ĐỒ ÁN MẠCH NGUỒN ỔN ÁP MỘT CHIỀU VÀ ĐIỆN ÁP ĐIỀU CHỈNH

Bài báo cáo bao gồm cả lý thuyết và thiết kế mạch thực tế, mạch điện an toàn, hoạt động ổn định. Đây là bài báo cáo mạch nguồn cung cấp cho bạn những kiến thức cần thiết và bổ ích nhất để bạn có thể làm một bài báo cáo đồ án tương tự hoặc thiết kế mạch điện thực tế. Bài báo cáo được chọn lọc và sưu tầm từ nhiều nguồn tài liệu trên mạng và trong sách, được chọn lọc và sửa chữa lại một cách cẩn thận và hoàn chỉnh đúng với khuôn mẫu với đúng với yêu cầu chuẩn của bài báo cáo. Đây là đề tài báo cáo rất thực tế và được ứng dụng rất rộng rãi, đặc biệt sẽ rất có lợi cho những ai đang theo học ngành Điện và Điện tử Viễn thông. NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Đặt vấn đề 1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.3. Phương pháp nghiên cứu 1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài   CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH 2.1. Cơ sở lý thuyết Tính toán thông số kỹ thuật: 2.1.1. Khái niệm về nguồn áp thấp một chiều 2.1.2. Lý thuyết biến áp, các loại IC ổn áp, chỉnh lưu, IC điều chỉnh điện áp 2.1.2.1. Biến áp 2.1.2.2. Các loại IC ổn áp 2.1.2.2.1. Họ 78XX 2.1.2.2.2. Họ 79XX 2.1.2.3. Chỉnh lưu 2.1.2.4. IC điều chỉnh điện áp dương LM317 2.1.3. Lọc các thành phần xoay chiều  Lọc bằng tụ điện 2.1.4. Ổn định điện áp 2.1.4.1. Nguyên tắc ổn áp có hồi tiếp  Một số đặc điểm của mạch ổn áp có hồi tiếp:  Nguyên tắc hoạt động của mạch: 2.1.4.2. Bộ ổn áp tuyến tính IC 2.2. THIẾT KẾ 2.2.1.Sơ đồ khối 2.2.2. Phương án thiết kế 2.2.2.1. Lựa chọn các thiết bị và linh kiện 2.2.2.1.1. Biến áp Tính toán thông số kỹ thuật: 2.2.2.1.2. Mạch chỉnh lưu Tính toán thông số kỹ thuật: 2.2.2.1.3. Bộ lọc nguồn 2.2.2.1.4. Khối ổn áp  Khối cố định điện áp Tính toán các thông số kỹ thuật:  Khối thay đổi điện áp Nguyên lý khối mạch ổn áp có điện áp thay đổi:   CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG THỰC TẾ   CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 4.1. Kết quả đạt được 4.2. Ưu khuyết điểm 4.3. Hướng phát triển của đề tài   TÀI LIỆU THAM KHẢO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH

KHOA KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ -o0o -

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

…

…

…

…

…

Trà Vinh, ngày… tháng… năm 2013

Giáo Viên Hướng Dẫn

( ký và ghi rõ họ tên)

NHẬN XÉT CỦA BỘ MÔN

…

…

…

…

…

Trà Vinh, ngày… tháng… năm 2013

BỘ MÔN

( ký và ghi rõ họ tên)

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay cùng với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, các thiết bị điện tửđang 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 nguồncung cấp là một trong những vấn đề quan trọng nhất quyết định đến sự làm việc ổnđịnh của hệ thống Hầu hết các thiết bị điện tử đều sử dụng các nguồn điện mộtchiều được ổn áp với độ chính xác và ổn định cao Hiện nay kỹ thuật chế tạo cácnguồn điện ổn áp cũng đang là một khía cạnh đang được nghiên cứu phát triển vớimục đích tạo ra các khối nguồn có công suất lớn, độ ổn định, chính xác cao, kíchthước 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 ổn áp một chiều, 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

LỜI CẢM ƠN

Khi bắt đầu chọn một đề tài để làm một bài báo cáo đồ án môn học hoànchỉnh đúng với yêu cầu của giáo viên bộ môn, cũng như đúng với yêu cầu về khuônmẫu chuẩn của một bài báo cáo đồ án môn học, em đã có một sự chuẩn bị rất chuđáo

