Nghiên cứu xây dựng và mô phỏng một số bài thí nghiệm về nguồn ổn áp một chiều, phục vụ công tác đào tạo của trường cao đẳng nghề mỏ hữu nghị vinacomin, uông bí quảng ninh

Với chiến lược phát triển của trường về quy mô và chất lượng đào tạo, đòi hỏi Nhà trường trong những năm tới cần phải xây dựng một hệ thống các phòng thí nghiệm, thực hành đồng bộ, hiện

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học mỏ - địa chất hà nội

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học mỏ - địa chất hà nội

hà nội – 2012

Lêi cam ®oan

T«i xin cam ®oan ®©y lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu cña riªng t«i Nh÷ng néi dung tr×nh bµy trong luËn v¨n do chÝnh b¶n th©n t«i thùc hiÖn C¸c sè liÖu, kÕt qu¶ tÝnh to¸n trong luËn v¨n lµ trung thùc vµ ch−a tõng ®−îc ai c«ng bè trong bÊt kú c«ng tr×nh nµo kh¸c

Hµ Néi, ngµy 2 th¸ng 4 n¨m 2012

T¸c gi¶ luËn v¨n

Lª Ngäc Lîi

Lời cảm ơn Sau một thời gian làm việc nghiêm túc, đến nay luận văn của tác giả đ6

được hoàn thành

Trong thời gian nghiên cứu, thực hiện luận văn, tác giả đ6 được sự giúp

đỡ chỉ bảo tận tình của người hướng dẫn khoa học PGS.TS Kim Ngọc Linh và các thầy cô trong bộ môn Điện khí hoá PGS.TS Kim Ngọc Linh không chỉ gợi ý đề tài mà còn đưa ra nhiều ý kiến quí báu để tác giả có thể giải quyết

được những vấn đề khó khăn nảy sinh trong quá trình thực hiện luận văn Cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đ6 quan tâm, động viên và giúp

đỡ tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Mặc dù đ6 có nhiều cố gắng, song luận văn có thể không tránh được các khiếm khuyết và thiếu sót Tác giả mong nhận được những ý kiến đóng góp của các nhà khoa học, các thầy cô và bạn bè đồng nghiệp cho nội dung của luận văn

Xin chân thành cám ơn!

Tác giả luận văn

mục lục

Trang phụ bìa………

Lời cam đoan………

Mục lục………

Danh mục các hình vẽ và đồ thị ………

Mở đầu……… 1

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về Trường Cao Đẳng nghề mỏ Hữu Nghị – Vinacomin, Uông Bí – Quảng Ninh 3

1.1 Giới thiệu chung……… 3

1.2 Xu thế phát triển của Trường……… 5

1.3 Giới thiệu hệ thống phòng thí nghiệm điện - điện tử hiện tại ………… 5

1.4 Kết luận……… 8

Chương 2:Nghiên cứu xây dựng một số bài thí nghiệm về bộ nguồn ổn áp một chiều 9

2.1 Bài thí nghiệm về mạch ổn áp một chiều kiểu tham số……… 9

2.1.1 Mục đích thí nghiệm ………9

2.1.2 Cơ sở lý thuyết……… 9

2.1.3 Thiết kế sơ đồ thí nghiệm……… 12

2.2 Bài thí nghiệm về mạch ổn áp một chiều có khâu điều chỉnh (ổn áp có hồi tiếp)……… 20

2.2.1 Mục đích thí nghiệm……… 20

2.2.2 Cơ sở lý thuyết………20

2.2.3 Thiết kế sơ đồ thí nghiệm 27

2.3 Bài thí nghiệm về mạch ổn áp kiểu đóng ngắt (ổn áp xung) 35

2.3.1 Mục đích thí nghiệm 35

2.3.2 Cơ sở lý thuyết 36

2.3.2.1 Tổng quan về bộ nguồn ổn ỏp xung………36

2.3.2.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung 41

2.3.2.3 Cỏc bộ băm xung ỏp một chiều cơ bản trong cỏc bộ ổn ỏp xung… 44

2.3.3 Thiết kế sơ đồ thí nghiệm……… 52

2.3.3.1 Mạch điều chế độ rộng xung……… 52

2.3.3.2 Thớ nghiệm mạch băm xung nối tiếp (BUCK)………54

2.3.3.3 Thớ nghiệm mạch băm xung song song (BOOST) 57

2.3.3.4 Thớ nghiệm mạch băm xung nối tiếp- song song (BUCK-BOOST) 60

Chương 3: Mô phỏng một số bài thí nghiệm về nguồn ổn áp một chiều công suất nhỏ 63

3.1 Giới thiệu về phần mềm mô phỏng ……… 63

3.1.1 Giới thiệu phần mềm Multisim 10 63

3.1.2 Các chức năng chính của Multisim 10……… 64

3.1.3 Giao diện của Multisim 10……….64

3.1.4 Các bước tiến hành mô phỏng bằng Multisim10 67

3.2 Bài thí nghiệm mạch ổn áp kiểu tham số 68

3.2.1 Mạch ổn áp kiểu tham số một cấp điện áp ra 68

3.2.2 Mạch ổn áp kiểu tham số có Tranzito mắc nối tiếp 69

3.2.3 Mạch ổn áp kiểu tham số có Tranzito mắc Đa - ling - ton 70

3.2.4 Mạch ổn áp kiểu tham số có Tranzito mắc song song 71

3.3 Bài thí nghiệm mạch ổn áp một chiều có khâu điều chỉnh 73

3.4 Bài thí nghiệm mạch ổn áp kiểu đóng ngắt(ổn áp xung) 74

3.4.1 Mạch điều chế độ rộng xung 74

3.4.2 Mạch băm xung nối tiếp (Buck) 76

3.4.3 Mạch băm xung xung song song (Boost)……… 77

3.4.4 Mạch băm xung nối tiếp - song song (Buck - Boost) 78

Kết luận và kiến nghị………80

Tài liệu tham khảo ……… …….81

3 Hình 2.2 Mạch ổn áp dùng hai điôt Zener và điôt thường 10

12 Hình 2.11 Sơ đồ khối mạch ổn áp có khâu hồi tiếp 21

13 Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý mạch ổn áp có khâu hồi tiếp 21

