TRƯỜNG ĐẠI HỌC SU PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ o0o ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐỀ TÀI MẠCH NGUỒN ỔN ÁP MỘT CHIỀU, CÓ ĐIỆN ÁP RA THAY ĐỔI (0 15V) 3A DC SINH VIÊN THỰC HIỆN Trần Tuấn Dương LỚP 110202 GIÁO VIÊN[.]
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SU PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ -o0o ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐỀ TÀI: MẠCH NGUỒN ỔN ÁP MỘT CHIỀU, CÓ ĐIỆN ÁP RA THAY ĐỔI (0-15V) 3A-DC SINH VIÊN THỰC HIỆN: Trần Tuấn Dương LỚP: 110202 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: Trịnh Xuân Thắng Hưng Yên, Năm 2023 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN … … … … … Hưng Yên, ngày… tháng… năm 2023 Giáo Viên Hướng Dẫn ( ký ghi rõ họ tên) LỜI NÓI ĐẦU Ngày với tiến khoa học công nghệ, thiết bị điện tử ứng dụng ngày rộng rãi hầu hết lĩnh vực kinh tế - xã hội đời sống Trong tất thiết bị điện tử vấn đề nguồn cung cấp vấn đề quan trọng định đến làm việc ổn định hệ thống Hầu hết thiết bị điện tử sử dụng nguồn điện chiều ổn áp với độ xác ổn định cao Hiện kỹ thuật chế tạo nguồn điện ổn áp khía cạnh nghiên cứu phát triển với mục đích tạo khối nguồn có cơng suất lớn, độ ổn định, xác cao, kích thước nhỏ (các nguồn xung) Từ tầm quan trọng ứng dụng thực tế nguồn điện chiều ổn áp dựa vào kiến thức học tự tìm hiểu, em chọn đề tài: “Thiết kế mạch nguồn ổn áp chiều, có điện áp thay đổi (0 - 12V) 1A” để qua tìm hiểu kĩ ngun lí hoạt động mạch nguồn đồng thời củng cố thêm kĩ thiết kế mạch điện tương tự LỜI CẢM ƠN Khi bắt đầu chọn đề tài để làm báo cáo đồ án môn học hoàn chỉnh với yêu cầu giáo viên môn, với yêu cầu khuôn mẫu chuẩn báo cáo đồ án môn học, em có chuẩn bị chu đáo Để có báo cáo đồ án không chuẩn, đẹp, khuôn mẫu mà nội dung báo đồ án đề tài phải phù hợp, thực tế, rõ ràng, đáng tin cậy Do em cần phải tham khảo nhiều nguồn tài liệu để hỗ trợ cho công việc thực đồ án em Vì em chân thành cảm ơn tác giả trang web điện tử cung cấp cho em nguồn tài liệu quan trọng để em hoàn thành báo cáo đồ án Khi có khn mẫu báo cáo đồ án chọn cho đề tài phù hợp em cố gắng hoàn thành báo đồ án Nhưng khơng tránh khỏi thiếu sót in ấn tuyển chọn linh kiện thị trường làm cho em gặp khó khăn q trình thực đồ án tạo sản phẩm Mong thầy cô bạn thơng cảm, thứ lỗi cịn chưa vừa ý Trong trình thực đề tài em xin chân thành cảm ơn thầy giáo: Trịnh Xuân Thắng tận tình hướng dẫn giúp em hồn thành đề tài Do khả kiến thức thân hạn chế, đề tài chắn không tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận đóng góp ý kiến thầy cô bạn để đề tài hoàn thiện Chân thành cảm ơn quan tâm tham khảo thầy cô bạn MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.3 Phương pháp nghiên cứu 1.4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài .7 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Khái niệm nguồn áp thấp chiều Lý thuyết biến áp, loại IC ổn áp, chỉnh lưu, IC điều chỉnh điện áp Biến áp Các loại IC ổn áp Chỉnh lưu 10 IC điều chỉnh điện áp dương LM317 11 Lọc thành phần xoay chiều 13 Ổn định điện áp 14 2.2 THIẾT KẾ .17 1.Sơ đồ khối 17 Phương án thiết kế 17 2.1 Lựa chọn thiết bị linh kiện 17 2.2 Lắp ráp mạch thực tế 25 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Nguồn điện thành phần thiếu mạch điện tử đóng thành phần quan trọng ảnh hưởng tới hoạt động mạch điện tử Do mạch nguồn địi hỏi có độ ổn định cao, đầu khơng thay đổi có thay đổi đầu vào, mạch nguồn phải sạch, không nhiễu Các giải điện áp thường sử dụng mạch nguồn cung cấp cho hệ thống điều khiển gồm cấp điện áp : 3V3, 5V, 6V, 9V, 12V, 15V,18V, 24V Tùy vào loại mạch điều khiển mà người ta sử dụng cấp điện áp khác Vì báo cáo đồ án em định chọn đề tài: Mạch nguồn ổn áp chiều, có điện áp thay đổi (0-15V) 3A-DC để thực hiện, mạch tương đối đơn giản, dễ làm, ứng dụng rộng rải, mặc khác mạch sử dụng xuyên suốt q trình học tập em, mạch điện thiếu sinh viên học ngành điện tử truyền thông 1.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên đề tài mạch điện (mạch nguồn) thực nhiệm vụ chuyển đổi từ dòng điện xoay chiều sang dòng điện chiều giá trị điện áp tiêu chuẩn ổn định (ổn áp) giá trị dòng điện chiều thay đổi Để thực công việc trên, đối tượng cần phải quan tâm linh kiện điện tử thực nhiệm vụ đó, q trình thực chúng thực Phạm vi nghiên cứu đề tài giá trị điện áp đầu : +5V, +12V, 12V phải điện áp chiều, ổn định xác; điện áp đầu chiều thay đổi từ 0V tối đa +15V Linh kiện điện tử đóng vai trị chủ đạo thực nhiệm vụ đó, linh kiện hỗ trợ, vai trò chúng tất chúng làm việc Phạm vi nghiên cứu đề tài toàn vấn đề đặt mà đề tài yêu cầu, tập trung vào yêu cầu thiết yếu mà đề tài yêu cầu, không nghiên cứu rộng 1.3 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết: tìm kiếm tra cứu tài liệu có liên quan Nghiên cứu thực nghiệm: kiểm tra sản phẩm làm thông số kỹ thuật đầu theo yêu cầu đề tài 1.4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Ý nghĩa khoa học: nguồn điện thành phần thiếu mạch điện tử đóng thành phần quan trọng ảnh hưởng tới hoạt động mạch điện tử Ý nghĩa thực tiễn: tất thiết bị điện tử vấn đề nguồn cung cấp vấn đề quan trọng định đến làm việc ổn định hệ thống ứng dụng ngày rộng rãi hầu hết lĩnh vực kinh tế - xã hội đời sống học tập nghiên cứu: - Trong đời sống: mạch nguồn sử dụng phổ biến thiết bị điện tử gia đình như: Tivi, đầu