Để có được một bài báo cáo đồ án không chỉ chuẩn, đẹp, đúng khuôn mẫu

mà nội dung của bài báo đồ án cũng như đề tài phải phù hợp, thực tế, rõ ràng, đángtin cậy Do đó em cần phải tham khảo nhiều nguồn tài liệu để hỗ trợ cho công việcthực hiện đồ án của em Vì thế em chân thành cảm ơn các tác giả của những trangweb điện tử và tác giả kỹ sư Ngyễn Đức Ánh đã cung cấp cho em những nguồn tàiliệu quan trọng để em hoàn thành bài báo cáo đồ án này

Khi đã có được khuôn mẫu của bài báo cáo đồ án và đã chọn được cho mìnhmột đề tài phù hợp em đã cố gắng hoàn thành bài báo đồ án này Nhưng khôngtránh khỏi những thiếu sót trong in ấn cũng như trong tuyển chọn linh kiện ở thịtrường hiện nay đã làm cho em gặp những khó khăn trong quá trình thực hiện đồ án

và tạo ra sản phẩm Mong thầy cô và các bạn thông cảm, thứ lỗi những gì còn chưavừa ý

Trong quá trình thực hiện đề tài em xin chân thành cảm ơn thầy giáo: LêThành Nam đã tận tình hướng dẫn giúp em hoàn thành đề tài này Do khả năngkiến thức bản thân còn hạn chế, đề tài chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếusót, em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn để đề tàiđược hoàn thiện hơn

Chân thành cảm ơn sự quan tâm và tham khảo của thầy cô và các bạn

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ , ĐỒ THỊ

NỘI DUNG

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề

Nguồn điện là thành phần không thể thiếu được trong các mạch điện tử vàđóng thành phần quan trọng ảnh hưởng tới hoạt động của mạch điện tử Do đómạch nguồn đòi hỏi có độ ổn định cao, đầu ra không thay đổi khi có sự thay đổiđầu vào, mạch nguồn phải sạch, không nhiễu Các giải điện áp thường sử dụngtrong các mạch nguồn cung cấp cho hệ thống điều khiển gồm các cấp điện áp :3V3, 5V, 6V, 9V, 12V, 15V,18V, 24V Tùy vào từng loại mạch điều khiển màngười ta sử dụng các cấp điện áp khác nhau

Vì thế trong bài báo cáo đồ án này em quyết định chọn đề tài: Mạch nguồn

ổn áp một chiều, có điện áp ra thay đổi (0-15V) 3A-DC để thực hiện, mạch này

tương đối đơn giản, dễ làm, được ứng dụng rất rộng rải, mặc khác mạch này sẽđược sử dụng xuyên suốt trong quá trình học tập sao này của em, đó là một mạchđiện không thể thiếu đối với một sinh viên học ngành điện tử truyền thông

1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên của đề tài là mạch điện (mạch nguồn) thực hiện nhiệm vụchuyển đổi từ dòng điện xoay chiều sang dòng điện một chiều ra các giá trị điện áptiêu chuẩn ổn định (ổn áp) và một giá trị dòng điện một chiều có thể thay đổi được

Để thực hiện được công việc trên, đối tượng cần phải quan tâm là những linh kiệnđiện tử nào sẽ thực hiện nhiệm vụ đó, quá trình thực hiện của chúng như thế nào vàthực hiện ra sao

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là các giá trị điện áp đầu ra là : +5V, +12V, 12V phải là điện áp một chiều, ổn định và chính xác; và một điện áp đầu ra mộtchiều có thể thay đổi được từ 0V cho đến tối đa +15V Linh kiện điện tử nào đóngvai trò chủ đạo thực hiện những nhiệm vụ đó, những linh kiện nào được hỗ trợ, vaitrò của chúng như thế nào và tất cả chúng sẽ làm việc ra sao

-Phạm vi nghiên cứu của đề tài này là toàn bộ những vấn đề được đặt ra mà

đề tài yêu cầu, chỉ tập trung vào những yêu cầu thiết yếu nhất mà đề tài yêu cầu,không nghiên cứu rộng hơn

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết: tìm kiếm và tra cứu các tài liệu có liên quan.

