Tìm hiểu và thiết kế mạch tạo nguồn DC (3,7V; 5V; 12V; 24V)

Lời nói đầu Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và công nghệ, các thiết bị điện tử đang được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế xã hội cũng

Lời nói đầu

Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và công nghệ, các

thiết bị điện tử đang được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong hầu hết 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 nguồn

một chiều được ổn áp với độ chính xác và ổn định cao Hiện nay kỹ thuật chế tạo

các nguồn ổn áp cũng đang là một khía cạnh đang được nghiên cứu phát triển với

mục đích tạo ra các khối nguồn 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 một chiều ổn áp và

dựa vào kiến thức đã học cũng như tự tìm hiểu thêm, nhóm em xin trình bày đề

tài :”Tìm hiểu và thiết kế mạch tạo nguồn DC (3,7V; 5V; 12V; 24V)” Để qua

đó tìm hiểu kỹ hơn về nguyên lý hoạt động của các mạch nguồn đồng thời củng

cố thêm kỹ năng trong thiết kế các mạch điện tương tự

Trong quá trình thực hiện đồ án chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo

TS Nguyễn Hoàng Nam đã tận tình giúp chúng em hoàn thành đề tài này

Do khả năng kiến thức còn hạn chế, thực hiện đề tài chắc chắn sẽ không

tránh được những thiếu sót, nhóm em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến

của thầy cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn

Nhóm sinh viên thực hiện

Mục lục

Lời nói đầu 2

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU CHUNG 1.1 Khái niệm chung về nguồn một chiều 4

1.2 Biến áp nguồn và chỉnh lưu 4

1.2.1 Biến áp nguồn 4

1.2.2 Chỉnh lưu 5

1.3 Bộ lọc một chiều 6

1.4 Ổn định điện áp 8

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH NGUỒN DC (3,7V; 5V; 12V; 24V) 2.1 Tiêu chuẩn kỹ thuật của khối nguồn 9

2.2 Phương án thiết kế 9

2.2.1 Biến áp và chỉnh lưu 9

2.2.2 Lọc nguồn 9

2.2.3 Tạo điện áp 24V 10

2.2.4 Tạo điện áp 12V và 5V 10

2.2.5 Tạo điện áp 3,7V 11

2.2.6 Danh mục linh kiện 14

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN 3.1 Tổng hợp kết quả 15

TÀI LIỆU THAM KHẢO 16

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU CHUNG

1.1 Khái niệm chung về nguồn một chiều

Nguồn một chiều có nhiệm vụ cung cấp năng lượng một chiều cho 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 điện áp mạng, của tải và nhiệt độ Để đạt được yêu cầu đó cần phải dùng các mạch ổn định điện áp

Sơ đồ khối của một bộ nguồn hoàn chỉnh được biểu diễn như trên hình 1.1:

Hình 1.1: Sơ đồ khối một bộ nguồn ổn áp

Chức năng của các khối:

- Biến áp để biến đổi điện áp xoay chiều U1 thành điện áp xoay chiều U2có giá trị thích hợp với yêu cầu Trong một số trường hợp có thể không cần dùng biến áp

- Mạch chỉnh lưu có nhiệm vụ chuyển điện áp xoay chiều U2 thành điện áp một chiều UT (có giá trị thay đổi nhấp nhô) Sự thay đổi này tùy thuộc tưng dạng mạch chỉnh lưu

- Bộ lọc có nhiệm vụ san bằng điện áp một chiều đập mạch UT thành điện

áp một chiều U01 ít nhấp nhô hơn

- Bộ ổn áp một chiều có nhiệm vụ ổn định điện áp ở đầu ra của nó U02 khi

U01 thay đổi Trong trường hợp không có yêu cầu cao thì không cần bộ ổn áp một chiều

Tùy theo điều kiện cà yêu cầu cụ thể mà bộ chỉnh lưu có thể mắc theo những sơ đồ khác nhau và dùng các van chỉnh khác nhau

1.2 Biến áp nguồn và chỉnh lưu

1.2.1 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 nguồn và ngăn cách mạch chỉnh lưu với mạng điện xoay chiều về mạch một chiều

U1

02

1.2.2 Chỉnh lưu

Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành năng lượng dòng điện một chiều

Chỉnh lưu là thiết bị điện tử công suất được sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế Sơ đồ cấu trúc thường gặp của mạch chỉnh như hình 1.2:

Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu

Trong đó:

- BA: Biến áp Tùy vào yêu cầu mà có thể là tăng áp hay giảm áp

- MV: Mạch van Các van ván dẫn được mắc theo nguyên tắc để tiến hành quá trình chỉnh lưu

- LSB: Lọc san bằng

Trên hình 1.3 là một số mạch chỉnh lưu thường gặp trong thực tế:

Hình 1.3: Một số sơ đồ chỉnh lưu trong thực tế a) tia 1 pha, b) tia 1 pha có điểm giữa c) tia 3 pha, d) cầu 1 pha

e) cầu 3 pha, g) tia 6 pha

Bảng 1.1: Tham số chính của các mạch chỉnh lưu cơ bản

1.3 Bộ lọc một chiều

Trong các mạch chỉnh lưu ở trên điện áp ra tải mới có cực tính không đổi, nhưng giá trị của điện áp ra thay đổi theo chu kỳ, gọi là sự đập mạch (gợn sóng) của điện áp sau chỉnh lưu

Người ta định nghĩa hệ số đập mạch Kđm của điện áp

𝐾đ𝑚 =𝑏𝑖ê𝑛 độ 𝑠ó𝑛𝑔 ℎà𝑖 𝑙ớ𝑛 𝑛ℎấ𝑡 𝑐ủ𝑎 𝑢𝑡

𝑔𝑖á 𝑡𝑟ị 𝑡𝑟𝑢𝑛𝑔 𝑏ì𝑛ℎ 𝑐ủ𝑎 𝑢𝑡

Hình 1.4: Sơ đồ khối bộ lọc

Hiệu quả của khâu lọc được đánh giá qua hệ số san bằng:

𝐾𝑠𝑏 =𝐾đ𝑚𝑣

𝐾đ𝑚𝑟

Hệ số san bằng càng lớn thì điện áp ra càng ổn định, càng ít nhấp nhô, chất lượng bộ lọc càng tốt

Lọc

Một số bộ lọc thường gặp là lọc điện cảm L, lọc điện dung C, lọc LC và lọc hình π có sơ đồ như trên hình 1.5:

Hình 1.5: Các sơ đồ bộ lọc san phẳng cơ bản

a) lọc điện cảm, b) lọc LC c) lọc điện dung, d) lọc hình π (lọc CLC)

- Lọc điện cảm:

Giá trị điện cảm lọc cần để có hệ số Ksb cần thiết là:

𝐿 = 𝐾𝑠𝑏

𝑚đ𝑚𝜔1 ∙ 𝑅𝑡 [𝐻]

Lọc điện cảm phù hợp với tải công suất lớn, vì công suất càng lớn thì điện trở tải Rt càng nhỏ, sẽ càng dễ dàng thực hiện điều kiện lọc tốt nhất là XL>>Rt.

- Lọc điện dung:

Giá trị tụ điện được xác gần đúng theo công thức:

𝑚đ𝑚𝜔1𝑅𝑡𝐾đ𝑚𝑟 [𝐹]

Lọc điện dung khó thực hiện với tải công suất lớn, vì Rt càng nhỏ càng khó thực hiện điều khiện lọc tốt XC<<Rt do giá trị tụ C phải lớn Do đó lọc tụ chỉ dùng cho tải công suất nhỏ

- Lọc LC:

Đây thực chất là kết hợp của hai loại lọc trên, do vậy để lọc hiệu quả vẫn cần tuân theo nguyên tắc: XL>>Rt; XC<<Rt

Ta có:

𝐿 𝐶 = 𝐾𝑠𝑏 + 1

𝑚đ𝑚2 𝜔12

- Lọc hình π (lọc CLC):

Đây là bộ lọc gồm 2 mắt lọc, lọc C và lọc LC mắc nối tiếp nhau.Hệ số san bằng của bộ lọc bằng tích hệ số san bằng của từng mắt lọc

𝐾𝑠𝑏 = 𝐾𝑠𝑏𝐶 𝐾𝑠𝑏𝐿𝐶 Lọc CLC ứng dụng khi cần có Ksb>50

1.4 Ổn định điện áp

Có một số phương pháp ổn định điện áp một chiều sau:

- Sử dụng đi-ốt Zenner

- Sử dụng IC ổn áp cố định: 78xx, 79xx

Với IC 78xx, điện áp ra cố định là dương xx

Với IC 79xx, điện áp ra cố định là âm xx

- Sử dụng IC ổn áp thay đổi được (mắc điện trở ngoài để thay đổi giá trị điện áp ra): LM317,…

