THIẾT KẾ BỘ NGUỒN ỔN ÁP TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH

Như ta đã biết mạch điện tử muốn làm việc được cần phải có nguồn 1 chiều cung cấp cho nó, nguồn 1 chiều có thể được lấy từ Pin, Acquy hay có thể được lấy từ điện lưới sau khi đã đi qua 1 bộ biến đổi phù hợp để lấy ra được mức điện áp 1 chiều mong muốn.

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ NGUỒN ỔN ÁP TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH

LỜI GIỚI THIỆU

**********

Như ta đã biết mạch điện tử muốn làm việc được cần phải có nguồn 1 chiều cung cấp cho nó, nguồn 1 chiều có thể được lấy từ Pin, Acquy hay có thể được lấy từ điện lưới sau khi đã đi qua 1 bộ biến đổi phù hợp để lấy ra được mức điện

áp 1 chiều mong muốn Tuỳ thuộc vào yêu cầu của mạch điện tử mà ta có các bộ biến đổi khác nhau, các yêu cầu này có thể là cần độ lớn điện áp ra với 1 độ gợn sóng nào đó hay mức độ ổn định của mức điện áp ra Trong bản thiết kế này ta

sẽ nghiên cứu mạch ổn áp tự động điều chỉnh để giữ giá trị của điện áp luôn ổn định và phải đảm bảo 1 vài chỉ tiêu kĩ thuật Để có thể thực hiện được điều này yêu cầu chúng ta phải nắm được và thực hiện đầy đủ các bước sau: Phân tích đề bài; phương án thiết kế; tính toán thiết kế; thử lại, kiểm tra kết quả; phương án thi công Sau khi hoàn thành bài thiết kế này em nhận thấy rằng giữa lí thuyết và thực hành có mối liên hệ rất chặt chẽ Những kết quả đo đạc được ở trên mạch thực tế có sự sai khác nhỏ không đáng kể so với lí thuyết Sở dĩ như vậy là do việc lựa chọn linh kiện trên thị trường bị giới hạn (trên thị trường chỉ có các linh kiện đã được quy chuẩn bởi nhà sản xuất) nên nhiều linh kiện chỉ được lắp với những giá trị xấp xỉ, mặt khác là do kĩ năng lắp ráp của chúng em còn nhiều hạn chế Để có thể hoàn thành được bản thiết kế này em đã tham khảo 1 vài tài liệu như giáo trình kĩ thuật mạch điện tử 1, 2, 3, giáo trình truyền hình, giáo trình về máy biến áp, sử dụng một số phần mềm trợ giúp như: Electronic WorkBench, Orcad và đặc biệt là được sự hướng dẫn tận tình của thày giáo Phạm Minh Việt

ÄU / U5%

P ra1W

Đề bài yêu cầu thiết kế 1 nguồn ổn áp, nguồn này phải có khả năng tự điều chỉnh khi có sự thay đổi điện áp đầu vào hay khi có sự thay đổi của dòng điện chảy qua tải, ví dụ như khi điện áp tại đầu ra tăng thì bộ nguồn phải tự động điều chỉnh giảm điện áp đầu ra một lượng nào đấy đúng bằng độ tăng điện áp, hoặc ngược lại khi điện áp tại đầu ra giảm thì tự động điều chỉnh điện áp đầu ra tăng lên Việc tự động điều chỉnh này có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp như dùng ổn áp thông số, ổn áp so sánh, hay ổn áp xung Tuy nhiên, theo yêu cầu của đề bài: Điện áp vào là 220V nên ta không cần phải sử dụng ổn áp xung (ổn

áp xung được sử dụng khi cần có dải biến thiên điện áp đầu vào lớn) và do ổn áp thông số chỉ cho phép sự biến thiên dòng tải nhỏ nên người ta hay sử dụng phương pháp này tạo điện áp chuẩn để so sánh với điện áp lấy mẫu trong ổn áp

so sánh Vì vậy, để đáp ứng được những chỉ tiêu trên thì sử dụng ổn áp so sánh

là thích hợp nhất

ổn áp

n2: là số vòng dây của cuộn thứ cấp.

U1: Điện áp xoay chiều đặt ở đầu vào cuộn sơ cấp

U2 : Điện áp xoay chiều ở đầu ra của cuộn thứ cấp

Nguyên tắc làm việc của biến áp như sau:

Khi đầu vào sơ cấp của biến áp ta đặt một điện áp xoay chiều U1 = Ulưới có dạng hình sin (f=50Hz), trong lõi thép xuất hiện một từ trường biến thiên theo quy luật hình sin giống như đầu vào (f=50Hz) Từ thông biến thiên này cảm ứng sang bên cuộn dây thứ cấp một điện áp xoay chiều cũng ở dạng hình sin với f= 50Hz nhưng có biên độ nhỏ hơn Ta có quan hệ giữa biên độ điện áp ra và điện

áp vào tỷ lệ thuận với tỷ số vòng dây n1 và n2:

2

1 2

1

n

n U

U

= (1)

Do đó, khi n1 > n2 thì U1>U2

Thực tế biên độ điện áp U2 có quan hệ tỉ lệ thuận với các yếu tố sau:

+ Biên độ điện áp U1

+ Tỉ số n1/n2

+ S: Diện tích lõi biến áp

+ Độ từ thẩm của vật liệu làm lõi biến áp

+ f2: Tần số của điện áp hình sin đầu vào

Trong bản thiết kế này ta sẽ hạ mức điện áp lưới từ 220 V xuống còn khoảng 18V Trên cơ sở đó, ta sẽ tính toán các thông số của khối biến áp như

số vòng dây cuốn trên hai cuộn sơ cấp, thứ cấp, đường kính dây cuốn, tiết diện của các lá thép sao cho phù hợp với những yêu cầu của đề bài

II Khối chỉnh lưu

Nhiệm vụ : Biến đổi điện áp xoay chiều ở đầu ra cuộn biến áp thành điện

áp một chiều, tuy nhiên điện áp một chiều này có độ gợn sóng lớn.

Nguyên tắc: sử dụng các phần tử tích cực có đặc tuyến A-V không đối

xứng sao cho dòng điện qua nó chỉ đi theo một chiều, khi đó điện áp thu được trên tải là điện áp một chiều Các phần tử tích cực thường được sử dụng là:

- Diode(Si, Ge): dùng khi công suất ra nhỏ và trung bình

- Thyristor : dùng khi công suất ra lớn, có thể điều chỉnh điện áp ra tuỳ ý Trong chỉnh lưu bằng diode , các mạch chỉnh lưu thường được dùng là:

• Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ

• Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ:

- Nguyên tắc hoạt động của mạch chỉnh lưu cầu như sau:

Khi t0 <t<t1: D1 và D4 thông, D2 và D3 tắt, dòng điện chảy từ cực +Uvào

→ D1→ Rtải → D4 → cực - Uvào, Ura ≈ Uvào

Khi t1 <t<t2: D2 và D3 thông, D1 và D4 tắt, dòng điện chảy từ cực +Uvào

→ D2→ Rtải → D3 → cực - Uvào, Ura ≈ Uvào

Như vậy là sau hai nửa chu kì, dòng điện chảy qua Rtải cùng chiều nên ta

có điện áp ra trong 2 nửa chu kỳ đó cùng dấu dương

Sau đây là giản đồ thời gian thể hiện quá trình trên :

Tuy nhiên do ta sử dụng các diode (trong khối chỉnh lưu cầu) để nắn dòng

mà bản thân các diode là các phần tử phi tuyến, chúng sinh ra các thành phần hài bậc cao Để loại bỏ các hài bậc cao nàyngười ta dùng các tụ có chỉ số nhỏ mắc song song với các diode Đối với các thành phần hài bậc cao thì trở kháng của các tụ nhỏ nên chúng được ngắn mạch xuống dưới đất Các tụ C1 - C4 là các tụ lọc nguồn

Điện áp ra sau khối chỉnh lưu có độ gợn sóng lớn Giá trị điện áp biến thiên

từ 0 đến √2Uvào-1,4V một cách chu kỳ gọi là sự gợn sóng của điện áp hay dòng điện ra khối chỉnh lưu Sự gợn sóng này là do các sóng hài gây nên, làm mất mát năng lượng một cách vô ích và gây nhiễu loạn cho sự làm việc của

tải Để giảm độ gợn sóng ta sử dụng các bộ lọc Các bộ lọc thường được sử dụng là bộ lọc LC, RC (nối tiếp hoặc song song) Trong thiết kế này ta dùng một bộ lọc RC phù hợp với chỉ tiêu độ gợn sóng là 5% (theo yêu cầu đề bài)

Ta có công thức tính độ gợn sóng của điện áp ra như sau: Kgs =

∆Ura /Ura tb

Với ∆Ura = Um = √2Uvào-1,4V, và Ura tb = 2*Um/ é

(Um là biên độ điên ra khối chỉnh lưu cầu)

Suy ra: Kgs = Um / (2*Um/é) = é/2 = 157(%)

Ta thấy Kgs có giá trị rất lớn Cần phải giảm nhỏ độ gợn sóng này

Sơ đồ nguyên lý mạch lọc bằng tụ điện như sau:

chl loc

K R

T C

3

≈Trong đó:

• KGS : Hệ số gợn sóng (thực tế thường chọn KGS =5%)

• Rt: Điện trở tải ( tức là điện trở đầu vào của khối ổn áp)

• Tchl: Chu kỳ chỉnh lưu, với chỉnh lưu một nửa chu kỳ Tchl=20ms, với chỉnh lưu hai nửa chu kỳ Tchl=10 ms

sự giảm điện áp ra, do vậy điện áp ra luôn ổn định

Nếu ta gọi hệ số khuếch đại của khối khuếch đại là K , của khối hồi tiếp là

K K

ht

= +

= 1 ' Trong đó, g là độ sâu hồi tiếp (g>1) Vậy, khi có hồi tiếp âm, hệ số khuếch đại giảm đi g lần

- Một vài ưu điểm của bộ ổn áp so sánh sử dụng nguyên lí hồi tiếp âm:

Khuếch đại điều chinh

Khuếch đại

So sánh

Khối phân áp

Khối tạo điện

áp chuẩn

+ Điện trở vào tăng g lần, làm hiệu suất từ các tầng trước đưa đến tầng này tăng lên, đồng thời điện áp cung cấp cho mạch này ít chịu ảnh hưởng của sự biến đổi trở kháng ra của các tầng trước.

+ Điện trở ra giảm g lần, giúp điện áp ra ít bị biến đổi khi giá trị điện trở tải thay đổi (tăng độ ổn định )

+ Độ nhấp nháy giảm g lần

Tất cả các ưu điểm đều giúp cho việc ổn định điện áp ra

- Điều kiện để hồi tiếp âm là:

ϕK + ϕHT = 1800

- Để đạt được độ ổn định cao thì yêu cầu:

K  KHT  >>1 ( tức là yêu cầu hồi tiếp âm sâu)

do khi có hồi tiếp âm sâu thì: 1 +KK ht ≈KK ht



ht K

Khi đó hệ số KĐ tổng chỉ phụ thuộc vào hệ số khuếch đại K ht, không phụ thuộc vào K(do khối khuếch đại điều chỉnh là phần tử phi tuyến nên K không

ổn định)

- Sau đây ta sẽ xem xét cụ thể từng khối của mạch ổn áp so sánh

1 Khối tạo điện áp chuẩn

Dùng ổn áp thông số để tạo ra 1 điện áp chuẩn đưa vào so sánh với điện áp

ra của khối phân áp nhằm tạo ra 1 điện áp đi đến khối khuếch đại điều chỉnh giữ điện áp ra không đổi

Sơ đồ nguyên lý:

Diode zener làm việc theo hiệu

ứng zener : Hiệu ứng zener là khi ta tăng điện áp phân cực ngược cho diode đến

1 mức nào đấy (Uz), thì diode bị đánh thủng, lúc này dòng điện trong diode tăng

đột ngột, và sẽ có độ biến thiên rất lớn mặc dù ta chỉ thay đổi điện áp phân cực ngược một lượng rất nhỏ Người ta sử dụng tính chất này để tạo ra 1 mức điện

áp ổn định (Uz) khi dòng điện chảy qua diode thay đổi

Uz đuợc gọi là điện áp đánh thủng của điôt zener (hay điện áp ngược cho phép) để điôt zener làm việc được thì điện áp ngược tối thiểu cung cấp cho điôt zener phải lớn hơn Uz

2 Khối phân áp

N hiệm vụ: Tạo Tạo UPA tỉ lệ với điện áp ra, dùng làm tín hiệu so sánh với tín hiệu điện áp chuẩn, nhằm tạo ra sự chênh lệch điện áp đưa vào khối khuếch đại điều chỉnh

3 Khối khuếch đại so sánh

Khối này có thể dùng transistor hay dùng mạch khuếch đại thuật toán.