Nghiên cứu thực nghiệm: kiểm tra sản phẩm đã làm ra về các thông số kỹthuật đầu ra theo yêu cầu của đề tài

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học: nguồn điện là thành phần không thể thiếu được trong cácmạch điện tử và đóng thành phần quan trọng ảnh hưởng tới hoạt động của mạchđiện tử

Ý nghĩa thực tiễn: trong tất cả các thiết bị điện tử vấn đề nguồn cung cấp làmột trong những vấn đề quan trọng nhất quyết định đến sự làm việc ổn định của hệthống và sẽ được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong hầu hết trong các lĩnh vựckinh tế - xã hội cũng như trong đời sống cũng như trong học tập và nghiên cứu:

- Trong đời sống: mạch nguồn được sử dụng phổ biến trong các thiết bị điện

tử trong gia đình như: Tivi, đầu đĩa, amly, máy vi tính (laptop), loa vi tính,…

-Trong sản xuất: mạch nguồn được sử dụng trong các dây chuyền điều khiển

và tự động hóa như các mạch điều khiển thường sử dụng điện một chiều, các thiết

bị cảnh báo an toàn, thiết bị bảo vệ, thiết bị chống trộm,…

-Trong học tập và nghiên cứu: mạch nguồn được sử dụng thường xuyên và

dường như không thể thiếu được đối với một sinh viên học ngành điện tử truyềnthông và những người nghiên cứu về điện tử, nếu không có mạch nguồn thì cácmạch điện khác không thể hoạt động được, mạch nguồn là một phần quan trọng đểbảo vệ và giúp cho thiết bị điện tử hoạt động ổn định, tăng tuổi thọ…

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.1 Khái niệm về nguồn áp thấp một chiều

Nguồn một chiều có nhiệm vụ cung cấp nguồn điện một chiều cho các thiết

bị điện tử hoạt động Nguồn một chiều được lấy từ nguồn xoay chiều dân dụng, quabiến đổi hạ áp bằng biến áp, và xử lý qua mạch ổn áp và cố định đầu ra đến giá trịcần thiết

Yêu cầu của loại nguồn này là : Đầu ra phải ít phụ thuộc vào điện áp xoaychiều, các tác nhân khác như nhiệt độ, độ bất ổn dòng xoay chiều, để đạt được điều

đó thì người ta thường sử dụng biến áp để hạ áp nguồn xoay chiều 220V và sau đó

ổn định dòng điện cũng như đưa dòng về các mức một chiều cần thiết bằng hệthống mạch gồm các linh kiện ổn áp, chỉnh lưu, lọc, …

Sơ đồ khối :

Chức năng của các khối:

- Biến áp: để biến đổi dòng xoay chiều 220V thành dòng xoay chiều có điện

2.1.2 Lý thuyết biến áp, các loại IC ổn áp, chỉnh lưu, IC điều chỉnh điện áp 2.1.2.1 Biến áp

Biến áp có nhiệm vụ biến đổi dòng điện xoay chiều từ mạng điện dân dụngthành dòng xoay chiều có điện áp cần thiết đối với mạch chỉnh lưu

+3 : Vo - chân nguồn đầu ra

 Chú ý: điện áp đặt trước IC78xx phải lớn hơn điện áp cần ổn áp từ 2V đến 3V

2.1.2.2.2 Họ 79XX

Cũng như họ 78XX thì họ 79XX có hoạt động tương tự những điện áp đầu ra

là âm (-) trái ngược với họ 78XX Cũng có nhiều loại mức ổn áp đầu ra như dòng78XX : 7905, 7906

Ta thấy rằng trong từng nửa chu kỳ của điện áp thứ cấp , một cặp Diode cóAnôt dương nhất và Katốt âm nhất mở, cho dòng một chiều qua , cặp Diode còn lạikhóa và chịu một điện áp ngược cực đại bằng biên độ Ví dụ tương ứng với nửachu kỳ dương của , cặp Diode D1,ĐD mở, D2,D4 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 cânbằng đã xét trên, đây là ưu điểm quan trọng nhất của sơ đồ cầu Ngoài ra, kết cấuthứ cấp của biến áp nguồn đơn giản hơn.

Chỉnh lưu điện áp ra hai cực tính

2.1.2.4 IC điều chỉnh điện áp dương LM317

IC LM317 điều chỉnh điện áp dương, với :

+ADJ là chân điều khiển

+ Vo là điện áp đầu ra

+ Vi là điện áp đầu vào

- Đây được coi là một linh kiện chuyển đổi khá là tiện dụng Dùng để chuyểnđổi điện áp dương từ +1.25 đến +37V Và có khả năng cung cấp dòng quá 1.5A.