đĩa, amly, máy vi tính (laptop), loa vi tính,… -Trong sản xuất: mạch nguồn sử dụng dây chuyền điều khiển tự động hóa mạch điều khiển thường sử dụng điện chiều, thiết bị cảnh báo an toàn, thiết bị bảo vệ, thiết bị chống trộm,… -Trong học tập nghiên cứu: mạch nguồn sử dụng thường xuyên dường thiếu sinh viên học ngành điện tử truyền thông người nghiên cứu điện tử, khơng có mạch nguồn mạch điện khác khơng thể hoạt động được, mạch nguồn phần quan trọng để bảo vệ giúp cho thiết bị điện tử hoạt động ổn định, tăng tuổi thọ… CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Khái niệm nguồn áp thấp chiều Nguồn chiều có nhiệm vụ cung cấp nguồn điện chiều cho thiết bị điện tử hoạt động Nguồn chiều lấy từ nguồn xoay chiều dân dụng, qua biến đổi hạ áp biến áp, xử lý qua mạch ổn áp cố định đầu đến giá trị cần thiết Yêu cầu loại nguồn : Đầu phải phụ thuộc vào điện áp xoay chiều, tác nhân khác nhiệt độ, độ bất ổn dòng xoay chiều, để đạt điều người ta thường sử dụng biến áp để hạ áp nguồn xoay chiều 220V sau ổn định dịng điện đưa dòng mức chiều cần thiết hệ thống mạch gồm linh kiện ổn áp, chỉnh lưu, lọc, … Sơ đồ khối : BIẾN ÁP MẠCH CHỈNH LƯU BỘ LỌC BỘ BIẾN ÁP Chức khối: - Biến áp: để biến đổi dòng xoay chiều 220V thành dịng xoay chiều có điện áp phù hợp - Mạch chỉnh lưu: Chuyển điệp áp U2 thành dòng chiều có điện áp ổn định, nhấp nhơ - Bộ lọc: San điện áp chiều UT thành dịng chiều ổn định nhấp nhơ - Bộ ổn áp: Ổn định điện áp giá trị cụ thể, mạch thay đổi có nhiệm vụ cho điện áp thay đổi theo yêu cầu Lý thuyết biến áp, loại IC ổn áp, chỉnh lưu, IC điều chỉnh điện áp Biến áp Biến áp có nhiệm vụ biến đổi dịng điện xoay chiều từ mạng điện dân dụng thành dịng xoay chiều có điện áp cần thiết mạch chỉnh lưu Hình ảnh sơ đồ biến áp Các loại IC ổn áp Họ 78XX 78XX loại dòng IC dùng để ổn định điện áp dương đầu với điều kiện đầu vào luôn lớn đầu 3V Tùy loại IC 78 mà ổn áp đầu bao nhiều ví dụ : 7806 - 7809 78XX gồm có chân: +1 : Vin - Chân nguồn đầu vào +3 : Vo - chân nguồn đầu +2 : GND - Chân nối đất Chú ý: điện áp đặt trước IC78xx phải lớn điện áp cần ổn áp từ 2V đến 3V Những dạng seri 78XX: +LA7805 IC ổn áp 5V +LA7812 IC ổn áp 12V +LA7806 IC ổn áp 6V +LA7815 IC ổn áp 15V +LA7808 IC ổn áp 8V +LA7818 IC ổn áp 18V +LA7809 IC ổn áp 9V +LA7824 IC ổn áp 24V Họ 79XX Cũng họ 78XX họ 79XX có hoạt động tương tự điện áp đầu âm (-) trái ngược với họ 78XX Cũng có nhiều loại mức ổn áp đầu dòng 78XX : 7905, 7906 Cách xác định chân họ 78XX 79XX Hình ảnh phân biệt chân IC 78XX 79XX Chỉnh lưu Trong mạch điện sử dụng mạch chỉnh lưu cầu Diode hai chu kì cộng trừ Sơ đồ cầu thường dùng trường hợp điện áp xoay chiều tương đối lớn Tuy sơ đồ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ ưu việt sơ đồ cân chỗ cuộn thứ cấp sử dụng toàn hai nửa chu kỳ điện áp vào điện áp ngược đặt lên Diode trường hợp nửa điện áp ngược đặt lên sơ đồ cân Điện áp cực đại không tải: nghĩa nhỏ chút so với điện áp sơ đồ cân bằng, ln ln có hai Diode mắc nối tiếp Ta thấy nửa chu kỳ điện áp thứ cấp , cặp Diode có Anơt dương Katốt âm mở, cho dịng chiều qua , cặp Diode cịn lại khóa chịu điện áp ngược cực đại biên độ Ví dụ tương ứng với nửa chu kỳ dương , cặp Diode D1,ĐD mở, D2,D4 khóa Rõ ràng điện áp ngược đặt lên van lúc khóa có giá trị nửa so với trường hợp sơ đồ chỉnh lưu cân Lọc tụ điện Nhờ phóng nạp tụ điện nên làm san nhấp nhơ dịng điện mạch chỉnh lưu tạo Sơ đồ nguyên lý tụ điện Hệ số đập mạch lọc: Kp = ΩC R t Nghĩa lọc rõ rệt C Rt lớn bình thường người ta thường dùng tụ cỡ vài µF đến vài nghìn µF Ổn định điện áp Là nhiệm vụ làm điện áp ổn định đầu điện áp tần số điện lưới thay đổi Điện trở nguồn cung cấp yêu cầu nhỏ, để hạn chế ghép ký sinh tầng, thiết bị cung nguồn chỉnh lưu Việc ổn định điện áp có nhiều hạn chế, nguồn điện lưới có điện áp thay đổi nhiều Và phương pháp ổn áp điện tử sử dụng nhiều yêu cầu công suất tải không lớn Các loại ổn áp thường dùng: Ổn áp kiểu tham số (dùng Diode Zener), ổn áp bù tuyến tính (mạch ổn áp có hồi tiếp) ổn áp xung Trong phạm vi tìm hiểu đề tài ta xét đến mạch ổn áp bù tuyến tính số IC ổn áp Nguyên tắc ổn áp có hồi tiếp Để nâng cao chất lượng ổn định, người ta dùng ổn áp bù tuyến tính (là ổn áp so sánh ổn áp có hồi tiếp) Nguyên tắc làm việc: Sơ đồ ổn áp hồi tiếp Trong sơ đồ này, điện áp đưa so sánh để kiểm tra với nguồn chuẩn, thay đổi phần tử điều khiển điện áp chuẩn đầu Sơ đồ khối mạch ổn áp có hồi tiếp Một số đặc điểm mạch ổn áp có hồi tiếp: Cung cấp điện áp chiều đầu không đổi hai trường hợp điện áp đầu vào thay đổi dòng tiêu thụ tải thay đổi, nhiên thay đổi phải có giới hạn Cho điện áp chiều đầu có chất lượng cao, giảm thiểu tượng gợn xoay chiều Nguyên tắc hoạt động mạch: Mạch lấy mẫu theo dõi điện áp đầu thông qua cầu phân áp tạo ( Ulm : áp lấy mẫu) Mạch tạo áp chuẩn => gim lấy mức điện áp cố định (Uc : áp chuẩn ) Mạch so sánh so sánh hai điện áp lấy mẫu Ulm áp chuẩn Uc để tạo thành điện áp điều khiển Mạch khuếch đại sửa sai khuếch đại áp điều khiển, sau đưa điều chỉnh hoạt động đèn công xuất theo hướng ngược lại, điện áp tăng => thông qua mạch hồi tiếp điều chỉnh => đèn công xuất dẫn giảm =>điện áp giảm xuống Ngược lại điện áp giảm => thông qua mạch hồi tiếp điều chỉnh => đèn công xuất lại dẫn tăng => điện áp tăng lên =>> kết điện áp đầu không thay đổi Bộ ổn áp tuyến tính IC Để thu nhỏ kích thước, chuẩn hóa tham số cho mạch ổn áp