Trong bản thiết kế này ta sử dụng transistor, trong đó :

II pa

R R

R K

+

= ; '

e

c ss

4 Khối khuyếch đại điều chỉnh.

Dùng transistor công suất có hệ số khuéch đại lớn được toả nhiệt tốt Tín hiệu

so sánh được đưa vào chân B của Transistor, tín hiệu ra có thể lấy ở chân

E hoặc chân C

• Nếu lấy ở chân E ⇒ϕK =00

• Nếu lấy ở chân C ⇒ϕK =1800

Nhưng do ϕHT = 1800 nên để đảm bảo điều kiện hồi tiếp âm: ϕK+ϕHT=1800

thì yêu cầu ϕK =00

Mặt khác cả 2 khối KĐ điều chỉnh và khối KĐ so sánh đều mắc theo kiểu

E chung do đó điều kiện về biên độ K KHT>>1 cũng thoả mãn

Ta có Ic ≈ I tải

UCE = U vào - U ra → PCE = UCE* Ic lớn

Để tầng khuếch đại này làm việc tốt thì dòng vào KĐ điều chỉnh << dòng ra

KĐ so sánh Giả sử Ic của mạch so sánh = 1mA thì IB của tầng điều chỉnh = 0,1mA, nếu dòng Ic của tầng điều chỉnh = 1A thì β = Ic/ IB = 10000 rất lớn lúc này phải chọn cách mắc các Transistor theo kiểu KĐ Darlingtơn

β =ΙΙtai b (β- là hệ số KĐ dòng điện)

Sơ đồ mắc các Transistor theo kiểu KĐ Darlingtơn như sau:

Nguyên lý ổn áp như sau:

Nếu điện áp ra (Ura) trên tải tăng, qua mạch phân áp làm UPA tăng, do UPA

đặt vào cực B, còn Uchuẩn (không đổi) đặt vào cực E của tầng KĐ so sánh (T4) làm cho UbeT4 tăng, khiến cho Q4 dẫn điện mạnh, IcQ4 tăng, gây sụt áp trên điện trở R1 nhiều, làm cho UbQ3 giảm khiến cho Q3 đẫn điện yếu và kéo theo sự dẫn điện yếu của Q2, Q1 trong tầng KĐ Darlingtơn, dẫn đến nội trở của tầng KĐ này tăng → sụt áp UceQ1 tăng → IcQ1 giảm, tức là Itải giảm, làm Ura giảm để ổn định ⇒ U ra = const

Tương tự nếu điện áp ra (Ura) trên tải giảm, qua mạch phân áp làm UPA giảm,

Uchuẩn của tầng kĐ so sánh không đổi → UbeQ4 giảm → Q4 dẫn điện yếu → IcQ4

giảm, gây sụt áp trên điện trở R1 ít, làm cho UbQ3 tăng → Q3 dẫn điện mạnh hơn và kéo theo sự dẫn điện mạnh nên của Q2, Q1 trong tầng KĐ Darlingtơn → nội trở của tầng KĐ này giảm → UceT1 giảm , dòng IcQ1 tăng (Itải tăng), làm Ura tăng để ổn định ⇒ U ra = const

- Ưu điểm của mạch ổn áp kiểu bù:

+ Ổn áp tốt, phạm vi ổn áp tương đối rộng, có thể điều chỉnh được mức điện áp Ura bằng cách thay đổi VR7 tương đương với thay đổi K pa Khi VR7 dịch lên trên thì mức điện áp Ura (ổn định) giảm và ngược lại khi VR7 dịch xuống dưới thì mức điện áp Ura (ổn định) tăng

+ Công suất ra đủ lớn khi chọn Q1 có công suất đủ lớn, do đó mạch điện được

sử dụng phổ biến làm bộ nguồn cho nhiều thiết bị điện tử , máy móc điện tử

Sơ đồ nguyên lý tổng quát của nguồn ổn áp

Ta phải chọn UVAO lớn hơn URA tối thiểu là 2V để dự phòng cho độ gợn sóng

và điện áp tiêu thụ trên tầng KĐ Darlington khi mạch làm việc Đồng thời, ta phải cộng thêm một lượng điện áp rơi trên hai điôt chỉnh lưu (do khi chỉnh lưu cầu thì tại 1 nửa chu kỳ chỉ có 2 diode làm việc) Ta có giá trị của điện áp ra trên cuộn dây thứ cấp là:

U2= UVàO +0.7*2 = 19,4V

Tỉ số biến áp :

19 4 16

2 220 2

1 2

Theo yêu cầu thiết kế Pra = 1W, Ura = 15V nên:

Nếu coi tổn hao trên hai điôt chỉnh lưu cầu là 10% thì ta có công suất thực

mà biến áp cần cung cấp cho mạch ổn áp là:

11 , 1 90

100

* 1

2t = =

Dòng điện chạy trên cuộn sơ cấp là:

19 4 16

067 0 16

2

1 =Ι = ≈

Ta phải chọn cầu chì có dòng tối đa là 0.01A

Để tính diện tích tiết diện của lõi biến áp ta dựa vào công thức:

) ( ) 3 1 8 0

37 1 11 1 ) 3 1 8 0

00419 0

Thứ cấp: 0 06

11 1

067 0

Đường kính dây cuốn biến áp trên cuộn sơ cấp là:

07 0

1

45

* 220 37 1

Diện tích tiết diện lõi biến áp:S = 1.5cm2

Đường kính dây cuốn biến áp trên hai cuộn:

Các tụ lọc C1, C2, C3, C4 là các tụ lọc các hài bậc cao có tần số bằng số nguyên lần (n >2) tần số của điện áp vào

Chọn C1 = C2 = C3 = C4 = 0.01uF /100V

3 Khối lọc

Sau khi qua khối chỉnh ta thu được 1 điện áp ở cuộn thứ cấp có biên độ là 18V, dạng điện áp ở cuộn thứ cấp có độ gợn sóng rất lớn, vì vậy cần có tụ lọc để loại bỏ sự gợn sang này Tụ lọc này cũng phải chịu đựng điện áp vào là 18V, để đảm bảo tụ không bị đánh thủng ta chọn tụ có Umax > 18V, trong bản thiết kế này ta chọn Umax = 25V

Để xác định điện dung của tụ lọc này ta dựa vào độ gợn sóng sau khối chỉnh lưu theo công thức sau:

gs t

chl loc

K R

T C

3

=

Ta chọn độ gợn sóng sau khối chỉnh lưu là Kgs=5%=0,05

Tchl : Chu kỳ chỉnh lưu, do chỉnh lưu cầu nên ta có:

01 0 50 2

1

=

x f

Điện trở tải tương đương

66 268 067

0

* 66 268

* 3

01 , 0

I CQ4min = 1mA  I I CQ mA

10

min 4

Hệ số khuyếch đại khối KĐ điều chỉnh là:

0 , 1 67

067 0

P= Với Q1: Pmax = ( 18 − 15 ) ∗ 0 067 = 0 , 201 (W)

Ta có: 16.7 15.7 1 ( )

1 1

1 min

min

R R

U U

6 15

3 5

Ở đây Uz = 6V), chọn R5 = 4.7 KΩ

- Với điôt Zener ta có thể chọn tuỳ ý giá trị điện áp đánh thủng của Dz miễn là giá trị này phải nhỏ hơn Ura = 15V( do yêu cầu phải đặt 1 điện áp có giá trị ≥ Uz vào Dz), tuy nhiên giá trị Uz thường được chọn là 6V

Công suất của Dz có thể được tính theo công thức:

7 , 0 2

max 4

3 max

4 max

* 85 1

15

3 8

I

I

U R VR R R

4 8

7 7 6

7

+ + +

+

=

BEQ Z

a b

b II

I

II

U

U U R VR VR R

VR R R

R

R

11 8

7 8 8 7 7 6

+

k

VR R R VR VR

R

VR

a b b

gs

KK

K g

K K

'

4

4

44 , 0

eQ

CQ SS

pa ht

r

r K

CQ

I

mV r

K R

7 3 10 25

1000 44

g

K

K gs gs

Còn khi g nhỏ nhất (hệ số gợn sóng lớn nhất), lúc đó thì Kht đạt giá trị nhỏ

nhất r’ eQ4 là lớn nhất I E nhỏ nhất = 1 (mA)

10 1 10 25

1000 44

05 , 0

PHẦN 4: KIỂM TRA BẢN THIẾT KẾ.

LỰA CHỌN CÁC LINH KIỆN GẦN ĐÚNG

Do các linh kiện trên ta chỉ xét sao cho phù hợp với lý thuyết nhằm đảm bảo được các chỉ tiêu kĩ thuật đã đưa ra Nhưng thực tế thì việc lựa chọn đúng được toàn bộ các linh kiện trên là điều không dễ thực hiện do các nhà sản xuất chỉ đưa

ra các linh kiện đã được quy chuản, khi tiến hành thiết kế có thể cần những linh kiện không có trong số những linh kiện đã đuợc quy chuẩn vì vậy cần phải lựa chọn các linh kiện gần đúng để thay thế Mặt khác, có những linh kiên không được quy chuẩn như cuộn cảm, vòng dây biến áp cũng cần phải được tính toán trong quá trìng thiết kế, ví dụ: Số vòng dây, đường kính dây, chất liệu dây

- Sau đây sẽ là bản thiết kế với những linh kiện gần đúng được tìm thấy khá dễ dàng trên thị trường nhưng vẫn đảm bảo được các chỉ tiêu kĩ thuật ở trên

+ Ta có Ura = 15V, Pra = 1W → Rtải = 152/ 1(W) = 225 (Ω), ta chọn