Thiết kế mạch nguồn một chiều ổn áp có điện áp ra thay đổi (0 5V) 3A

Nguồn một chiều có nhiệm vụ cung cấp năng lượng một chiều cho các mạch và các thiết bị điện tử hoạt động

Mở đầu

Phần I: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN MỘT CHIỀU

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 5V) 3AV) 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

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

Từ tầm quan trọng trong ứng dụng thực tế của nguồn điện một chiều ổn

áp và củng cố lại những kiến thức được học và áp dụng thực hành trong thực

tế, nên em đã chọn đề tài: “Thiết kế mạch nguồn một chiều ổn áp có điện áp

ra thay đổi (0 5V) 3A” V) 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:Ths Ngô Hoàng Tùng đã 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 để đề tài được hoàn thiện hơn

PHẦN I:

TỔNG QUAN VỀ NGUỒN MỘT CHIỀU

I KHÁI NIỆM CHUNG VỀ NGUỒN MỘT CHIỀU

Nguồn một chiều có nhiệm vụ cung cấp năng lượng một chiều cho cácmạch và các thiết bị điện tử hoạt động Năng lượng một chiều của nó tổngquát được lấy từ nguồn xoay chiều của lưới điện thông qua một quá trình biếnđổi được thực hiện trong nguồn một chiều

Yêu cầu đối với loại nguồn này là điện áp ra ít phụ thuộc vào điện ápmạng, của tại và nhiệt độ Để đạt được yêu cầu đó cần phải dùng các mạch ổnđịnh (ổn áp, ổn dòng) Các mạch cấp nguồn cổ điển thường dùng biến áp, nênkích thước và trọng lượng của nó khá lớn Ngày nay người ta có xu hướngdùng các mạch cấp nguồn không có biến áp

Sơ đồ khối của một bộ nguồn hoàn chỉnh được biểu diễn như sau:

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

- Mạch chỉnh lưu có nhiệm vụ chuyển điện áp xoay chiều U2 thànhđiện áp một chiều không bằng phẳng UT (có giá trị thay đổi nhấp nhô)

Bi n áp ến áp M ch ạch

ch nh l u ỉnh lưu ưu B l cộ lọc ọc ổn áp một n áp m t chi u ều ộ lọc

I T

R T

- Bộ lọc có nhiệm vụ san bằng điện áp một chiều dập mạch UT thànhđiện áp một chiều UO1 ít nhấp nhô hơn.

- Bộ ổn áp một chiều có nhiệm vụ ổn định điện áp ở đầu ra của nó UO2

khi UO1 thay đổi theo sự mất ổn định của UO2

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 tuyếnVolt - Ampe không đối xứng sao cho dòng điện đi qua nó chỉ đi qua nó chỉ điqua một chiều Người ta thường dùng chỉnh lưu Silic, để có công suất nhỏhoặc 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 đểchỉnh lưu

Các sơ đồ chỉnh lưu thường gặp là chỉnh lưu nửa chu kỳ, sơ đồ chỉnhlưu hai nửa chu kỳ, sơ đồ chỉnh lưu cầu mà trong đó sơ đồ chỉnh lưu cầu cónhiều ưu điểm hơn cả

Mạch chỉnh lưu phải có hiệu suất (tỷ số giữa công suất ra và công suấthữu ích ở đầu vào) cao, ít phụ thuộc vào tải và độ gợn sóng của điện áp ranhỏ.

Mạc 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 diode 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: Uˆr Uˆ2 2U n nghĩa là nhỏ hơn chút ít so với điện áp ra trong sơ đồcân bằng, vì ở đây luôn luôn có hai điốt mắc nối tiếp

Ví dụ tương ứng với nửa chu kỳ dương của U2, cặp diode Đ1Đ3 mở, Đ2Đ4

khóa Rõ ràng điện áp ngược đặt lên van lúc khóa có giá trị bằng một nửa sovới trường hợp sơ đồ chỉnh lưu cân bằng đã xét trên, đây là ưu điểm quantrọng nhất của sơ đồ cầu Ngoài ra, kết cấu thứ cấp của biến áp nguồn đơngiản hơn

Trong sơ đồ 1.3, nếu nối đất điểm giữa biến áp và mắc thêm tải ta cómạch chỉnh lưu có điện áp ra hai cực tính Đây thực chất là hai mạch chỉnhlưu cân bằng

Ct R

+Ur Uv

Ct R

-Ur

Hình 1.4: 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 cócực tính không đổi, nhưng các giá trị của chúng thay đổi theo thời gian mộtcách chu kỳ, gọi là sự đập mạch (gợn sóng) của điện áp hay dòng điện sauchỉnh lưu

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

n n n

cos sin

n n n

tổng các sóng hài xoay chiều có giá trị, pha và tần số khác nhau phụ thuộc vàloại mạch chỉnh lưu Vấn đề đặt ra là phải lọc các thành phần sóng hài này đểcho i t 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 I0 tănggấp 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 lưuhai 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 = 1,5V) 3A8, khichỉnh lưu hai nửa chu kì KP = 0,667

1 Lọc bằng tụ điện

Trường hợp này đã được nêu ra trong trường hợp tải điện dung củamạch chỉnh lưu Nhờ có tụ nối song song với tải, điện áp ra tải ít nhấp nhôhơn

Cuộn cảm L được mắc nối tiếp với tải Rt nên khi dòng điện it ra tải biếnthiên 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 I0 và một lượng nhỏ sónghài Đó chính là tác dụng lọc của cuộn L

Hệ số đập mạch của bộ lọc dùng cuộn L là:

L

R

K t P

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 đểlọc, do đó các sóng hài càng giảm nhỏ và dòng điện ra tải (hay điện áp trêntải) càng ít nhấp nhô Để tăng tác dụng lọc có thể mắc nối tiếp 2 hay 3 mắt lọchình  với nhau Khi đó dòng điện và điện áp ra tải gần như bằng phẳnghoàn toàn

Rt Ur

L

C

Hình 1.7: Lọc hình L ngược

Rt Ur

L

Hình 1.8: Lọc hình Trong một số trường hợp để tiết kiệm và giảm kích thước, trọng lượngcủa bộ lọc ta có thể thay cuộn cảm L bằng R trong mắt lọc hình L ngược hayhình  Lúc đó R gây sụt áp cả thành phần một chiều trên nó dẫn tới hiệusuất và chất lượng của bộ lọc thấp hơn dùng cuộn L Thường người ta chọngiá trị R sụt áp một chiều trên nó bằng (10 - 20)%U0 khoảng vài  đến vài

(a) (b) Hình 1.9: Các bộ lọc cộng hưởng

Hình 1.10.b biểu diễn bộ lọc cộng hưởng dùng mạch cộng hưởng nốitiếp 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 bằnghay 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 ỏp (gọi tắt là ổn ỏp) một chiều ra tải khi điện ỏp

và tần số điện lưới thay đổi, khi tải biến đổi (nhất là đối với bỏn dẫn) rấtthường gặp trong thực tế Điện trở ra của bộ nguồn cung cấp yờu cầu nhỏ, đểhạn chế sự ghộp ký sinh giữa cỏc tầng, giữa cỏc thiết bị cựng chung nguồnchỉnh lưu

Việc ổn định điện ỏp xoay chiều cú nhiều hạn chế nhất là khi điện ỏplưới thay đổi nhiều Dựng bộ ổn ỏp một chiều bằng phương phỏp điện tửđược sử dụng phổ biến hơn đặc biệt khi cụng suất ra tải yờu cầu khụng lớn vàtải tiờu thụ trực tiếp điện ỏp một chiều

Cỏc dạng bộ ổn ỏp trờn thực tế được chia làm ba loại chớnh: ổn ỏp kiểu tham

số (ổn ỏp dựng diode Zener), ổn ỏp kiểu bự tuyến tớnh (mạch ổn ỏp cú hồi tiếp) và ổn ỏp xung

Trong phạm vi của đồ ỏn này chỳng ta chỉ xột đến mạch ổn ỏp cú hồitiếp với nguyờn tắc thực hiện cỏc sơ đồ ổn ỏp cú hồi tiếp, phõn loại và một sốloại IC ổn ỏp tuyến tớnh

1 Nguyờn tắc mạch ổn ỏp cú hồi tiếp

Để nõng cao chất lượng ổn định, người ta dựng bộ ổn ỏp kiểu bự tuyến tớnh (cũn gọi là ổn ỏp so sỏnh hoặc ổn ỏp cú hồi tiếp) Nguyờn tắc làm việc của cỏc

sơ đồ ổn định cú hồi tiếp được biểu diễn như sau

Hỡnh 1.10: Sơ đồ khối minh họa nguyờn tắc làm việc của cỏc

mạch ổn định cú hồi tiếp

Trong mạch này, một phần điện ỏp (dũng điện) ra được đưa về so sỏnh với một giỏ trị chuẩn Kết quả so sỏnh được khuếch đại lờn và đưa đến phần

PHẦN TỬ ĐIỀU KHIỂN

BỘ KHUẾCH ĐẠI

BỘ SO SÁNH NGUỒN

CHUẨN

(Điện ỏp một chiều chưa ổn định)

định)

U’r

Ur

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

Tùy theo phương pháp cấu trúc, các sơ đồ ổn định có hồi tiếp đượcchia 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 1.12.a, nguyên lýlàm việc của loại sơ đồ này như sau: Phần tử điều chỉnh D điều tiết dòng điệntrong giới hạn cần thiết qua đó điều chỉnh giảm áp trên điện trở Rd theo xuhướng bù lại: U2 = U1 - URd , do đó điện áp ra tải được giữ không đổi Bộ tạođiện áp chuẩn đưa Ech vào so sánh với điện áp ra U2 ở bộ so sánh và độ sailệch giữa chúng được khuếch đại nhờ khối khuếch đại Y Điện áp ra của Y sẽkhống 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

r

R

RtĐiện áp

đưa về bộ

so sánh

Điện áp đưa về bộ

so sánh

Hình 1.12: a Sơ đồ khối bộ ổn áp mắc song song

b Sơ đồ khối bộ ổn áp mắc nối tiếp

Hình 1.12.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 cũnggần 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 củađiện 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 sẽtác động vào phần tử điều chỉnh D làm cho điện trở của nó biến đổi theochiều 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 vềnăng lượng trong bộ ổn áp và làm cho hiệu suất của bộ ổn áp không vượt quáđược 60%

Trong sơ đồ mắc song song, công suất tổn hao chủ yếu xác định bằngcông suất tổn hao trên Rd và trên phần tử điều chỉnh D là:

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 nóngắn mạch đầu ra Sơ đồ nối tiếp yêu cầu phải có thiết bị bảo vệ vì khi quátải, dòng qua phần tử điều chỉnh và qua bộ chỉnh lưu sẽ quá lớn gây nên hỏngphần 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 baogồm các phần tử chính là bộ tạo điện áp chuẩn, bộ khuếch đại tín hiệu sailệch, transistor điều chỉnh, bộ hạn dòng

Các IC ổn áp thường đảm bảo dòng ra khoảng từ 100mA đến 1,5V) 3AAđiện áp tới 5V) 3A0V, công suất tiêu tán khoảng 5V) 3A00 - 800 mW Hiện nay người tacũng chế tạo các IC ổn áp cho dòng tới 10A Các loại IC ổn áp điển hìnhthường dùng là : serial 78xx hay 79xx, LM 105V) 3A, 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 địnhđiện áp, khả năng điều chỉnh điện áp ra, dải nhiệt độ làm việc, nguồn cungcấp, độ ổn định theo thời gian.v.v mà người ta chế tạo ra nhiều loại khácnhau

PHẦN II

THIẾT KẾ NGUỒN MỘT CHIỀU ỔN ÁP CÓ ĐIỆN

ÁP RA THAY ĐỔI TỪ 0 -5V

I SƠ ĐỒ KHỐI CỦA KHỐI NGUỒN

Hình 2.1: Sơ đồ khối của một bộ nguồn hoàn chỉnh

Các tiêu chuẩn kỹ thuật của khối nguồn:

- Điện áp vào 220VAV - 5V) 3A0Hz

- Điện áp ra 0 -5V) 3AVDC

- Dòng điện ra tải 3A

II LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁP THIẾT KẾ

Dựa vào các tiêu chuẩn kỹ thuật của khối nguồn như trên ta lựa chọnphương 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 5V) 3A0Hz) và công suất cực đại của nguồn là 5V) 3AW (5V) 3AVDC - 3A) nên ta sử dụng mộtbiến áp có điện áp vào 220V và điện áp ra 24V, dòng ra 3A

-2 Mạch chỉnh lưu

Do những ưu điểm của mạch chỉnh lưu cầu như điện áp ra ít nhấpnháy, điện áp ngược mà điôt phải chịu nhỏ hơn so với phương pháp cân bằngnên ta sẽ chọn bộ chỉnh lưu cầu

Bộ lọc có nhiệm vụ san bằng điện áp một chiều dập mạch UT thu đượcsau 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 đơngiản cũng như chất lượng lọc khá cao nên ở đây ta sẽ sử dụng phương pháplọc 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 5V) 3AVnên ta sử dụng một IC ổn áp thông dụng là LM7805V) 3A Do LM7805V) 3A chỉ chođiện áp vào trong dải 7V - 20V (với cách mắc thông thường) và điện áp ra4.75V) 3AV-5V) 3A.25V) 3AV dòng ra 5V) 3A.0mA-1.0A

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

 Tổng quát về IC LM7805

LM 7805V) 3A 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

Hình 2.2: IC ổn áp LM7805

Một số đặc điểm thông số kỹ thuật cơ bản của LM 7805V) 3A như sau:

 4.75V) 3AV ≤ UOUT ≤ 5V) 3A.25V) 3AV

 IOUT MAX = 1A

 7V ≤ UIN ≤ 20V

 5V) 3A.0 mA ≤ IOUT ≤ IMAX

Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của LM7805V) 3A được trình bày như sau:

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý IC LM317

Mạch sử dụng IC LM7805V) 3A, với cách mắc thông thường (như hình 2.4)điện áp ra chỉ nằm trong khoảng 4.75V) 3AV đến 5V) 3A.25V) 3AV

Hình 2.4: Sơ đồ ổn áp dùng LM317

Điện áp ra có thể điều chỉnh được nhờ biến trởthay đổi từ 0V-5V) 3AV