14 Hình 2.13 Mạch ổn áp có khâu hồi tiếp dùng khuếch đại

15 Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý một bộ nguồn ổn áp thực tế 23

17 Hình 2.16 Bộ nguồn ổn áp lưỡng cực dùng IC 25

18 Hình 2.17 Giải pháp tăng điện áp ra của IC ổn áp 25

19 Hình 2.18 Giải pháp tăng dòng điện ra của IC ổn áp 26

20 Hình 2.19 Mạch IC ổn áp có điều chỉnh đ−ợc điện áp ra 27

21 Hình 2.20 Mạch thí nghiệm ổn áp có khâu điều chỉnh dùng

22 Hình 2.21 Mạch thí nghiệm ổn áp có khâu điều chỉnh dùng IC 31

23 Hình 2.22 Mạch thí nghiệm về giải pháp tăng điện áp ra của

26 Hình 2.25 Sơ đồ chức năng của nguồn ổn áp xung 38

27 Hình 2.26 Sơ đồ chức năng nguồn ổn áp xung không dùng biến

31 Hình 2.30 Sơ đồ nguyờn lý mạch tạo xung tam giỏc hai cực tớnh 42

32 Hình 2.31 Tạo răng c−a một cực tính từ răng c−a hai cực tính 43

33 Hình 2.32 Băm xung một chiều nối tiếp tải RL 44

35 Hình 2.34 Băm xung một chiều nối tiếp-song song 50

36 Hình 2.35 Sơ đồ thớ nghiệm mạch điều chế độ rộng xung 53

37 Hình 2.36 Sơ đồ thớ nghiệm mạch băm xung ỏp một chiều nối

38 Hình 2.37 Sơ đồ thớ nghiệm băm xung song song (BOOST) 57

39 Hình 2.38 Sơ đồ thớ nghiệm băm xung nối tiếp-song song

40 Hình 3.1 Giao diện của Multisim 10 64

41 Hình 3.2 Nhóm giá trị thực và ảo của linh kiện ANALOG 65

50 Hình 3.11 Sơ đồ thí nghiệm mạch ổn áp Tranzito mắc song song 72

51 Hình 3.12 Sơ đồ thí nghiệm mạch ổn áp có khâu điều chỉnh dùng

52 Hình 3.13 Sơ đồ thí nghiệm mạch điều chế độ rộng xung 74

53 Hình 3.14 Dạng sóng tín hiệu đầu ra của U1, U2 75

54 Hình 3.15 Dạng sóng tín hiệu điện áp răng c−a hai cực tính 75

55 Hình 3.16 Dạng sóng tín hiệu tại đầu ra U3 76

56 Hình 3.17 Sơ đồ thí nghiệm mạch băm xung nối tiếp 76

57 Hình 3.18 Sơ đồ thí nghiệm mạch băm xung song song 77

58 Hình 3.19 Sơ đồ thí nghiệm mạch băm xung nối tiếp song song 78

mở đầu

1 Tính cấp thiết của đề tài

Việc đào tạo ra người công nhân vừa nắm vững lý thuyết, vừa giỏi thực hành, đáp ứng được nguồn nhân lực cho x( hội là nhu cầu cấp thiết trong nền kinh tế hội nhập Đây cũng chính là mục tiêu, chiến lược đào tạo của các trường nghề ngày nay và trong tương lai, trong đó có Trường Cao Đẳng nghề

mỏ Hữu Nghị - Vinacomin Với chiến lược phát triển của trường về quy mô và chất lượng đào tạo, đòi hỏi Nhà trường trong những năm tới cần phải xây dựng một hệ thống các phòng thí nghiệm, thực hành đồng bộ, hiện đại, đáp ứng yêu cầu đào tạo nguồn nhân lực vừa có kiến thức lý thuyết, vừa có kỹ năng thực hành cao Vì vậy, việc nghiên cứu xây dựng và mô phỏng các bài thí nghiệm, thực hành cho các môn học trong chương trình đào tạo của trường nói chung, trong đó có các môn học về kỹ thuật điện-điện tử có tính cấp thiết

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu xây dựng và mô phỏng một số bài thí nghiệm về nguồn ổn

áp một chiều phục vụ công tác đào tạo của Trường Cao Đẳng nghề mỏ Hữu Nghị - Vinacomin, Uông Bí - Quảng Ninh

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận văn là các bài thí nghiệm về nguồn ổn

áp một chiều công suất nhỏ phục vụ công tác đào tạo cho trường Cao đẳng nghề Hữu Nghị-Vinacomin

Phạm vi nghiên cứu của luận văn là một số mạch ổn áp thông dụng như

ổn áp kiểu tham số, ổn áp có khâu hồi tiếp và mạch ổn áp xung đơn giản

4 Nội dung nghiên cứu

- Đánh giá tổng quan về hệ thống phòng thí nghiệm Điện-Điện tử của Trường Cao Đẳng nghề mỏ Hữu Nghị – Vinacomin

- Nghiên cứu thiết kế một số bài thí nghiệm về nguồn ổn áp một chiều phục vụ công tác đào tạo cho Trường Cao đẳng nghề Hữu Nghị-Vinacomin

- Nghiên cứu mô phỏng các bài thí nghiệm trên máy vi tính bằng phần mềm thích hợp

5 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết và phương pháp mô phỏng bằng các phần mềm kỹ thuật

6 ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Đề tài đ( thiết kế và mô phỏng được một số bài thí nghiệm về nguồn ổn