- Thông số của LM317:

+ Điện áp đầu vào Vi = 40V

+ Nhiệt độ vận hành t = 0°C - 125°C

+ Dòng điện điều chỉnh là từ : 5

+ Công suất tiêu thụ lớn nhất là 20W

+ Dòng điện đầu ra lớn nhất Imax = 1.5A

+ Đảm bảo thông số Vi - Vo ≥ 3V

Sơ đồ nguyên lý của IC LM317

Với sơ đồ trên ta có thể điêu chỉnh điện áp đầu ra bằng điện trở R1 và biếntrở R2 được nối như hình vẽ trên

Điện áp đầu ra được tính xấp xỉ bằng:

Vo = 1.25×(1 + R2

R1) Với công thức trên ta chỉ cho R1 là một giá trị nhất định Một điều quantrong là dòng điện qua chân điều chỉnh phải nhỏ hơn 100uA và sự kết nối giữađiện trở R1 và R2 coi như là một cầu phân áp khi đó điện áp giữa chân điều chỉnh

và chân đầu ra phải có một điện áp nhất định tức là ở gữa hai điện trở R1 và R2điện áp luôn bằng 1.25V (Hằng số này không đổi) Do vậy ta mới có công thứctrên

2.1.3 Lọc các thành phần xoay chiều

Trong các mạch chỉnh lưu trên, mặc dù đã chuyển từ dòng điện xoay chiềusang dòng một cực tính, nhưng giá trị của chúng lại thay đổi theo từng chu kỳ, theodạng gợn sóng

t V

Nhờ sự phóng nạp của tụ điện nên sẽ làm san bằng sự nhấp nhô của dòngđiện do mạch chỉnh lưu tạo ra.

Sơ đồ nguyên lý của tụ điện

Việc ổn định điện áp có nhiều hạn chế, nhất là đối với nguồn điện lưới cóđiện áp thay đổi nhiều Và phương pháp ổn áp bằng điện tử được sử dụng nhiều khiyêu cầu công suất tải ra không lớn

Các loại ổn áp thường dùng: Ổn áp kiểu tham số (dùng Diode Zener), ổn áp

bù tuyến tính (mạch ổn áp có hồi tiếp) và ổn áp xung

Trong phạm vi tìm hiểu của đề tài này ta xét đến mạch ổn áp bù tuyến tính

và một số IC ổn áp

2.1.4.1 Nguyên tắc ổn áp có hồi tiếp

Để nâng cao chất lượng ổn định, người ta dùng bộ ổn áp bù tuyến tính (là ổn

áp so sánh hoặc ổn áp có hồi tiếp) Nguyên tắc làm việc:

Sơ đồ ổn áp hồi tiếp

Trong sơ đồ này, điện áp ra được đưa về bộ so sánh để kiểm tra với nguồnchuẩn, và sẽ được thay đổi bằng phần tử điều khiển để cho ra điện áp chuẩn ở đầu

ra

Sơ đồ khối của mạch ổn áp có hồi tiếp

 Một số đặc điểm của mạch ổn áp có hồi tiếp:

Cung cấp điện áp một chiều ở đầu ra không đổi trong hai trường hợp điện ápđầu vào thay đổi hoặc dòng tiêu thụ của tải thay đổi, tuy nhiên sự thay đổi này phải

có giới hạn

Cho điện áp một chiều đầu ra có chất lượng cao, giảm thiểu được hiện tượnggợn xoay chiều

 Nguyên tắc hoạt động của mạch:

Mạch lấy mẫu sẽ theo dõi điện áp đầu ra thông qua một cầu phân áp tạo ra( Ulm : áp lấy mẫu)

Mạch tạo áp chuẩn => gim lấy một mức điện áp cố định (Uc : áp chuẩn )Mạch so sánh sẽ so sánh hai điện áp lấy mẫu Ulm và áp chuẩn Uc để tạothành điện áp điều khiển

Mạch khuếch đại sửa sai sẽ khuếch đại áp điều khiển, sau đó đưa về điềuchỉnh sự hoạt động của đèn công xuất theo hướng ngược lại, nếu điện áp ra tăng =>thông qua mạch hồi tiếp điều chỉnh => đèn công xuất dẫn giảm =>điện áp ra giảmxuống Ngược lại nếu điện áp ra giảm => thông qua mạch hồi tiếp điều chỉnh =>đèn công xuất lại dẫn tăng => và điện áp ra tăng lên =>> kết quả điện áp đầu rakhông thay đổi

Ở đây có nguồn điện thế 220V/AC và tầng số 50Hz nên ta dùng biến áp loại

có điện áp vào 220V, điện áp ra 24V – 3A và công suất cực đại của nguồn là 45W

Tính toán thông số kỹ thuật:

Biến áp nguồn

Với chỉ tiêu Ura max = 15 V, theo đặc tính kỹ thuật của LM317 thì điện ápvào IC cần thoả mãn 3V ≤ UIn - UOut ≤ 40V, do đó UIN= 12V, mặt khác phải cộngthêm một lượng điện áp rơi trên hai diode chỉnh lưu, do đó điện áp ra trên cuộn thứcấp là U2 = UIN + 2 × 0,7 = 13,4 V.