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH NGUỒN DC

(3,7V; 5V; 12V; 24V)

2.1 Tiêu chuẩn kỹ thuật của khối nguồn

Các tiêu chuẩn kỹ thuật của khối nguồn:

- Điện áp vào: 220Vac – 50Hz

- Điện áp ra: 4 mức 3,7Vdc ; 5Vdc ; 12Vdc ; 24Vdc

- Dòng điện ra: 2A

2.2 Phương án thiết kế

Dựa trên các yêu cầu kỹ thuật trên ta lựa chọn phương án thiết kế cho từng khối của bộ nguồn:

2.2.1 Biến áp và chỉnh lưu

Đầu vào là lưới điện xoay chiều dân dụng (220V – 50Hz) nên sử dụng biến

áp 220-24V, với dòng 3A

Sử dụng mạch chỉnh lưu cầu, vì chỉnh lưu cầu có hệ số Ku lớn và có độ đập mạch nhỏ

2.2.2 Lọc nguồn

Bộ lọc có nhiệm vụ san bằng điện áp một chiều đập mạch UT thu được sau khối chỉnh lưu thành điện áp 1 chiều U01 ít nhấp nhô hơn

Vì mạch nguồn này là mạch công suất nhỏ nên sử dụng phương pháp lọc điện dung C (với C=4700 μF)

Hình 2.1: Sơ đồ khối biến áp nguồn, chỉnh lưu cầu và lọc

BR1

KBU4A

C5

4700u

V1

VSINE

VA=220

FREQ=50Hz

TR1

TRAN-2P2S

2.2.3 Tạo điện áp 24V

Sơ đồ mạch ổn áp 24V được biểu diễn trên hình vẽ 2.2

Hình 2.2: Sử dụng IC7824 tạo điện áp ổn định 24V

Điện áp ra sau mạch cầu chỉnh lưu và lọc nguồn có dạng nhấp nhô không

ổn định, ta sử dụng IC ổn áp 7824 để ổn định điện áp ở giá trị 24V

Tụ điện C6 để lọc điện áp trước khi vào 7824, tụ điện C7 để lọc điện áp sau khi qua 7824 Dòng vào không ổn định nên cần tụ có giá trị lớn C6 = 470 μF, dòng qua 7824 đã ổn định nên không cần tụ giá trị lớn C7=10 μF

Vì IC7824 chỉ có thể cấp dòng ra đạt giá trị 1A (theo lý thuyết, thực tế thấp hơn nữa) nên phải khuếch đại dòng ra Ở đây dùng transistor TIP42 để khuếch đại dòng điện ra

Giá trị điện trở R6 quyết định dòng đi qua 7824 Dòng IB của transistor không đáng kể nên dòng qua 7824 xấp xỉ dòng qua R6 Hiệu điện thế hai đầu điện trở R6 chính là hiệu điện thế UEB giữa hai chân transistor, UEB ≈ 0,7V

Sử dụng transistor để dẫn dòng, và 7824 để ổn định điện áp ra vì vậy không cần dòng lớn đi qua 7824 Chọn dòng qua 7824 khoảng 0,3A, từ đó xác định giá trị điện trở R6:

𝑅6 = 𝑈𝐸𝐵

𝐼7824 =

0,7 0,3= 2,33 Ω Chọn giá trị điện trở R6=2,2Ω, xác định lại được dòng qua 7824

𝐼7824 =𝑈𝐸𝐵

𝑅6 =

0,7 2,2= 0,32 𝐴

2.2.4 Tạo điện áp 12V và 5V

Với điện áp 12V và 5V ta cũng sử dụng phương pháp tương tự như tạo điện

áp 24V, sơ đồ mạch được biểu diễn trên hình 2.3

VI 1

U4

7824

C6

470u

C7

10u

Q3

TIP42

R6

2R2

Hình 2.3: Mạch tạo điện áp ổn định 12V và 5V

Ở đây, tụ điện C1 và C3 lọc điện áp trước khi vào IC, tụ điện C2 và C4 lọc điện áp sau khi qua IC Transistor TIP42 để khuếch đại dòng điện Giá trị điện trở R1 và R2 quyết định dòng qua IC ổn áp

C1=C3=470 μF, C2=C4=10 μF, R1=R2=2,2Ω

2.2.5 Tạo điện áp 3,7V

Theo yêu cầu thiết kế mạch ổn áp có điện áp ra là 3,7V, ta sử dụng IC ổn áp LM317 Bằng cách điều chỉnh điện trở phụ mắc bên ngoài ta có thể dễ dàng tạo điện áp ra trong một khoảng mong muốn cho phép

LM317 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 khá đơn giản (chỉ cần thêm 2 điện trở bên ngoài để đặt điện áp ra) LM317 là linh kiện ổn

áp bù nối tiếp cho điện áp ra ổn định hơn so với các loại IC ổn áp cố định khác Ngoài việc có hiệu suất cao hơn IC ổn áp cố định, loại IC này còn tích hợp khả năng hạn dòng khi ngắn mạch, bảo vệ quá tải, quá nhiệt,…

Ký hiệu và hình dạng IC LM317 như hình vẽ 2.4:

Hình 2.4: IC LM317

Một số đặc điểm kỹ thuật cơ bản của LM317:

- 1,2V≤ Uout ≤ 35V

- Ioutmax=1,5A

VI 1

U1 7812

VI 1

U2 7805

Q1

TIP42

Q2 TIP42

C1 470u

C2 10u

R1

2R2

R2 2R2

C3 470u

C4 10u

- 3V≤ Uin-Uout≤40V

- Iadj=50÷100uA

- 10mA≤Iout≤Imax

- Tvh=0÷125 oC

LM317 có cấu tạo 3 chân như hình vẽ, 2 chân ngoài là Uin và Uout còn chân

ở giữa là chân ADJ Ngoài ra muốn điều chỉnh điện áp ra ta mắc nối thêm các điện trở theo hình 2.5

Hình 2.5:Mạch tạo điện áp ổn định 3,7V

Điện áp ra được tính theo công thức

𝑈𝑟𝑎 = 1,25 × 1 +𝑅4 + 𝑅5

𝑅3 + 𝐼𝑎𝑑𝑗 × 𝑅4 + 𝑅5 Nhưng do Iadj rất nhỏ (khoảng 50÷100uA) nên có thể tính gần đúng

𝑈𝑟𝑎 = 1,25 × 1 +𝑅4 + 𝑅5

𝑅3 Chọn giá trị điện trở R3=220Ω, R4=330Ω, R5=100Ω ta thu được giá trị Ura

𝑈𝑟𝑎 = 1,25 × 1 +330 + 100

220 = 3,69 𝑉 Tổng hợp lại ta thu được toàn bộ sơ đồ mạch theo hình 2.6

VI

U3

LM317EMP

R3

220R

R4

330R

R5

100R

GND 2

GND 2

ADJ 1

GND 2

2.2.6 Danh mục linh kiện

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN

3.1 Tổng hợp kết quả

Tổng hợp kết quả tính toán lý thuyết, mạch mô phỏng và mạch thực tế ta

thu được bảng 3.1

Lý thuyết Mạch mô phỏng Mạch thực tế

Bảng 3.1: Tổng hợp kết quả

Sau một thời gian tìm hiểu và thiết kế, nhóm em đã hoàn thành đồ án: ”Tìm

hiểu và thiết kế mạch tạo nguồn DC (3,7V; 5V; 12V; 24V)” Kết quả đã lắp

được mạch điện, kết quả thu được xấp xỉ với điện áp yêu cầu của thiết kế

Qua đề tài này đã giúp nhóm em có thể áp dụng 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

chúng em có thêm kinh nghiệm để thiết kế các mạch điện mới có độ phức tạp

hơn

Cuối cùng nhóm em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Nguyễn Hoàng

Nam đã tận tình giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án này

Nhóm sinh viên thực hiện

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh Điện tử công suất NXB Khoa học và kỹ thuật, 2007

2 Nguyễn Trinh Đường, Lê Hải Sâm, Lương Ngọc Hải, Nguyễn Quốc Cường Điện tử tương tự NXB Giáo dục, 2008

3 Đỗ Xuân Thụ Kỹ thuật điện tử NXB Giáo dục, 2005

4 Diễn đàn hội quán điện tử: http://hoiquandientu.com/

5 Diễn đàn điện tử Việt Nam: http://www.dientuvietnam.net/forums/forum.php

6 Diễn đàn: http://vozforums.com/