mạch bảo vệ dòng, áp hay cho người học
http://www.ebook.edu.vn 1 Chương 1 ỔN ÁP NGUỒN MỘT CHIỀU Nguồn ổn áp dùng để tạo ra cấp cho tải V o có trị số ổn định không tùy thuộc theo điện áp ngõ vào V I & trị số của điện trở tải . § .1.1. NGUYÊN TẮC ỔN ÁP * Khối điện áp chuẩn: (V R ) Điện áp chuẩn V R là cơ sở cho việc ổn áp chuẩn để trực tiếp điều khiển điện áp ngõ ra V o . * Khối điện áp phản hồi: (V S ) Khi ngõ ra có điện áp bị thay đổi sẽ làm điện áp phản hồi bị thay đổi so với điện áp chuẩn (V R ). * Khối khuếch đại sai lệch: Được so sánh giữa điện áp chuẩn với điện áp phản hồi để làm thay đổi trạng thái dẫn điện của phần tử điều khiển . * Phần tử điều khiển : Là linh kiện điện tử công suất được coi như 1 tổng trở có trị số tùy thuộc ngõ ra của mạch khuếch đạ i . § .1.2. MẠCH ỔN ÁP DÙNG DIOD ZENER Chỉ dùng cho các lọai tải có công suất nhỏ V o = V Z = hằng số. R OI I VV R − = Trong đó V I là trị trung bình : V I = ( 1,5 ÷ 2 )V o Chọn I Z = I L V S Phần tử điều khiển Khối điện áp chuẩn Khối điện áp phản hồi Khối khuếch đại sai lệch V i V o - + R C D Z U CC R L V S Phần tử điều khiển Khối điện áp chuẩn Khối điện áp phản hồi Khối khuếch đại sai lệch V i V o http://www.ebook.edu.vn 2 Vậy I R = I L +I Z Công suất điện trở : P R = 2P L = 2 RI 2 L Chọn Diod Zener V Z = V L I Zmax ≥ 4I L Mạch này có nhược điểm là khó thực hiện trong thực tế đối với tải có công suất lớn . § .1.3. MẠCH ỔN ÁP DÙNG TRANSISTOR 1.3.1.ỔN ÁP NỐI TIẾP V o = V B – V BE Trong đó V B = V Z = hằng số ⇒ V o = V Z – V BE = hằng số (V BE =0,6V ÷ 0,7V ) Vậy điện áp ra được ổn định & chỉ tùy thuộc vào V Z . Để mạch họat động tốt vẫn phải Có điều kiện: V I = ( 1,5 ÷ 2 )V o Chọn Diod zener : I Z ≥ (1 ÷ 2 )I B I R = I Z + I B R Zi B I VV R − = - Chọn Transistor với các thông số sau: I Cmax ≥ 2I L P C = I C V CE = I L ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − Oi VV _ - Chọn Transistor có công suất tiêu tán cực đại là: P Cmax ≥ 2P C Ví dụ: Cho mạch ổn áp nối tiếp có V I = (18V → 24V) .Yêu cầu điện thế ra ổn áp là V o =12V & dòng tải trung bình I L = 500mA . Cho biết transistor có β = 50 . Giải: - Điện áp vào trung bình là : V VV V i 21 2 2418 = + = - Dòng điện tải qua transistor: I C = I L =500mA ⇒ Dòng điện nền : mA mAI I C B 10 50 500 === β D z - + R T U CC R L V S Phần tử điều khiển Khối điện áp chuẩn Khối điện áp phản hồi Khối khuếch đại sai lệch V i V o http://www.ebook.edu.vn 3 - Chọn dòng qua Diod zener : I Z = 2I B = 2 x 10mA = 20mA Vậy chọn Diod zener có các thông số : V Z = V o + V BE = 12V + 0,6V = 12,6V I Zmax ≥ 4I Z ⇒ I Zmax = 80mA Tính điện trở R