Xét khi điện áp lưới có giá trị nhỏ nhất U luoi min = 200 V, và với điện áp ra yêucầu trên cuộn thứ cấp là 13,4V ta có:

P2= 76

90 % = 84.4 WDòng điện chạy trên cuộn sơ cấp là:

I1= ¿ I2

21.1=

3 21.1=¿ 0.14 A

2.2.2.1.2 Mạch chỉnh lưu

Do những ưu điểm của Diode cầu là hiệu suất chỉnh lưu cao nên ta sẽ dùngDiode chỉnh lưu cầu

Mạch sử dụng IC LM317, với cách mắc thông thường điện áp ra chỉ nằmtrong khoảng 1,2V đến 35V.

- Phương pháp điều chỉnh Uout về mức điện áp 0V:

Để có thể điều chỉnh Uout về mức 0V ta sử dụng cách mắc mạch phối hợpnhư sau:

Sơ đồ nguyên lý chỉnh mức điện áp ra về mức 0V

Nguyên lý chỉnh Uout về mức 0V như sau:

Tính toán các thông số kỹ thuật:

Sơ đồ nguyên lý với các thông số kỹ thuật

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

C3 10μFF

C1 1μFF

R1 220Ω R2

10K

-10.6 ≤ R2

R1 ≤ 1.4-10.6R1 ≤ R2 ≤ 1.4R1Nếu chọn R1 = 220Ω thì ta có:

-2.33KΩ ≤ R2 ≤ 0.3 KΩNhư vậy ta có thể chọn một biến trở 5KΩ hoặc 10KΩ

2.2.2.1.5 Khối lọc điện áp ra

Để tăng độ ổn định cũng như để lọc các thành phần nhiễu của điện áp ra ta

sử dụng thêm một bộ lọc nguồn gồm một tụ điện C = 100μF ở mỗi ngõ ra +5V,+12V, -12V và một tụ điện C từ 1μF đến 10μF ở ngã ra của IC LM 317

Sơ đồ Layout của mạch nguồn

Sau đó ta tiến hành khoan chân linh kiện và lắp ráp linh kiện vào mạch in.Các linh kiện cần thiết của mạch nguồn:

- Máy biến thế 24V – 3A

- Tụ điện 2μF/25V: 1 linh kiện

- Tụ điện 0.1μF/25V: 1 linh kiện

- Điện trở 220Ω: 1 linh kiện

- Diode 1N4446: 1 linh kiện

- Điện trở 1KΩ: 6 linh kiện

- Đèn LED: 6 linh kiện

- Biến trở 10KΩ: 1 linh kiện

- Dây dẫn kết nối

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN 3.1 Kết quả đạt được

Sau một thời gian tìm hiểu, và được sự hướng dẫn của thầy giáo : Lê

Thành Nam, em đã hoàn thành đồ án thiế kế: “Mạch nguồn ổn áp một chiều,có điện áp ra thay đổi (0 – 15V) 3A- DC”, đã kiểm tra hoạt động và đạt được các

yêu cầu của đề tài

Qua đề tài này em đã được hiểu hơn và áp dụng được các kiến thức đã họcvào thực tế Hiểu được quá trình thiết kế chế tạo cũng như nguyên lý hoạt độngcủa các hệ mạch đơn giản Và từ đó giúp chúng em có thêm kiến thức để có thểthực hiện thiết kế các loại mạch có độ phức tạp hơn

3.2 Ưu khuyết điểm

Ưu điểm của mạch điện là: đơn giản, gọn nhẹ, dễ thiết kế, là mạch điện được sử dụng phổ biến và cần thiết trong quá trình học tập sau này

Khuyết điểm của mạch điện là: còn quá thô sơ chưa hiện đại, chi phí thiết

kế còn khá cao, đôi khi điện áp ngã ra không chính xác 100% giá trị thực

3.3 Hướng phát triển của đề tài

Nếu có thêm thời gian và thêm chi phí, em sẽ thiết kế mạch nguồn này cảitiến hơn theo quy cách tự động Sử dụng thêm IC điều khiển và các linh kiệnkhác để thực hiện nhiệm vụ cảm biến điện áp, chỉ cần ấn một nút duy nhất đểcho ra các giá trị điện áp khác nhau và sử dụng thêm màng hình LCD để hiển thịgiá trị điện áp đầu ra

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO