Báo cáo đề tài học phần điện tử công suất thiết kế mạch chỉnh lưu ac – dc (thiết kế nguồn một chiều ổn p có điện p ra 6v)

BAN CƠ YẾU CHÍNH PHỦ HỌC VIỆN KỸ THUẬT MẬT MÃ KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG  BÁO CÁO ĐỀ TÀI HỌC PHẦN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Thiết kế mạch chỉnh lưu AC – DC (thiết kế nguồn chiều ổn p có điện p 6V) GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: ĐẶNG VĂN HẢI SINH VIÊN THAM GIA: ĐỖ CÔNG SƠN VŨ THỊ NGUYỆT NGUYỄN TIẾN DŨNG Hà Nội, Th Su, 30 Thng By 2021 Mc lc Lời nói đầu Đặt Vấn đề .3 My biến p .4 2.1 Định nghĩa my biến p 2.2 Cấu tạo my biến p 2.3 Nguyên lý hoạt động my biến p Mạch chỉnh lưu 3.1 Cc vấn đề chung mạch chỉnh lưu 3.2 Cấu trúc chung sơ đồ chỉnh lưu 3.3 Mạch chỉnh lưu nửa chu kì 3.4 Mạch chỉnh lưu c chu kì 10 Mạch lọc nguồn .14 Mạch ổn p 16 5.1 Khi niệm mạch ổn p 16 5.2 Nguyên lý hoạt động mạch ổn p 16 Thiết kế mạch chỉnh lưu AC – DC 18 Kết luận 22 7.1 Ưu, nhược điểm mạch .22 7.2 Kết qu đạt 22 Lời nói đầu Thực tế hầu hết cc ng dng điện tử sử dng nguồn điện chiều, nguồn cung cấp lại dòng điện xoay chiều Vì cc mạch chỉnh lưu sử dng bên mạch cấp nguồn hầu hết cc thiết bị điện tử Nhằm củng cố lại kiến thc kiểm chng lại lý thuyết mạch chỉnh lưu nói chung chỉnh lưu cầu pha nói riêng Nhóm chúng em lựa chọn đề tài “Thiết kế nguồn chiều ổn p có điện p 6V” để làm đề tài kết thúc học phần Điện tử công suất Với đề tài chọn, chúng em vận dng kiến thc để tìm hiểu nghiên cu cc sở lý luận lý thuyết, tính ton thiết kế phc v cho việc hoàn thiện sn phẩm Dưới hướng dẫn thầy Đặng Văn Hi với cố gắng nỗ lực cc thành viên nhóm chúng em hồn thành xong báo cáo Tuy nhiên thời gian kiến thc cịn hạn chế nên khơng trnh khỏi thiếu sót thực báo cáo Vì chúng em mong nhận nhiều ý kiến đnh gi, góp ý thầy gio, bạn bè để đề tài hoàn thiện Chúng em xin trân thành cm ơn! Đặt Vấn đề Trong cc mạch điện tử cc thiết bị Radio-Cassette, Âmlpy, Ti vi màu, Đầu VCD v v Chúng sử dng nguồn chiều DC cc mc điện p khc nhau, zắc cắm cc thiết bị lại cắm trực tiếp vào nguồn điện AC 220V 50Hz , cc thiết bị điện tử cần có phận để chuyển đổi từ nguồn xoay chiều điện p chiều cung cấp cho cc mạch trên, phận chuyển đổi bao gồm: • Biến áp nguồn: Hạ từ 220V xuống cc điện p thấp 6V, 9V, 12V, 24V v v • Mạch chỉnh lưu: Đổi điện AC thành DC • Mạch lọc: Lọc gợn xoay chiều sau chỉnh lưu cho nguồn DC phẳng • Mạch ổn áp: Giữ điện p cố định cung cấp cho ti tiêu th My biến p 2.1 Định nghĩa my biến p Máy biến áp thiết bị điện từ tĩnh, hoạt động theo nguyên lý cm ng điện từ, với mc đích biến đổi hệ thống dòng điện xoay chiều điện p thành hệ thống dòng điện xoay chiều điện p khc, với tần số không thay đổi 2.2 Cấu tạo my biến p Thơng thường my biến p bn cấu thành từ thành phần lõi thép dây quấn Và chúng có cc đặc điểm sau: • Với dây quấn chúng bao gồm cuộn dây sơ cấp nhận điện p đầu vào hay nhiều cuộn th cấp có nhiệm v đưa điện p thay đổi Cc vật liệu dây quấn thường làm đồng nhơm,… • Với lõi thép hay lõi sắt chúng khối hình chữ U loại my biến p có cuộn dây Khối cấu thành từ cc l thép kỹ thuật điện ghép lại với chúng phủ lên lớp silic có nhiệm v cch điện 2.3 Nguyên lý hoạt động my biến p Dựa vào định luật cm ng trường điện từ Faraday Bao gồm tượng vật lý là: • Dịng điện chạy qua dây dẫn tạo từ trường (từ trường) • Sự biến thiên từ thơng cuộn dây tạo hiệu điện cm ng hay gọi cm ng điện từ Và thể qua cơng thc: Trong đó: • U1 N1 điện p số vòng dây cuộn sơ cấp • U2 N2 điện p số vòng dây cuộn th cấp Thông qua công thc thấy tỷ lệ thuận điện p số vịng dây cuộn c thể Từ nhận xét mối quan hệ chúng sau: • Nếu hệ số K > (tc U1 > U2 N1 > N2) có my tăng p • Nếu hệ số K < (tc U1 < U2 N1 < N2) có my hạ p Mạch chỉnh lưu 3.1 Cc vấn đề chung mạch chỉnh lưu Chỉnh lưu thiết bị dùng để biến đổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện chiều, cung cấp cho nhiều loại ph ti chiều khc Có thể kể số thiết bị điện cc quy trình cơng nghệ u cầu nguồn điện chiều sau đây: • Cc động điện chiều • Hệ thống cung cấp kích từ cho cc my điện đồng bộ, my pht động Cc qu trình cơng nghệ điện hỏa u cầu nguồn chiều dòng điện lớn mạ, điện phân, xử lý ho học bề mặt, anơt ho • Cc hệ thống nạp điện cho ăcquy • Cc nguồn chiều cho cc thiểt bị điều khiển, viễn thơng • Trong hệ thống truyền ti điện chiều với cơng suất lớn Ngồi ra, chỉnh lưu cịn khâu biến đổi lượng điện đầu vào, lấy từ lưới điện, cc biến đổi bn dẫn khc cc biến tần Nối chung, chỉnh lưu loại biển đổi bn, có vai trò quan trọng lĩnh vực biến đổi điện 3.2 Cấu trúc chung sơ đồ chỉnh lưu • Máy biến áp: My biến p dùng để phối hợp mc điện p lưới điện điện p dầu vo chỉnh lưu My biến p (MBA) phận bắt buộc cc sơ đồ hình tia khơng bắt buộc cc sơ đồ hình cầu • Chỉnh lưu: Sơ đồ van chỉnh lưu Đây phận gồm cc van bn dẫn nối theo sơ đồ cầu sơ đồ hình tia, thực chc biến đổi điện p xoay chiểu thành điện p chiều • Bộ lọc nguồn: Gồm cc phần tử phn khng t điện, cuộn cm có chc san điện p chỉnh lưu, gim thành phần đập mạch điện p chiều đến mc độ cho phép Trong nhiều ng dng, với công suất lớn, bn thân ph ti có tính chất lọc nguồn nên khâu lọc khơng thiết phi có • Bộ đo lường: Gồm cc khâu tạo tín hiệu dịng điện, điện p, phc v cho cc chc điều chỉnh, cc chc theo dõi, hiển thị bo vệ c hệ thống • Mạch điều khiển: Đây khâu quan trọng sơ đồ chỉnh lưu Mạch điều khiển có nhiệm v tạo cc xung điều khiển với góc pha điều khiển điều chỉnh được, đồng pha với điện p lưới xoay chiều, đưa đến cực điều khiển thyristor cc khong thời gian mà điện p anốt - catốt van dương Mạch điều khiển phi có kh thay đổi góc điều khiển α toàn di điều chỉnh, lý thuyết từ 0° đến 180° , qua điều chỉnh điện p chỉnh lưu toàn di yêu cầu Mạch điều khiển thực cc chc cc mạch vòng điều chỉnh tự động, cc chc bo vệ tín hiệu hóa cho tồn hệ thống 3.3 Mạch chỉnh lưu nửa chu kì Sơ đồ chỉnh lưu pha nửa chu kì sơ đồ chỉnh lưu đơn gin sử dng thực tế lại xét đến với mc đích minh hoạ khi niệm bn liên quan đến cc chỉnh lưu Gi sử ti trở, sơ đồ điện p sơ cấp th cấp my biến p có dạng: Trong đó: • U1m , U2m gi trị biên độ điện p xoay chiều sơ cấp th cấp my biến p • • Um = √2U (U điện p hiệu dng) θ = ωt góc pha đơn vị [rad] (ω = 2πf tần số góc đơn vị [rad/S]; f tần số lưới điện đơn vị [Hz]) D T1 U1 U2 V1 Rt Sơ đồ nguyên lý Dạng điện áp U2 Dạng điện áp Ud Dạng điện áp UD Gi thiết nửa chu kỳ đầu điện p lưới, θ = ÷ π, Diode D phân cực thuận nên D dẫn, nối ti Rt vào nguồn Điện p ti lặp lại điện p u2 Nếu ti trở, dòng điện ti lặp lại dạng điện p với gi trị: u2, dòng điện ti lặp lại dạng điện p với gi trị: Đến nửa chu kỳ sau điện p xoay chiều đầu vào đo cực tính, dịng điện ti có xu hướng đo chiều Tuy nhiên Diode khơng cho dòng chạy qua theo chiều ngược lại nên Diode kho lại, ngắt ti khỏi nguồn Điện p dịng điện chạy ti khơng Cc nửa chu kì lăp lại hồn tồn giống • Gi trị điện p chỉnh lưu trung bình: • Dịng điện chạy ti trung bình tính bằng: Điện p ngược lớn đặt Diode tính gi trị biên độ điện p xoay chiều u2: 3.4 Mạch chỉnh lưu c chu kì Trong phần chúng em nghiên cu mạch chỉnh lưu cầu pha không điều khiển Mạch chỉnh lưu cầu pha không điều khiển cấu tạo từ bốn diode, Dl, D3 mắc catôt chung, D2, D4 mắc anôt chung Sơ đồ dùng my biến p nối trực tiếp vào lưới điện Các Diode dẫn dòng theo cặp, D1 D2 cực tính điện p u2 có dấu cộng, trừ khơng có ngoặc, D3 D4 cực tính điện p u2 có dấu cộng, trừ có ngoặc Kết qu điện p ti ud lặp lại dạng u2 "chỉnh lưu" lại để có dạng chiều đập mạch Dạng dòng điện điện p cc phân tử sơ đồ ng với hai loại ti cho theo hình 10 Sơ đồ nguyên lý Dạng điện áp U2 Dạng điện áp Ud 11 Dạng điện áp UD1 ❖ TH tải trở Điện p trung bình sau chỉnh lưu biểu diễn theo phương trình đây: Dịng điện chạy qua ti có dạng lặp lại dạng điện p sau chỉnh lưu nên biểu diễn dịng điện trung bình qua gi trị biên độ sau: Dòng điện i2 dòng qua cc cặp diode (Dl, D2) (D3, D4) nên có dạng hình sin xoay chiều với biên độ Idm, ta tính gi trị hiệu dng dòng điện I2 theo phương trình bằng: Do dịng điện i2 có dạng hình sin nên i1 có dạng hình sin, từ ta tính quan hệ dịng điện hiệu dng I1 = f(I2): 12 Dòng điện qua cuộn sơ cấp th cấp có dạng hình sin nên cơng suất tính ton my biến p phía sơ cấp phía th cấp cơng suất tính ton my biến p Ta tính cơng suất my biến p theo phương trình sau đây: Do cặp diode dẫn dòng điện nửa chu kỳ nên ta tính dịng điện qua diode (hay cịn gọi van): Điện p ngược đặt lên diode D1 điện p nguồn u2 diode D3 dẫn Do điện p ngược lớn đặt lên diode gi trị biên độ điện p xoay chiều đầu vào cầu chỉnh lưu ❖ TH tải trở cảm, Ld ≈ ∞ Điện p trung bình sau cầu chỉnh lưu tính bằng: Dịng điện trung bình chạy qua cc diode tính bằng: 13 Điện p ngược lớn đặt lên cc Van gi trị biên độ điện p xoay chiều đầu vào: Dòng điện chạy qua th cấp my biến p có dạng cc xung chữ nhật đối xng với biên độ Id ta có phương trình: Dịng điện qua sơ cấp my biến p có dạng hình chữ nhật đối xng nên ta tính dịng điện chạy qua cuộn dây sơ cấp: Cơng suất tính ton my biến p nhỏ so với trường hợp ti trở Mạch lọc nguồn Sau chỉnh lưu ta thu điện p chiều nhấp nhơ, khơng có t lọc điện p nhấp nhơ chưa thể dùng vào cc mạch điện tử, cc mạch nguồn, ta phi lắp thêm cc t lọc (t lọc thường có trị số từ vài trăm µF đến vài ngàn µF) vào sau cầu Diode chỉnh lưu 14 D1 1N3495 V2 220Vrms 50Hz 0° D3 1N3495 S1A Key = A T2 U1 Rt1 1kΩ U2 10:1 D4 1N3495 D2 1N3495 C1 100µF Sơ đồ minh hoạ cc trường hợp mạch nguồn có t lọc khơng có t lọc • Khi cơng tắc K mở, mạch chỉnh lưu khơng có t lọc tham gia, điện p thu có dạng nhấp nhơ • Khi cơng tắc K đóng, mạch chỉnh lưu có t C1 tham gia lọc nguồn, kết qu