áp một chiều phù hợp với điều kiện thực tế của Trường Cao đẳng nghề mỏ Hữu Nghị - Vinacomin, Uông Bí - Quảng Ninh Kết quả của đề tài góp phần nâng cao chất lượng khâu thực hành, thí nghiệm của sinh viên, đồng thời đóng góp vào việc xây dựng thư viện các bài thí nghiệm ảo về Kỹ thuật điện tử

7 Cấu trúc luận văn

Luận văn gồm phần Mở đầu, Kết luận và 3 chương

Chương I: Giới thiệu tổng quan về Trường Cao Đẳng nghề mỏ Hữu Nghị – Vinacomin, Uông Bí – Quảng Ninh và hệ thống phòng thí nghiệm, thực hành về điện-điện tử của trường

Chương II: Nghiên cứu xây dựng một số bài thí nghiệm về bộ nguồn ổn

áp một chiều phục vụ công tác đào tạo của Trường Cao Đẳng nghề mỏ Hữu Nghị - Vinacomin, Uông Bí – Quảng Ninh

Chương III: Mô phỏng một số bài thí nghiệm về bộ nguồn ổn áp một chiều công suất nhỏ

Kết luận, kiến nghị

Tổng cộng gồm 80 trang, 58 hình vẽ

Sau đây là nội dung luận văn

Chương 1 Giới thiệu tổng quan về Trường Cao Đẳng nghề mỏ Hữu Nghị – Vinacomin, Uông Bí – Quảng Ninh.

1.1 Giới thiệu chung

Trường Cao Đẳng nghề mỏ Hữu Nghị – Vinacomin nằm trên quốc lộ 18A, phường Thanh Sơn – thành phố Uông Bí – tỉnh Quảng Ninh

Trường Cao đẳng nghề mỏ Hữu Nghị - VINACOMIN tiền thân là Trường công nhân kỹ thuật mỏ, được thành lập năm 1976 Năm 2006 trường được nâng cấp thành Trường Cao đẳng nghề mỏ Hữu Nghị - VINACOMIN theo quyết định số 1993/QĐ-LĐTBXH ngày 29/12/2006 của Bộ lao động thương binh và x( hội

Sau hơn 35 năm xây dựng và phát triển, Trường Cao đẳng nghề mỏ Hữu Nghị - VINACOMIN đ( làm tốt công tác đào tạo nguồn nhân lực cho ngành công nghiệp khai thác than và khoáng sản cũng như các ngành nghề khác phục vụ yêu cầu x( hội Từ ngày thành lập đến nay, Trường đ( đào tạo trên 20.000 công nhân kỹ thuật lành nghề, đào tạo bồi dưỡng trên 500 cán bộ chỉ huy sản xuất, liên kết đào tạo đại học tại chức với các trường đại học với trên 1.800 sinh viên

Hiện nay Trường Cao Đẳng nghề mỏ Hữu Nghị – Vinacomin đào tạo công nhân kỹ thuật lành nghề theo 03 cấp trình độ: Trung cấp nghề, Sơ cấp nghề và Cao đẳng nghề

Bộ máy l(nh đạo của Nhà trường được tổ chức và vận hành theo hệ thống quản lý chất lượng theo tiêu chuẩn ISO9001 phiên bản 2008 Trách nhiệm, quyền hạn, nghĩa vụ được xây dựng tới từng cán bộ, viên chức và công nhân trong Trường Sơ đồ bộ máy tổ chức của nhà Trường và phân công phụ trách của Ban Giám Hiệu nên trên hình 1-1

Hình 1-1 Sơ đồ bộ máy quản lý của Trường Cao đẳng nghề Hữu Nghị Tổng số các bộ công nhân viên chức của Nhà trường hiện nay là 125 người, trong đó trình độ Đại học: 94 người; Sau đại học: 14 người; Nghiên cứu sinh: 03 người; Cao đẳng: 13 người; Trung cấp CN và thợ bậc cao: 14 người

1.2 Xu thế phát triển của Trường

Tầm nhìn đến năm 2020: Phấn đấu trở thành cơ sở đào tạo chất lượng cao, hội nhập quốc tế, đáp ứng yêu cầu nguồn nhân lực cho công cuộc Công nghiệp hóa – Hiện đại hóa đất nước và trở thành trung tâm nghiên cứu khoa học,ứng dụng và chuyển giao công nghệ phục vụ các yêu cầu phát triển ngành

và các thành phần kinh tế khác

Sứ mạng đến năm 2015: Xây dựng môi trường văn hoá nhân văn, tạo cơ hội để người học tự học suốt đời áp dụng công nghệ thông tin trong dạy - học, nâng cao tính cạnh tranh đảm bảo sự phát triển bền vững của Trường, góp phần gia tăng thương hiệu của VINACOMIN

Chính sách chất lượng đến năm 2013:

1 Đào tạo nguồn nhân lực chất lượng phù hợp với yêu cầu Công nghiệp hóa – Hiện đại hóa đất nước vì lợi ích của cộng đồng

2 Cải tiến liên tục chương trình, phương pháp dạy-học và cách quản

lý của Trường theo xu thế hội nhập khu vực và thế giới

3 áp dụng công nghệ thông tin vào dạy - học, vào quản lý hướng tới người học, người sử dụng lao động và x( hội

4 Phát huy mọi tiềm năng và sự công hiến của tất cả các thành viên, quan hệ mật thiết với khách hàng, đáp ứng ngày càng cao yêu cầu nguồn nhân lực của x( hội

1.3 Giới thiệu hệ thống phòng thí nghiệm điện - điện tử hiện tại

Hệ thống các phòng thí nghiệm và thực hành về điện của trường đào tạo nghề mỏ Hữu Nghị được Liên Xô cũ giúp đỡ xây dựng và lắp đặt từ năm

1979 Các mô hình, thiết bị ở đây được lắp đặt nhằm giới thiệu, làm thí nghiệm và thực hành cho học sinh học nghề Tuy nhiên trong những năm gần