Ω= + − = + − = − = 30 1020 1221 mAmA VV II VV I VV R BZ O i R O i - Chọn transistor : I Cmax ≥ 2I C ≥ 1A P C = I C V CE = 500mA(21V – 12V) = 4,5W Chọn P Cmax = 2P C = 2 x 4,5W = 9W 1.3.2. ỔN ÁP SONG SONG Điều kiện V i = ( 1,5 ÷ 2 )V o V o = V Z + V BE = hằng số Vậy V o được giữ ổn định mà chỉ tùy thuộc vào V Z . Chọn I C = I L Mà I = I C + I L Tính I VV R O i − = Chọn Diod zener: I Z = ( 5 ÷ 10 )I B V Z = V O - V BE I Zmax = 2I Z 1.3.3. MẠCH ỔN ÁP PHAO I B I I L I C I Z R B D z T R - + U CC R L I Z I L I 34 I 2 R 4 R 3 R 2 R L R 1 I B2 D z T 2 T 1 - + U CC http://www.ebook.edu.vn 4 OS V RR R V 43 4 + = V S = V Z + V BE 4 43 )( R RR VVV BEZO + += = hằng số. Vậy điện áp ra ổn định theo V Z & cầu phân áp R 3 , R 4 . V O = V i – V CE1 V CE1 = V R + V BE1 Khi V I ∨ ∏ V O ∨ ∏ V S ∨ ∏ T 2 dẫn mạnh ∏ I C2 ∨ ∏ V R1 ∨ ∏ V CE1 ∨ ∏ V O ¬. Ví dụ: Cho mạch ổn áp phao có yêu cầu sau: V O =9V , I L = 1A. Tìm giá trị điện trở trong mạch & chọn các thông số cho linh kiện. Giải: Điều kiện điện áp vào: V i =(1,5 ÷2) V O V i = 1,5V O ÷2V O = 1,5 x 9V ÷ 2 x 9V ⇒ V VV V i 75,15 2 185,13 = + = - Công suất tiêu tán trên Transistor T 1 : P C1 WAVVIVVIVP LOiCCEC 75,61).975,15()( 111 =−=−== - Chọn transistor có công suất tiêu tán cực đại : P Cmax P Cmax = 2P C = 13,5W. - Chọn Diod zener có : VVV OZ 5,4 2 1 == - Dòng điện qua cầu phân áp R 3 ,R 4 được chọn sau cho có trị số rất nhỏ so với dòng tải để coi như không đáng kể. - Chọn mA AI I L R 10 100 1 100 34 === - Vậy ta có thể tính tổng trở của cầu phân áp: Ω===+ 900 10 9 34 43 mA V I V RR R O Mà ta có V S = V Z + V BE2 ( Chọn V BE2 = 0,7V) - V S = 4,5V + 0,7V = 5,2V - Chọn dòng I B2 của transistor T 2 rất nhỏ so với I R34 để không ảnh hưởng đến cầu phân áp. - Chọn A mAI I R B μ 100 100 10 100 2 === ⇒ Điện trở Ω== 520 34 4 R S I V R (1) ⇒ R 3 + R 4 =900Ω - R 3 = 380Ω Vậy T 2 có β =50 ⇒ I E2 = βI B2 = 50 x 0,1mA = 5mA. http://www.ebook.edu.vn 5 Chọn I Z = (2 ÷ 3)I E2 Nếu chọn I Z = 3I E2 = 3 x 5mA = 15mA. ⇒ Dòng qua R 2 là: I R2 = I Z – I E2 = 10mA - Tính trị số điện trở R 2 là: V R2 = V O - V Z Ω= − = − = 450 10 5,49 2 2 mA VV I VV R R ZO - Dòng điện qua R 1 là: I R1 = I E2 + I B1 Chọn transistor T 1 có β =50 - mA AI I C B 20 50 1 1 1 1 === β - I R1 = 5mA + 20mA = 25mA. - Tính điện trở R 1 : )( 11 OBE i R VVVV +−= ( Chọn V BE1 = 0,7V) - Ω= +− = +− = 242 25 )97,0(75,15)( 1 1 1 mA VVV I VVV R R OBEi 1.3. 4. MẠCH ỔN ÁP CÓ ĐIỆN ÁP NGÕ RA THAY ĐỔI ĐƯỢC: §.1.4. MẠCH ỔN ÁP DÙNG OP-AMP 1. GIỚI THIỆU: Khuếch đại thuật tóan còn gọi là op_amp (Operational Amplifier) là bộ khuếch đại DC có hệ số khuếch đại A V rất cao, thường được chế tạo dưới dạng tích hợp . Cấu tạo bên trong của Op-amp rất phức tạp ,tích hợp gồm nhiều linh kiện như: transistor, điện trở, diod, . . . . và ngõ ra là tầng khuếch đại công suất. 2. ON ÁP DC DÙNG OP_AMP Hình bên là mạch ổn áp dùng op-amp ,trong mạch op_amp đóng vai trò là mạch khuếch đại sai lệch và ngõ ra cấp dòng cho cực B của transistor T lái dòng tải. V R I Z I L I 34 I 2 R 4 R 3 R 2 R L R 1 I B2 D z T 2 T 1 - + U CC R 1 R 3 R 2 R L D Z T +V CC http://www.ebook.edu.vn 6 Trong mạch Op-amp đóng vai trò là mạch khuếch đại sai lệch và ngõ ra cấp dòng cho cực B của transistor T lái dòng tải. Ta có : Li V RR R V 21 1 + = Giả sử Op-amp là lý tưởng thì V i = V Z ⇒ ConstV R RR V ZO = + = 1 21 ( Không phụ thuộc vào dòng tải I L ) dòng điện qua tải : I O = I E1 = βI B1 Công suất tiêu tán trên Transistor T: P C = (V CC – V O ).βI B1 Để điều chỉnh điện áp ra ,ta có thể thay mạch tạo áp chuẩn V Z dùng diod zener bằng mạch kết hợp Op-amp và diod zener. Ứng dụng mạch cung cấp nguồn thay đổi được: Nguồn cung cấp ổn định 3V → 30V , 0 → 1A. Mạch có khả năng cấp điện áp ra thay đổitừ 3V đến 30V với dòng lên đến 1A. Nguồn cung cấp cho mạch từ 40V đến 45V chưa ổn định .Điện áp này được đưa trực tiếp đến các cực C của các Transistor T 1 và T 2 ,nhưng lại gián tiếp cung cấp cho bộ khuếch đại thuật tóan (BKĐTT) qua R 1 và diod zener D Z1 . +V CC VR R D Z VR +V CC R D Z R 2 R 1 +V CC R 3 D Z1 R 2 R 1 R 4 R 5 R 6 R 7 R 8 741 T 1 T 2 D Z2 V o http://www.ebook.edu.vn 7 Điện áp ra 33V đã ổn định của D Z1 cũng được dùng để tạo ra điện áp chuẩn D Z2 và do đó tạo ra được điện áp chuẩn 3V có độ ổn định rất cao . Transistor T 1 và T 2 được mắc theo kiểu Darlington với đầu vào của BKĐTT và tổ hợp Transistor tạo thành mạch khuếch D.C không đảo với độ lợi thay đổi được ,nhờ bộ phân áp R 6 – R 7 – R 8 .Bộ phân áp này cho phép thay đổi độ lợi từ 1 đến 10 .Điện áp ra thay đổi từ 3V đến 30V ,với dòng ra tới 1A rất ổn định. Nhược điểm của mạch này là không có bảo vệ ngắn mạch ,do đó mạch có thể hư hỏng nếu đầu ra bị ngắn mạch .Có giải pháp là đưa vào 1 cầu chì mắc nối tiếp với đầu ra nhưng hay hơn hết là thêm 1 mạch bảo v ệ ngắn mạch như hình dưới. Về cơ bản mạch chỉ thêm cảm biến dòng 0,6Ω mắc nối tiếp với ngõ ra và transistor hạn dòng T 3 nối giữa cực Nền T 1 và cực Phát T 2 .Nguyên tắc họat động rất đơn giản : T 3 là transistor lọai Si và cần có 1 điện áp thuận ở cực B – E lớn hơn 0,6V để dẩn .Điện áp ở cực B –E này được lấy trên điện trở 0,6 Ω và độ lớn của nó tùy thuộc vào dòng ra của mạch này Thông thường dòng ra của mạch này nhỏ hơn 1A dòng này chạy qua R 9 tạo ra điện áp rơi trên trên R 9 nhưng chưa đủ để T 3 dẩn và T 3 xem như hở mạch và không có ảnh hưởng gì đến họat động của mạch .Nếu có ngắn mạch ,dòng ra sẽ tăng trên 1A và tối thiểu có 0,6V rơi trên R 9 ,làm T 3 dẫn và tác động như 1 điện trở song song mắc giữa cực Nền T 1 với cực Phát T 2 ,làm cho T 1 và T 2 tắt ,vì vậy làm giảm dòng ra của mạch .Thực tế ,khi xảy ra ngắn mạch dòng ra tự động giới hạn tới mức 1A .Như vậy ,có thể thay đổi từ 3V đến 30V với dòng lên đến 1A ,nhưng có thêm chức năng tự động bảo vệ ngắn mạch ,do đó sẽ không bị hư hỏng khi ngắn mạch ở đầu ra. §.1.5. VI MẠCH ỔN ÁP 3 CHÂN 1.5.1. Vi m ạch ổn áp dương điện áp (họ 78XX) Vi mạch 78XX là vi mạch ổn áp dương cho điện áp ngõ ra dương. 78 ⇒ Biểu thị cho ổn áp dương (+). XX ⇒ Biểu thị điện áp ngõ ra. Ví dụ: 7805 ⇒ cho ra điện áp dương 5V. Dạng vỏ ngòai và ký hiệu chân Chân 1 : Ngõ vào (input) Chân 2 : Nối mass (GND) +V CC 40V÷4 R 3 3.9K D Z1 33V/1 W R 2 10 K R 1 1K R 4 2.7K R 5 470 R 6 10 R 7 470 R 8 1K 741 D Z2 6,8V T 1 2N305 4 T 2 2N3055 V o R 9 0.6/1W + C 1 100 μ OUT 3 ÷30V 0 ÷1A T 3 2N3704 2 3 7 4 6 http://www.ebook.edu.vn 8 Chân 3 : Ngõ ra (output) Dòng ra cực đại của họ vi mạch 78XX * 78LXX (Low power) : I max = 100mA. * 78MXX (Medium power) : I max = 500mA. * 78XX : I max = 1A ÷ 1,5A. * 78HXX (High power) : I max = 5A. * 78PXX (Puissance power) : I max = 10A. Bảng mã số điện áp ra Mã số Điếnap ngõ ra (V) 7805 7806 7809 7812 7815 7818 7824 5V 6V 9V 12V 15 18V 24V Cách mắc mạch điện Dạng mạch điện dùng vi mạch ổn áp 3 chân như hình trên trong đó tụ C I được thêm vào khi vi mạch đặt xa nguồn chỉnh lưu và lọc (nguồn DC chưa ổn định ) để ổn định điện áp ngõ vào có giá trị khỏang 0,33μF .Tụ điện ngõ ra C o khỏang vài nF để lọc nhiễu cao tần do các xung nhọn có thể làm hỏng các vi mạch . Điện áp ngõ vào V min = V O + 2V V imax =35V Vậy V o + 2V ≤ V I ≤ 35V 1.5.1. VI MẠCH ỔN ÁP ÂM ĐIỆN ÁP (HỌ 79XX) Vi mạch 78XX là vi mạch ổn áp dương cho điện áp ngõ ra dương. 79 ⇒ Biểu thị cho ổn áp âm (-). XX ⇒ Biểu thị điện áp ngõ ra. Ví dụ: 7915 ⇒ cho ra điện áp âm -15V . Dạng vỏ ngòai và ký hiệu chân 7812 1 2 3 IN OUT V i V o GND http://www.ebook.edu.vn 9 Chân 1 : Nối mass (GND) Chân 2 : Ngõ vào (input) Chân 3 : Ngõ ra (output) Dòng ra cực đại của họ vi mạch 79XX * 79LXX (Low power) : I max = 100mA. * 79MXX (Medium power) : I max = 500mA. * 79XX : I max = 1A ÷ 1,5A. * 79HXX (High power) : I max = 5A. * 79PXX (Puissance power) : I max = 10A. Bảng mã số điện áp ra Mã số Điến áp ngõ ra (V) 7905 7906 7909 7912 7915 7918 7924 -5V -6V -9V -12V -15V -18V -24V Cách mắc mạch điện Điện áp ngõ vào