điện p đầu lọc tương đối phẳng • Khi gim điện dung t C1 từ điện p đầu sau 15 cịn kết qu Từ ví du ta thấy t có điện dung lớn điện p đầu phẳng Mạch ổn p 5.1 Khi niệm mạch ổn p Mạch ổn p mạch có chc tạo hay trì điện p ổn định đầu vào thay đổi khong dài rộng Ta hiểu đơn gin mạch ổn p ln ln có điện p đầu ổn định điện p đầu vào có thay đổi Ví d điện p đầu vào thay đổi từ vài Vôn vài chc Vơn điện p đầu luôn cố định gi sử 5V, 3,3V, 12V… 5.2 Nguyên lý hoạt động mạch ổn p Mạch ổn p bn bao gồm điện trở diode ổn p: Khi cho dòng điện ngược cực qua nó, ln ghim mc điện p cố định 16 Trên thực tế điện trở R có hạn dịng kh cao nên với mạch điện tiêu th dòng điện lớn ta cần sử dng thêm Transistor Đây mạch điện sử dng nhiều thực tế Hoạt động mạch điện sau: Điện p chân B transistor ghim p mạch ổn p vừa kể Đặc biệt, transistor có đặc tính dẫn có điện p chân B cao điện chân E khong 0,6 đến 0.8 (V) Chính điện p rơi diode BE mơ hình diode tương đương transistor Như cho điện p đầu vào có dạng x,6 đến x,8 (V) có điện p đầu VB có dạng ≈ x (rất tròn) 17 Thiết kế mạch chỉnh lưu AC – DC 6.1 Sơ đồ khối Cc tiêu chuẩn nguồn: • Điện p vào: Uvào = 220 V (AC–50hz) • Điện p ra: Ura = 6V (DC) 6.2 Lựa chọn phương n thiết kế ❖ Máy biến áp Ở điện p lấy trực tiếp từ lưới điện xoay chiều (220V–50hz) nên ta sủa dng my biến p có số vịng sơ cấp th cấp là: N1 = 220; N2 = 12 để chuyển điện p xoay chiều từ 220V 12V ❖ Mạch chỉnh lưu Do ưu điểm mạch chỉnh lưu cầu điện p nhấp nháy, dễ lọc nên ta chọn mạch chỉnh lưu cầu dùng diode ❖ Bộ lọc nguồn Bộ lọc có nhiệm v san điện p chiều thu sau khối chỉnh lưu thành điện p chiều nhấp nhơ Với đăc điểm phương php lọc t (đã trình bày phần 4) với tính đơn gin chất lượng điện p sau lọc kh cao nên ta sử dng phương php lọc cho khối nguồn với t C có điện dung khong , lúc điện p tăng U3 = 14,68 V 18 ❖ Khối ổn áp Với khối ổn p ta sử dng diode Zenner 1N4736A có điện p đnh thủng 6,8V với mc đính để Ura = Uzener – UBE ≈ 6V, điện trở Và transistor 2N2221A, Theo yêu cầu ton điện p khong 6V nên ta có: Mặt khc ta lại có: nên IB phi nhỏ I Tho mãn điều kiện 19 6.3 Sơ đồ mạch đầy đủ kết qu mô Q1 2N2221A D1 1N4007 V2 T2 220Vrms U1 50Hz U2 0° 220:12 D3 1N4007 C 100µF D4 1N4007 D2 1N4007 Sơ đồ mô Điện áp sau qua máy biến áp U2 20 R 500Ω Rt 1kΩ D5 1N4736A Điện áp sau qua chỉnh lưu Ud Điện áp sau qua lọc U3 Điện áp 21 Kết luận 7.1 Ưu, nhược điểm mạch ❖ Ưu điểm: • Mạch nhỏ gọn, đơn gin phù hợp với việc học tập nghiên cu • Nguyên lý đơn gin, dễ hiểu • Linh kiện phổ biến, dễ dàng tìm kiếm, thực việc mơ dễ dàng ❖ Nhược điểm: • Điện p đầu cố định chưa điều chỉnh 7.2 Kết qu đạt Sau thời gian tìm hiểu thiết kế chúng em hồn thành đề tài với yêu cầu thiết kế mạch chỉnh lưu AC – DC với điện p 6V Thiết kế bn hồn thành mơ phần mềm NI Multisim cho kết qu hoạt động tương đối xc Qua đề tài này, chúng em củng cố lại kiến thc biết p dng kiến thc học vào thực tế, đồng thời nâng cao kh tự tìm hiểu, thiết kế cc mạch điện tương tự Mặc dù cố gắng, song điều kiện thời gian, kiến thc kinh nghiệm thực tế cịn nhiều hạn chế nên khơng thể tránh sai sót Vì vậy, nhóm chúng em mong nhận đóng góp ý kiến thầy cô bạn bè quan tâm Chúng em xin trân thành cm ơn ! 22