đây chất lượng tay nghề của người thợ khi ra trường đòi hỏi ngày một nâng cao Nhà trường đ( không ngừng đầu tư trang thiết bị giảng dậy, các mô hình

học cũ, các bộ thí nghiệm các máy móc, thiết bị điều khiển vào sản xuất, nhằm thay thế dần các mô hình thí nghiệm đ( cũ, các thiết bị ít được sử dụng trong sản xuất khai thác than hiện nay Cụ thể đối với phòng thí nghiệm nhà trường đ( đầu tư thêm một số bộ thí nghiệm về điện được sản xuất trong nước,

đối với các phòng thực hành đ( trang bị thêm một phòng thực hành tự động hoá quá trình sản xuất

Hiện nay nhà trường có một phòng thí nghiệm về điện, 03 phòng thực hành chuyên môn nghề sửa chữa điện mỏ, 01 phòng thực hành tự động hoá 1.3.1 Đối với phòng thí nghiệm

Trang thiết bị điện, mô hình phục vụ công tác thí nghiệm về điện trong phòng thí nghiệm của trường được lắp đặt, sắp xếp làm thí nghiệm cho các môn học như: Điện kỹ thuật, Máy điện, Đo lường điện có các mô hình thí nghiệm như sau:

- Mô hình thí nghiệm áp dụng định luật Ôm

- Bảng thí nghiệm về mạch điện xoay chiều một pha có R- C- L mắc song song, nối tiếp

- Mô hình thí nghiệm nguyên lý tạo ra sức điện động xoay chiều điều hòa

- Bộ thí nghiệm máy phát điện một pha, ba pha

- Bộ thí nghiệm động cơ một chiều, xoay chiều một pha, ba pha

- Bộ thí nghiệm điện gia dụng

- Bộ thí nghiệm điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha

- Mô hình thí nghiệm khởi động động cơ 3 pha bằng các phương pháp:

đổi nối sao sang tam giác, mắc biến trở vào mạch rô to dây quấn, sử dụng biến

áp tự ngẫu

- Mô hình thí nghiệm phụ tải ba pha đấu sao và tam giác

- Mô hình thí nghiệm nguyên lý khuếch đại từ một pha, ba pha

- Mô hình chỉnh lưu dòng điện xoay chiều 3 pha bằng điốt bán dẫn

- Mô hình thí nghiệm máy lạnh dàn trải

- Mô hình thí nghiệm về Rađiocassltter

- Mô hình thí nghiệm về Tivi đen trắng

- Mô hình thí nghiệm về tác dụng của từ trường lên dòng điện

- Mô hình thí nghiệm về khuếch đại từ đảo chiều

- Bảng thí nghiệm nạp điện tự động dùng hai Tiristo

1.3.2 Đối với phòng thực hành tự động hoá

Phòng thực hành tự động hoá được nhà trường đầu tư lắp đặt các mô hình, hệ thống điều khiển tự động áp dụng các ứng dụng khoa học công nghệ hiện đại vào quá trình sản xuất gồm có:

- Hệ thống tự động hoá trục tải giếng đứng

- Hệ thống điều khiển tự động hoá thoát nước mỏ

- Hệ thống điều khiển tự động hoá tuyến băng tải mỏ

- Mô hình mô phỏng hệ thống tự động giám sát khí mỏ

1.3.3 Đối với các phòng thực hành nghề sửa chữa điện mỏ

Các phòng thực hành chuyên môn nghề sửa chữa điện mỏ được bố trí liền sát nhau tại xưởng thực hành A nằm ở phía Bắc của trường, mỗi phòng rộng khoảng 190m2 Trong từng phòng được lắp đặt bố trí đầy đủ các máy móc thiết bị điện mỏ Về cơ bản có đủ các chủng loại máy móc thiết bị điện

đang được sử dụng rộng r(i ở các mỏ khai thác than hiện nay do Liên Xô, Ba Lan, Trung Quốc sản xuất Các phòng thực hành chuyên môn của trường như một phân xưởng cơ điện sửa chữa của mỏ thu hẹp, nhằm giúp học sinh sau khi học lý thuyết được trực tiếp làm quen với các máy móc thiết bị điện của mỏ, cũng như thực hành các phương pháp lắp ráp, bảo dưỡng, vận hành sửa chữa các hư hỏng của chúng trong quá trình sản xuất Qua tìm hiểu thực tế các phòng thực hành về điện của trường có các thiết bị chủ yếu như sau:

+ Thiết bị điều khiển trong mỏ như: cầu dao, hộp khống chế, máy ngắt

tự động A∅B, các loại khởi động từ một chiều, xoay chiều, thuận nghịch, không thuận nghịch, tủ cao áp dùng cho mỏ lộ thiên và mỏ hầm lò…

+ Thiết bị bảo vệ như cầu chì, rơle cực đại, rơle nhiệt, rơle thời gian, rơle kiểm tra tốc độ, rơle rò

+ Các loại máy công tác như động cơ điện 1 chiều, xoay chiều một pha,

ba pha, máng cào, quạt gió cục bộ máy nén khí, khoan điện cầm tay, băng tải Qua tìm hiểu hệ thống các phòng thí nghiệm và thực hành về điện của trường Cao đẳng nghề mỏ Hữu Nghị - Vinacomin Uông Bí, Quảng Ninh cho thấy:

- Hầu hết các mô hình thí nghiệm điện có trong phòng thí nghiệm và các thiết bị điện trong các phòng thực hành hiện tại của trường đều đ( sử dụng trên 30 năm Một số mô hình để làm thí nghiệm và thực hành đ( xuống cấp và thiếu chưa đáp ứng được quy mô đào tạo cũng như chất lượng đào tạo của nhà trường

- Mặc dù một số mô hình thí nghiệm và thực hành có ứng dụng các tiến

bộ khoa học kỹ thuật công nghệ mới vào sản xuất được bổ sung trong vài năm gần đây, song vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu tìm hiểu, thực hành, làm thí nghiệm của học sinh, sinh viên các hệ đào tạo của trường