V min = V O - 2V V imax = -35V Vậy -35V ≤ V I ≤ V o - 2V 1.5.2. ỨNG DỤNG +) Mạch nguồn ổn áp 15V – 1A dùng 7812 7912 1 2 3 IN OUT V i V o GND 2 1 3 2 x 1N4002 1,5Ω/10W 7812 1KΩ 500 Ω 100 μ F 50V 0,22 μ F 1 2 3 V o = 15V I max = 1A http://www.ebook.edu.vn 10 Biến thế nguồn có điện ra ở cuộn thứ cấp là 36V có chấu giữa (mỗi bên 18V) .Biến trở 500 Ω dùng để điều chỉnhlúc đầu để có điện áp ra 15V .IC 7812 phải lắp cánh Nhôm giải nhiệt tốt. +) Mạch nguồn ổn áp 12V – 5A dùng 7812 Bộ nguồn dùng IC 7812 cần phải gắn giải nhiệt với Transistor T 2 dùng để nâng định mức dòng điện lên 5A .Có bảo vệ đầy đủ cho ngắn mạch tải (bằng giới hạn dòng T 1 và điện trở 0,3 Ω ) .Ngõ ra giảm xuống tức thời khi dòng điện ra vượt quá 5A , điện trở 0,3 Ω /60W .Biến thế cuộn thứ cấp có định mức 18V/8A. +) Mạch nguồn ổn áp 5V – 2A dùng 7805 Mạch nguồn ổn áp 5V – 2A có bảo vệ ngắn mạch .Transistor 3055 phải gắn giải nhiệt .Khi dòng ngõ ra vượt quá 2A làm áp rơi trên địện trở 0,22Ω lớn đủ để phân cực cho transistor A1015 dẫn cho dòng kích cho SCR 100-6 dẫn cấp dòng cho relay K tác động làm mở tiếp điểm thường đóng K ngắt nguồn ở ngõ ra. +) Mạch nguồn ổn áp kép ± 15V dùng 7805 và 7915 Nếu có tải chung giữa 2 nguồn thì có thể xảy ra sự khóa mạch .Sự khóa mạch này xảy ra vì ổnáp 3 chân không chịu được điếnap ngược 1ớn hơn điện áp thuận sụt trên 1 diod .Để ngăn ngừa sự khóa mạch này ,thiết kế tốt nhất là đặt diod phân cực ngược ở mỗi ngõ ra của nguồn kép .Các diod sẽ không cần thiết nếu dùng tải từ đầu ra so với đất ,s ự khóa mạch 2 x 1N4002 T 2 HEP57003 3Ω 5W 0,3Ω 5000 μ F 50V 0,02 μ F 1 2 3 V o = 12V I max = 5A 5000 μ F 50V 7812 0,68 μ F 1nF 22 μ F 25V T 1 HEP5003 2N3055 4,7K/1W K 2200 μ F 50V 0,22 μ F V o = 5V I max = 2A 7812 1 2 3 0,22 Ω /5W 1N4007 1N4007 K MCR 100-6 2SA1015 [...]... MẠCH ỔN ÁP CÓ ĐIỆN ÁP RA THAY ĐỔI ĐƯỢC Mặc dù ta có thể dùng IC ổn áp 3 chân lọai cố định để dùng trong các mạch ổn áp điều chỉnh được ,nhưng dòng tĩnh IQ từ chân GND của IC ổn áp 3 chân lọai cố định ảnh hưởng đến sai số điện áp ra Do đó ,người ta chế tạo ra các IC ổn áp 3 chân điều chỉnh được vì lọai này có dòng tĩnh IQ từ chân ADJ (điều chỉnh) nhỏ hơn nhiều so với dòng tĩnh từ chân GND của lọai ổn áp. .. lọai ổn áp 3 chân cố định Có nhiều lọai IC ổn áp 3 chân điều chỉnh được như: - Lọai ổn áp dương có : LM 117 ,LM 217 ,LM 317 ,LM350 Lọai ổn áp âm có : LM 337 1.5.3.1 ĐỐI VỚI IC ỔN ÁP DƯƠNG : LM117 * Chân 1: Chỉnh mức điện áp ra (ADJ) * Chân 2: Cho điện áp vào (Input) * Chân 3: Cho điện áp ra (Output) 1 2 3 IC này có thể cấp dòng tải lên đến 1,5A mức điện áp ra thay đổi được trong khỏang