 LM150

C in

R 1

240

IAdj

Ta có công thức tính điện áp ra là:

2 1

2) 1 ( 25 ,

R

R V

V out = + + Adj

Dòng IAdj rất nhỏ và không đổi (cỡ 100μA đối với LM117 và 50μA đối với LM317) ,do đó phần lớn ứng dụng có thể bỏ qua IAdj và khi đó:

) 1 ( 25 , 1

1

2

R

R V

V O = +

1.5.3.1.ĐỐI VỚI IC ỔN ÁP ÂM :

* Chân 1: Chỉnh mức điện áp ra (ADJ)

* Chân 2: Cho điện áp ra (Output)

* Chân 3: Cho điện áp vào (Input)

IC này cấp mức điện áp ra thay đổi được trong khỏang từ

-1,25V đến -37V Chú ý đến điều kiện giải nhiệt cho IC Với lá

nhôm giải nhiệt tốt ,IC sẽ cấp dòng ra lớn mà vẫn ở trạng thái an

tòan

Điện áp ngõ ra là:

) 1 ( 25 , 1

1

2

R

R V

V O =− +

1.5.3.2 MỘT SỐ MẠCH ÚNG DỤNG:

+) Mạch nguồn ổn áp điều chỉnh được (1,2V đến 17V )- 1,5A

Mặc dù LM317 ổn định không cần có tụ ngõ ra ,nhưng bất cứ mạch hồi tiếp nào ,điện dung bên ngòai có thể gây mạch dao động Hiệu ứng này xảy ra với các trị hiệu dụng nằm giữa từ 500pF đến 5000pF Để triệt hiệu ứng này và bảo đảm ổn định ta dùng tụ hóa nhôm

10μF ở ngõ ra

LM337

C in

R 2

R 1

240

C Adj

10 μ

IAdj

1

LM317

C 1

R 2

5K

R 1

270

C 2

10 μ

V in

1,5A

IAdj

D 1

1N4002

D 2

1N4002

C1 là tụ lọc nguồn theo sau phần chỉnh lưu và phải được nối gần với ngõ vào của IC

ổn áp để có được ổn định tốt

Nếu ngõ vào bị ngắn mạch ,D1 sẽ rẽ dòng xả và bảo vệ IC ổn áp Tương tự ,cả D1 và

D2 để cho C2 xả qua ,khi ngõ vào ngắn mạch Tụ ra C3 dùng để cải thiện đáp ứng quá độ của

ổn áp

Trong cả 2 lọai ổn áp đều chỉnh được lọai dương (LM317) và lọai âm (LM337) có 1 diod bên trong đi từ ngõ ra về ngõ vào Nếu tổng điện dung ra nhỏ hơn 25μF ta có thể không dùng diod D1

+) Mạch nguồn ổn áp điều chỉnh từ 0V đến 35V

Trong mạch dùng LM117là lọai IC chuẩn có điện áp ra chính xác là 1,22V ,có nhiễu rất thấp và độ ổn định nhiệt tốt

R

R V

V O 1,25 (1 ) 1,2

1

2 − +

=

Vo có thể điều chỉnh được từ 0V đến +35V

LM117

C 1

R 2

3K

R 1

120

C 2

10 μ

V in

IAdj

R 3

680

D Z

1,2V