- Để làm tốt phương pháp giảng dậy gắn lý thuyết với thực hành cũng như đáp ứng được quy mô đào tạo và phù hợp với sự phát triển của khoa học

kỹ thuật, hệ thống các phòng thí nghiệm, thực hành về điện của trường cần trang bị và hoàn thiện thêm

Với những lý do nêu ở trên và đáp ứng phần nào những yêu cầu đó nhiệm vụ của đề tài luận văn là : Nghiên cứu xây dựng và mô phỏng một số bài thí nghiệm về nguồn ổn áp một chiều phục vụ công tác đào tạo cho trường Cao đẳng nghề Hữu Nghị-Vinacomin Uông Bí, Quảng Ninh

Chương 2 Nghiên cứu xây dựng một số bài thí nghiệm

về bộ nguồn ổn áp một chiều

2.1 Bài thí nghiệm về mạch ổn áp một chiều kiểu tham số

2.1.1 Mục đích thí nghiệm

- Khảo sát sự ổn định điện áp ra của bộ nguồn ổn áp kiểu tham số khi

điện áp vào và dòng điện tải thay đổi

- Khảo sát các giải pháp nâng cao khả năng mang tải và hệ số ổn định của bộ ổn áp kiểu tham số

U = với UZ là điện áp ổn định của điôt Zener

Hệ số ổn áp G đối với điện áp một

chiều đồng thời là hệ số lọc đối với

điện áp xoay chiều (độ ù) được xác

Z ra

v

r

Rr

Rr

rRU

ra ra

ra

v v

U

Ur

RU

UGUU

UU

khâu ổn áp bằng điôt Zener như hình 2-2a Mạch này có G =G1G2 và hệ số ổn

định tương đối S =S1S2 (khoảng 10 ữ2 104)

Hình 2-2 Mạch ổn áp dùng hai điôt Zener và điôt thường

Khi cần ổn áp trị số nhỏ có thể dùng điôt thường mắc theo chiều thuận như hình 2-2b Hệ số ổn áp trong trường hợp này bằng :

D D D

D

r

Rr

Rr

rRG

33

13

3

≈+

ra

U

Ur

RU

UG

3

=

với rD là điện trở thuận của điôt

Có thể kết hợp mạch ổn áp kiểu tham số trên với khuếch đại thuật toán

để cho điện áp ra có thể thay đổi được như sơ đồ hình 2-3

R

R U

Trong m¹ch æn ¸p nèi tiÕp,

tranzito ®−îc m¾c nèi tiÕp víi t¶i §iÖn

Ng−îc l¹i víi m¹ch æn ¸p nèi

tiÕp, trong m¹ch æn ¸p song song

tranzito ®−îc m¾c song song víi t¶i

U U

ra U

R

t R

1

B I

Z I

BE U

2

Z U

2

BJT

so với dòng điện tải It Điều này cho

phép chọn điôt Zener có dòng nhỏ

Hình 2-6 Mạch ổn áp dùng tranzito

ghép Đa-ling-tơn Các sơ đồ ổn áp dùng điôt Zener xét ở trên thường có công suất tổn hao

2.1.3 Thiết kế sơ đồ thí nghiệm

2.1.3 1 Mạch ổn áp kiểu tham số một cấp điện áp ra

Sơ đồ thí nghiệm như hình 2-7

Trong sơ đồ vôn kế V1 đo điện áp vào UV, V2 đo điện áp rơi trên

điện trở hạn chế R1, V3 đo điện áp ra Ura, miliampekế mA đo dòng điện tải It

; Zmax L

L

Theo [5] chọn điôt ổn áp loại D818A có thông số định mức UZ=9V;

IZ=10mA; IZmin=3mA; IZmax=33mA

Với IZ=10mA và It=8mA suy ra I R1 =I Z +I t = 18mA

Để mạch làm việc ổn định chọn điện áp vào Uvmin=18V; Uvmax=24V, suy ra điện áp vào trung bình:

V U

18

9 21 3 1

1

R

ra vTB

I

U U

Công suất của điện trở R1:

W R

I R I k

9 3 3

Chọn R2 = 900 Ω và R3 là biến trở 500 Ω, suy ra dòng tải lớn nhất :

mA A

I k

P R at. t 2 10 2 10 6 900 0 , 18

2 2 max

Công suất của biến trở R3:

W R

I k

P R3 ≥ at. t2max. 3 = 2 102 10 −6 500 = 0 , 1Các tụ lọc chọn C1= 1000 àF − 100V;C2 = 470 àF− 50V.

Nhiệm vụ thí nghiệm:

- Đóng cầu dao CD cấp nguồn cho biến áp;

- Thay đổi vị trí của chuyển mạch CM lần l−ợt qua các vị trí từ 1 đến

4 ở mỗi vị trí của chuyển mạch đọc số chỉ của Vôn kế V1 và V3 Ghi kết quả vào bảng;

- Đặt chuyển mạch CM ở vị trí số 2 Điều chỉnh biến trở R3 để thay

đổi dòng điện tải Mỗi lần điều chỉnh đọc số chỉ của vôn kế V3 và miliampekế mA Ghi kết quả vào bảng;

- Từ kết quả thí nghiệm vẽ các đặc tính Ura=f(Uv) và Ura=f(It);

- Từ kết quả thí nghiệm tính hệ số ổn định của mạch theo biểu thức 1)

(2-2.1.3 2 Mạch ổn áp kiểu tham số có tranzito mắc nối tiếp

3

V

BJT

Hình 2-8 Sơ đồ thí nghiệm mạch ổn áp có tranzito mắc nối tiếp

Trong bài thí nghiệm này vẫn chọn điện áp vào U V = ( 18 ữ 24 )V , điện áp ra

V

U

U ra = t = 12 , dòng tải trung bình I t =500mA.

Điện áp vào trung bình là :

V U

max

=

Chọn tranzito có :

9 ) 12 21 (

5 , 0 2 2 ) (

2

2 2

; 1 2 max

max

W U

U I U

I P P

A I I

ra VTB t CE C T C

t C

500

mA I

I Z = B = =VËy chän ®i«t Zener cã c¸c th«ng sè :

100

; 6 , 12 6 , 0 12 max mA I

V U

U U

Z

BE ra Z

=

= +

= +

=

TÝnh ®iÖn trë R1 :

300 10

).

10 20 (

12 21

3 1

+

−

= +

ra VTB R

ra VTB

I I

U U I

U U R

C«ng suÊt cña ®iÖn trë R1:

W R

I R I k

12 3

Chän R2 = 20 Ω vµ R3 lµ biÕn trë 10 Ω, suy ra dßng t¶i lín nhÊt :

mA A

C«ng suÊt cña ®iÖn trë R2:

W R

I k

P R at. t 2 0 , 6 2 20 14 , 4

2 2 max

Công suất của biến trở R3:

W R

I k

P R3 ≥ at. t2max. 3 = 2 0 , 62 10 = 7 , 2Các tụ lọc chọn C1= 1000 àF − 100V;C2 = 470 àF− 50V.

Nhiệm vụ thí nghiệm:

- Đóng cầu dao CD cấp nguồn cho biến áp;

- Thay đổi vị trí của chuyển mạch CM lần l−ợt qua các vị trí từ 1 đến

4 ở mỗi vị trí của chuyển mạch đọc số chỉ của Vôn kế V1 và V3 Ghi kết quả vào bảng;

- Đặt chuyển mạch CM ở vị trí số 2 Điều chỉnh biến trở R3 để thay

đổi dòng điện tải Mỗi lần điều chỉnh đọc số chỉ của vôn kế V3 và miliampekế mA Ghi kết quả vào bảng;

- Từ kết quả thí nghiệm vẽ các đặc tính Ura=f(Uv) và Ura=f(It);

- Từ kết quả thí nghiệm tính hệ số ổn định của mạch theo biểu thức 1)

(2-2.1.3 3 Mạch ổn áp kiểu tham số có tranzito mắc Đa-ling-tơn

Trong bµi thÝ nghiÖm nµy vÉn chän ®iÖn ¸p vµo U V = ( 18 ÷ 24 )V , ®iÖn ¸p ra

V

U

U ra = t = 12 , dßng t¶i trung b×nh I t =500mA.

§iÖn ¸p vµo trung b×nh lµ :

V U

5 , 0 2 ) (

2

2 2

; 1 2 max 1

max 1

W U

U I U

I P P

A I I

ra VTB t CE C T C

t C

500 1 1

166 , 0 3 , 8 10 10 2 ] )

.[(

2

2 2

; 20 10 2 2

3 1

1 2 2 max

2

1 max

2

W U

U U I U

I P P

mA I

I

BE ra VTB B

CE C T C

B C

500 2

I Z = B = =VËy chän ®i«t Zener cã c¸c th«ng sè :

1 4

; 2 , 13 6 , 0 6 , 0 12 max

2 1

mA I

I

V U

U U U

Z Z

BE BE ra Z

=

=

= + +

= +

+

=

Theo [5] chọn điôt ổn áp loại D813 có thông số định mức UZ=13V;

IZ=5mA; IZmin=3mA; IZmax=20mA

Với IZ=5mA và IB2=0,2mA suy ra I R1 =I Z +I B2 = 5 , 2mA

Tính điện trở RB :

1538 10

2 , 5

13 21 3 1

R

Z VTB I

U U

Công suất của điện trở R1:

W R

I R I k

P R at. R 2 R 2 ( 5 , 2 ) 2 10 6 1500 0 , 081

1 2 1 1

2 1

12 3

2

t

ra I

U R R

Chọn R2 = 20 Ω và R3 là biến trở 10 Ω, suy ra dòng tải lớn nhất :

mA A

Công suất của điện trở R2:

W R

I k

P R2 ≥ at. t2max. 2 = 2 0 , 62 20 = 14 , 4Công suất của biến trở R3:

W R

I k

P R3 ≥ at. t2max. 3 = 2 0 , 62 10 = 7 , 2Các tụ lọc chọn C1= 1000 àF − 100V;C2 = 470 àF− 50V.

Nhiệm vụ thí nghiệm:

- Đóng cầu dao CD cấp nguồn cho biến áp;

- Thay đổi vị trí của chuyển mạch CM lần l−ợt qua các vị trí từ 1 đến

4 ở mỗi vị trí của chuyển mạch đọc số chỉ của Vôn kế V1 và V3 Ghi kết quả vào bảng;

- Đặt chuyển mạch CM ở vị trí số 2 Điều chỉnh biến trở R3 để thay

đổi dòng điện tải Mỗi lần điều chỉnh đọc số chỉ của vôn kế V3 và miliampekế mA Ghi kết quả vào bảng;

- Từ kết quả thí nghiệm vẽ các đặc tính Ura=f(Uv) và Ura=f(It);

- Từ kết quả thí nghiệm tính hệ số ổn định của mạch theo biểu thức 1)

(2-2.1.3 4 Mạch ổn áp kiểu tham số có tranzito mắc song song

1

C

2

C BJT

2

V

3

R Dz

ra U ra =U t = 12V, dòng tải trung bình I t =500mA.

Điện áp vào trung bình là :

V U

2

; 1 2 max

max

W U

I P P

A I I

ra C T C

t C

Dßng ®iÖn qua ®i«t æn ¸p:

20 175

500 7 ) 10 5 ( ) 10 5

40 2

; 4 , 11 6 , 0 12

I

V U

U U

Z Z

BE ra Z

I I I

I R1 = C+ t + Z = 500 + 500 + 20 = 1020 = 1 , 02TrÞ sè ®iÖn trë R1 b»ng :

12 1

1

R

ra iTB

I

U U

C«ng suÊt cña ®iÖn trë R1:

W R

I R I k

P R1 = at. R21. 1 = 2 R21. 1 = 2 ( 1 02 )2 12 = 25Dßng qua ®iÖn trë R2:

mA I

I

I R Z B 17 , 14

175

500 20

6 , 0 3 2

I R I k

12 4

Chän R = 20 Ω vµ R4 lµ biÕn trë 10 Ω, suy ra dßng t¶i lín nhÊt :

mA A

Công suất của điện trở R3:

W R

I k

P R3 ≥ at. t2max. 3 = 2 0 , 62 20 = 14 , 4Công suất của biến trở R4:

W R

I k

P R4 ≥ at. t2max. 4 = 2 0 , 62 10 = 7 , 2Các tụ lọc chọn C1= 1000 àF − 100V;C2 = 470 àF− 50V.

Nhiệm vụ thí nghiệm:

- Đóng cầu dao CD cấp nguồn cho biến áp;

- Thay đổi vị trí của chuyển mạch CM lần l−ợt qua các vị trí từ 1 đến

4 ở mỗi vị trí của chuyển mạch đọc số chỉ của Vôn kế V1 và V2 Ghi kết quả vào bảng;

- Đặt chuyển mạch CM ở vị trí số 2 Điều chỉnh biến trở R3 để thay

đổi dòng điện tải Mỗi lần điều chỉnh đọc số chỉ của vôn kế V2 và miliampekế mA Ghi kết quả vào bảng;

- Từ kết quả thí nghiệm vẽ các đặc tính Ura=f(Uv) và Ura=f(It);

- Từ kết quả thí nghiệm tính hệ số ổn định của mạch theo biểu thức 1)

(2-2.2 Bài thí nghiệm về mạch ổn áp một chiều có khâu điều chỉnh (ổn áp có hồi tiếp)

2.2.1 Mục đích thí nghiệm

Khảo sát tính chất ổn định điện áp một chiều trên tải của mạch ổn áp kiểu bù trừ nối tiếp khi điện áp nguồn và điện trở tải thay đổi

2.2.2 Cơ sở lý thuyết

Khi yêu cầu dòng ra tải lớn, phải chọn điôt có dòng lớn Điôt Zener chỉ thích hợp với bộ chỉnh lưu công suất nhỏ Để thoả m(n các yêu cầu cao hơn về mặt ổn áp, ổn dòng cũng như công suất ra, người ta dùng các mạch ổn định có hồi tiếp Mạch ổn áp có khâu hồi tiếp còn được gọi là mạch ổn áp phao hay mạch ổn áp thả nổi

Nguyên tắc hoạt động của các sơ đồ ổn định có hồi tiếp được biểu diễn trên hình 2-11

Hình 2-11 Sơ đồ khối mạch ổn áp có khâu hồi tiếp Trong sơ đồ khối hình 2-11, một phần điện áp (hoặc 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 dần đến giá trị chuẩn

Trên hình 2-12 là sơ đồ ổn áp có hồi tiếp dạng đơn giản (còn gọi là mạch ổn áp phao hay ổn áp thả nổi)

Hình 2-12 Sơ đồ nguyên lý mạch ổn áp có khâu hồi tiếp

Trong đồ BJT1 là phần tử điều khiển đồng thời làm nhiệm vụ khuếch đại công suất BJT2 vừa là phần tử khuếch đại vừa mang tính chất nh− một phần tử so sánh, nó đ−ợc mắc theo sơ đồ emitơ chung có hồi tiếp âm về dòng điện trên rZ (rZ là điện trở của điôt Zener DZ) Phân áp

R3-VR-R4 lấy mẫu điện áp ra Điôt ổn áp DZ tạo điện áp chuẩn

Nguyên lý làm việc của sơ đồ : khi Ura giảm thì qua bộ phân áp R3, VR và

R4 điện áp cực gốc BJT2 là UB2=UZ+UBE2 cùng giảm Vì UZ không đổi nên

UBE2 giảm theo khiến cho tranzito BJT2 dẫn yếu đi làm cho UCE2 tăng, do đó

UB1 tăng, BJT1 dẫn mạnh hơn, UCE1 giảm và điện áp ra Ura tăng trở lại

Nh− vậy, nhờ vòng hồi tiếp, điện áp ra Ura đ−ợc điều chỉnh sao cho :

2 4

3

4 //

R VR R

R R

+ +

+ + +

=

4 //

4 3

2 ) (

R R

R VR R U U

Mạch khuếch đại có khâu hồi tiếp có thể sử dụng khuếch đại thuật toán nh− hình 2-13

R BJT

E C

Hình 2-13 Mạch ổn áp có khâu hồi tiếp dùng khuếch đại thuật toán

Từ sơ đồ hình 2-13 ta có:

+ +

=

=

−

2 //

2 1

R R R R R

U U

R R

R R R U U

2

2 1

+

+ +

=

→

= +

Vậy điện áp ra bằng:

const U

R R

R R

2

/ 1

1 (2-9) Trong thực tế, mạch ổn áp còn có thể có thêm các khâu phụ trợ khác nh− khâu tạo hàm điều chỉnh PI, khâu hạn chế dòng v.v… Hình 2-14 là một sơ đồ một bộ nguồn ổn áp thực tế

Ω

k

, 4

Ω

k

, 3

Ω 10

Ω

k

2 , 1

Ω 470

Ω 1 , 0

Hình 2-14 Sơ đồ nguyên lý một bộ nguồn ổn áp thực tế

Trong sơ đồ, IC1 làm nhiệm vụ so sánh và khuếch đại sai lệch Hai tín hiệu vào của mạch này là điện áp chuẩn được điều chỉnh bởi chiết áp VR và