từ 1,25V... xảy ra nếu 1 điện áp vào tăng nhanh hơn điện áp vào kia D1 1 2 μA7815 2200μF 50V 3 2200μF 50V 1 3 μA7915 Vo= +15V D3 0,22μF 0,22μF D4 Vo= - 15V 2 D2 Điều kiện khóa mạch thường ảnh hưởng đến ổn áp dương hơn là ổn áp âm Các diod này ngăn điện áp ngược đến IC ổn áp và bảo vệ khi mở nguồn Diod phải có định mức dòng ít nhấtằ2ng phân nữa của dòng ra Các diod D1,D2 dùng để bảo vệ IC ổn áp ,D3, D4 dùng để... này và bảo đảm ổn định ta dùng tụ hóa nhôm 10μF ở ngõ ra http://www.ebook.edu.vn 12 C1 là tụ lọc nguồn theo sau phần chỉnh lưu và phải được nối gần với ngõ vào của IC ổn áp để có được ổn định tốt Nếu ngõ vào bị ngắn mạch ,D1 sẽ rẽ dòng xả và bảo vệ IC ổn áp Tương tự ,cả D1 và D2 để cho C2 xả qua ,khi ngõ vào ngắn mạch Tụ ra C3 dùng để cải thiện áp ứng quá độ của ổn áp Trong cả 2 lọai ổn áp đều chỉnh... có công thức tính điện áp ra là: Vout = 1,25V (1 + R2 ) + I Adj R2 R1 Dòng IAdj rất nhỏ và không đổi (cỡ 100μA đối với LM117 và 50μA đối với LM317) ,do đó phần lớn ứng dụng có thể bỏ qua IAdj và khi đó: R2 ) R1 VO = 1,25V (1 + 1.5.3.1.ĐỐI VỚI IC ỔN ÁP ÂM : * Chân 1: Chỉnh mức điện áp ra (ADJ) * Chân 2: Cho điện áp ra (Output) * Chân 3: Cho điện áp vào (Input) IC này cấp mức điện áp ra thay đổi được trong... trạng thái an tòan Vin 3 LM337 IAdj Cin 0.1μ Vout 2 R1 240 1 Cout 1μ CAdj 10μ R2 Điện áp ngõ ra là: VO = −1,25V (1 + R2 ) R1 1.5.3.2 MỘT SỐ MẠCH ÚNG DỤNG: +) Mạch nguồn ổn áp điều chỉnh được (1,2V đến 17V )- 1,5A D1 1N4002 LM317 Vin 35V C1 2000μ F IAdj R2 5K R1 270 D2 1N4002 Vout 1,2V÷17V 1,5A C3 10μF C2 10μ Mặc dù LM317 ổn định không cần có tụ ngõ ra ,nhưng bất cứ mạch hồi tiếp nào ,điện dung bên ngòai... đều chỉnh được lọai dương (LM317) và lọai âm (LM337) có 1 diod bên trong đi từ ngõ ra về ngõ vào Nếu tổng điện dung ra nhỏ hơn 25μF ta có thể không dùng diod D1 +) Mạch nguồn ổn áp điều chỉnh từ 0V đến 35V Trong mạch dùng LM117là lọai IC chuẩn có điện áp ra chính xác là 1,22V ,có nhiễu rất thấp và độ ổn định nhiệt tốt Ta có: VO = 1,25V (1 + R2 ) − 1,2V R1 Vo có thể điều chỉnh được từ 0V đến +35V LM117 . V o = +15 V μA7 815 1 2 3 μA7 915 3 2 1 V o = - 15 V 2200 μ F 50V 0,22 μ F D 1 D 3 D 4 D 2 LM 117 1 2 3 LM 117 L LM 117 M LM 117 LM150 C in 0 .1 C out 1 R 2 R 1 240 C Adj . Chân 1 : Ngõ vào (input) Chân 2 : Nối mass (GND) +V CC 40 V 4 R 3 3.9K D Z1 33V /1 W R 2 10 K R 1 1K R 4 2.7K R 5 47 0 R 6 10 R 7 47 0 R 8 1K 7 41 D Z2 6,8V T 1 2N305 4 T 2 . nguồn ổn áp 15 V – 1A dùng 7 812 7 912 1 2 3 IN OUT V i V o GND 2 1 3 2 x 1N4002 1, 5Ω /10 W 7 812 1KΩ 500 Ω 10 0 μ F 50V 0,22 μ F 1 2 3 V o = 15 V I max = 1A http://www.ebook.edu.vn