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

Trang 1

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

II 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 THONG SO KY THUAT VA LAP RAP MẠCH THỰC TẾ

I Tính toán thông số cho từng khối mạch

II Lắp ráp mạch thực tế

Kết luận

Tài liệu tham khảo

Trang 2

Trương Văn Quyết -

2 an

Mo dau

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 dé tài em xin chân thành cảm On thay 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

Thiết kế mạch nguôn DC ổn áp có điện áp ra thay đổi 0-15v, 3A 2

Trang 3

PHAN I:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

I KHAI NIEM CHUNG VE NGUON MOT CHIEU

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:

Trang 4

- Biến áp để biến đổi điện áp xoay chiều U; thành điện áp xoay chiều U; có giá trị thích hợp với yêu cầu Trong một số trường hợp có thể dùng trực tiếp U; mà không cần biến áp

- Mạch chỉnh lưu có nhiệm vụ chuyển điện áp xoay chiều U; thành

điện áp một chiều không bằng phẳng U; (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 mach Uy thành điện áp một chiều Uo it nhấp nhô hơn

- Bộ ổn áp một chiều (ổn dòng) có nhiệm vụ ổn định điện áp (dòng điện) ở đầu ra của nó Uo› (I:) khi Uo; thay đổi theo sự mất ổn định của Uo:

hay I; 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:

Trang 5

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 di 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

Trang 6

Trong đó U› là điện áp ngưỡng của diode, U; điện áp trên cuỘn thứ cấp của biến áp

Điện áp ngược đặt lên diode (trong trường hợp C# 0): U,y = v2 Unna-

chỉ bằng một nửa điện áp ngược đặt lên trong sơ đồ cân bằng Điện áp ra

cực đại khi không tải: Ú, =Ú, -2U,„ 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

Trang 7

Ta thấy rằng trong từng nửa chu kỳ của điện áp thứ cấp U;,, một cặp điốt có anôt dương nhất và katốt âm nhất mở, cho dòng một chiều qua R,, cặp điốt còn lại khóa và chịu một điện áp ngược cực đại bằng biên d6 U,,,

Ví dụ tương ứng với nửa chu kỳ dương của U;, cặp điốt Ð,Ð; mở, Đ;Ð„

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

Một cách tổng quát khi tải thuần trở, dòng điện tổng hợp ra tải là:

i,=1,+) A,sinnat+ YB, cosnat

na n=l

Trang 8

Trong đó I, là thành phần một chiều và }A,sinnex+Ÿ`B, cosnœx 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 nay dé 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 1, 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 K; của bộ lọc:

_ _ Biên đỘ sóng hài lớn nhất của ¡, (hay

" Giá trị trung bình của ¡, (hay u)

K; càng nhỏ thì chất lượng của bộ lọc càng cao

Người ta đã tính toán rằng khi chỉnh lưu nửa chu kỳ K; = 1,58, khi chỉnh lưu hai nửa chu kì K; = 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

Cc Rt Ur

Hinh 1.6: Loc bang tu dién

Do sự phóng và nạp tụ qua các 1/2 chu kỳ và do các sóng hài được rễ qua mạch C xuống điểm chung, dòng điện ra tải chỉ còn thành phần một

Trang 9

Hệ số đập mạch của bộ lọc dùng cuộn L là: K,= 3

Nghĩa là tac dung loc cUa cuén L cang tang khi R, cang nhé (tai tiéu 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 77

Trang 10

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 Z với nhau Khi đó dòng điện và điện áp ra tải gần như bằng

vai Q dén vai kQ

4 Bộ lọc cộng hưởng

Hình 1.10.a biểu diễn bộ lọc cộng hưởng dùng mạch cộng hưởng song song LụC, mắc nối tiếp với tải R, nhờ vậy sẽ chặn sóng hài có tần số bằng tần số cộng hưởng của nó Ngoài ra tụ C¡ còn có tác dụng lọc thêm

Trang 11

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

Trang 12

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

Dé 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

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

Trang 13

Có thể thấy rằng, tất cả các nguồn áp (R; <<) và nguồn dòng (R; >>) 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

Ra theo xu hƯớng bù lại: U; = U¡ - Ura, do đó điện áp ra tải được giữ không đổi BỘ tạo điện áp chuẩn đưa E4, vào so sánh với điện áp ra U2 6 bd 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 +I„„ sẽ gây nên sự biến đổi tương ứng dòng điện qua phần tử điều chỉnh tỪ I„„ +0

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

Trang 14

do nguyên nhân nào đó làm cho U; 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 U« trên hai cực của D bù lại sự biến đổi của U¡ Khi đó ta có U; = U; - Uạ do có sự biến đổi cùng chiều giữa U¡ và Ưa.,, U; 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 Ra và trên phần tử điều chỉnh D là:

P, =(U, -U,)(1, +15) +U,1,

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

Trang 15

Trang 16

- 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 (15Voc - 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

a Nguyên lý khối mạch ổn áp có điện áp thay đổi

Tiêu đề	Đồ Án - Thiết Kế Mạch Nguồn Một Chiều Ổn Áp Có Điện Áp Ra Thay Đổi (0 ¸ 15V) 3A
Trường học	University of Technology
Chuyên ngành	Electrical Engineering
Thể loại	Đồ án

Định dạng
Số trang	32
Dung lượng	5,24 MB