điện áp lấy mẫu lấy từ phân áp R17, R18 Điện áp ra của IC1 được đưa tới đầu vào của bộ tích phân tỷ lệ (PI) tạo bởi IC2 Tín hiệu ra của khâu này đưa tới

đầu vào đảo của IC3 Đầu vào không đảo của IC3 còn có tín hiệu điện áp từ bộ cảm biến dòng qua điện trở R9 Nếu dòng tải nhỏ hơn 0,5A thì điện áp đưa tới

đầu không đảo của IC3 sẽ bằng 0, hệ số khuếch đại của IC3 lúc này chỉ được xác định bởi tỷ số –R11/R8

Điện áp ra của IC3 qua R12 đưa tới cực gốc của BJT1 điều khiển BJT1 dẫn mạnh hay yếu Điều này lại làm cho BJT2 và BJT3 thay đổi độ dẫn điện

để tự động duy trì điện áp ra được ổn định Tranzito công suất BJT3 được mắc theo sơ đồ tải cực phát (Emitter Follower) Cực góp BJT3 nối tới điện áp 30V hai điện trở R17, R18 nối giữa cực phát và mass tạo thành mạch lấy mẫu điện

áp ra Điện áp ra Ura bằng điện áp trên điện trở R16 trừ đi điện áp UBE của tranzito BJT3

Mạch ổn áp dùng IC

Hiện nay có rất nhiều mạch ổn áp sử dụng các loại IC ổn áp Các IC ổn

áp cũng chứa nguồn điện áp chuẩn, khuếch đại so sánh, phần tử điều khiển bảo vệ quá tải Tất cả được tích hợp trong một IC đơn lẻ Điện áp ổn định cũng

có thể điều chỉnh được hoặc cố định Dòng tải của các IC từ hàng trăm mA

đến hàng chục A, do đó rất phù hợp với nhiều mạch thiết kế yêu cầu gọn nhẹ

IC họ 78xx là ổn áp nguồn dương, IC họ 79xx là ổn áp nguồn âm Hai số sau ghi là xx chỉ điện áp ra được ổn định

C

à 33 , 0

a)

F

C

à 33 , 0

b) Hình 2-15 Mạch ổn áp dùng IC

Có thể kết hợp hai loại 78XX và 79XX để tạo ra bộ nguồn l−ỡng cực nh− sơ đồ hình 2-16

F

C

à 33 , 0 1

2 3

3

1

C F

à 1000

F

à 1000

F

C

à 1 , 0 2

F

C

à 1 , 0 2

C

à1,0

2

Hình 2-17 Giải pháp tăng điện áp ra của IC ổn áp Điện áp ra của sơ đồ hình 2-17 bằng:

Z XX

1

F

C

à1

= +

=

≈

R

U I I I R

U I I I

C C EB B

1 2

R

U I

I I

3,0

( ) A

5 , 0

3 , 0 10 1 10

1 + ư = ư =

Hiện nay người ta còn chế tạo ra ổn áp ba chân có thể điều chỉnh

điện áp ra bằng mạch điều chỉnh đặt bên ngoài IC rất tiện dụng Khả năng điều chỉnh điện áp ở ngõ ra của các loại IC này từ 1,2 đến 25 V Loại IC ổn áp dương có LM 117/217/317

25,1

1

2 1

V R

R R

Hình 2-20 Mạch thí nghiệm ổn áp có khâu điều chỉnh dùng tranzito

Trong bài thí nghiệm này chọn thiết kế mạch ổn áp có khâu hồi tiếp có yêu cầu: điện áp tải ổn định Ura=Ut=12V; dòng tải It=1 A

Điều kiện cần thiết phải có của điện áp vào là :

U V = ( 1 , 5 ữ 2 )U ra suy ra :

24 12 2

; 18 12 5 ,

12 21 ( ).

(

P T = VTB− ra t = − =Chọn tranzito BJT1 có công suất cực đại :

18 9 2 2

; 2 2 1 max

1

max 1

W P

P

A I I

T C

t C

1

=

=

Theo [5] chän ®i«t Zener lo¹i KC156A cã UZ=5,6V; IZ=10mA;

Izmin=3mA; IZmax=55mA

Dßng ®iÖn IR qua cÇu ph©n ¸p R3-VR-R4 ®−îc chän sao cho cã trÞ sè rÊt nhá so víi dßng t¶i It :

100

1100

2

mA A

I

I R = t = = − =

Tæng ®iÖn trë cña cÇu ph©n ¸p b»ng :

.120010

.10

12

3 4

R

t I

U R VR R

Chän R3=300Ω, R4=400 Ω vµ biÕn trë VR=500Ω

C«ng suÊt cña c¸c ®iÖn trë:

W R

I k

4 2

I B = R = = − =

−

Theo [5] chọn tranzito loại 2SC837 có Icmax=20mA, Pcmax =250mW, 40

=

Suy ra dòng điện IE2 là :

.41,0.40 2

2

I E ≈β B = =Dòng điện qua điôt Zener được chọn lớn hơn khoảng hai đến ba lần dòng IE2 để dòng IZ được ổn định và ít bị ảnh hưởng theo điện áp vào UV Chọn : I Z =2,5I E2 =2,5.4=10mA phù hợp với điôt đã chọn

Suy ra dòng điện qua điện trở R2 là IR2 bằng :

6 4 10

6

6 , 5 12 3 2

R

Z ra

I

U U

Công suất của điện trở R2:

W R

I k

P R2 ≥ at R2 2 = 2.0,0062.1000 =0,072Dòng điện qua điện trở R1 bằng :

24 50

10 1 4

3

1 2 1

1 2 1 2

E C E B C

β β

Tính trị số điện trở R1 :

350 10

24

) 6 , 0 12 ( 21 ) (

3 1

1

R

BE ra VTB

I

U U U

R

Công suất của điện trở R1:

W R

I k

P R1 ≥ at R2 1 = 2.0,0242.350 = 0,4

Điện trở tải được chọn :