có hồi tiếp, người ta thiết kế chúng dạng vi mạch, nhờ việc sử dụng dễ dàng Các IC thực tế bao gồm khối linh kiện tạo điện áp chuẩn, khuếch đại tín hiệu sai lệch, Trasistor điều khiển hạn dòng Các IC thường đảm bảo cho đầu dòng điện từ 100mA đến 1.5A Hiện người ta chế tạo loại IC ổn áp có dịng 10A Các loại IC ổn áp thường dùng : Họ 78xx, 79xx, LM317, LM337,… 2.2 THIẾT KẾ 1.Sơ đồ khối Hình ảnh sơ đồ khối Các tiêu chuẩn khối nguồn: - Điện áp vào 220V – 50Hz - Điện áp ra: + Cố định DC: +5V, +12V, -12V, +15 + Thay đổi DC: 0V – 15V Phương án thiết kế 2.1 Lựa chọn thiết bị linh kiện Biến áp Ở có nguồn điện 220V/AC tầng số 50Hz nên ta dùng biến áp loại có điện áp vào 220V, điện áp 24V – 3A công suất cực đại nguồn 45W Tính tốn thơng số kỹ thuật: IN OUT Biến áp nguồn Với tiêu Ura max = 15 V, theo đặc tính kỹ thuật LM317 điện áp vào IC cần thoả mãn 3V ≤ UIn - UOut ≤ 40V, U IN= 12V, mặt khác phải cộng thêm lượng điện áp rơi hai diode chỉnh lưu, điện áp cuộn thứ cấp U2 = UIN + × 0,7 = 13,4 V Xét điện áp lưới có giá trị nhỏ U luoi = 200 V, với điện áp yêu cầu cuộn thứ cấp 13,4V ta có: +¿ Khi điện áp lưới có giá trị lớn U luoi max = 240 V, điện áp lớn cuộn thứ cấp: U 2=U n2 240 √ = 13.4 n1 = 25.3 Ta có dịng điện khối nguồn dòng điện cuộn thứ cấp biến áp: I OUT = I = 1A Do cơng suất lớn mà biến áp cung cấp là: P2 = U × I OUT = 25.3 × = 76 W Giả sử tổn hao hai diode chỉnh lưu 10% cơng suất thực biến áp là: P 2= 76 = 84.4 W 90 % Dòng điện chạy cuộn sơ cấp là: I 1=¿ I2 = =¿ 0.14 A 21.1 21.1 Mạch chỉnh lưu Do ưu điểm Diode cầu hiệu suất chỉnh lưu cao nên ta dùng Diode chỉnh lưu cầu Chỉnh lưu bán kì, lấy bán kì dương bán kì âm Điểm 12V biến áp điểm nối mass 0V/AC, điểm 0V -12V/AC điểm 24V +12V/AC Tính tốn thơng số kỹ thuật: Khi điện áp lưới có giá trị lớn U luoi max = 240 V, điện áp ngược đặt lên diode chỉnh lưu: U NG =U √2=U n2 240 √ =¿ 13.4 n1 = 25.3 V Dòng điện lớn qua diode: I D = I = 3A Hệ số gợn sóng (khi Ct = 0) W = 0,49 Tần số điện áp chỉnh lưu: 100Hz Do ta lựa chọn diode chỉnh lưu cơng suất cao loại: cầu Diode Bộ lọc nguồn Bộ lọc nguồn có nhiệm vụ san nhấp nhơ dịng điện mạch chỉnh lưu Do lọc tụ đơn giản mà hiệu cao nên ta dùng lọc tụ cho khối nguồn Tính tốn thông số kỹ thuật: Sau qua khối chỉnh lưu cầu tụ lọc phải đảm bảo chịu điện áp lớn 23 V Do ta chọn tụ lọc có U max = 25 V Để xác định điện dung tụ ta dựa vào độ gợn sóng sau khối chỉnh lưu: T CL R t K gs C L =¿ Chọn độ gợn sóng sau khối chỉnh lưu là: K gs = 5% = 0,05 1 Chu kỳ chỉnh lưu: T CL=¿ f = 2.50 = 0.01 (s) CL U 21.1 r Điện trở tải tương đương: Rt = I = =¿ Ω r T CL Khi đó: C L =¿ R K t gs = 0.01 =¿ 0.0095( F ) 3.7 0.05 Vậy ta chọn tụ lọc : 1000 μF / 25V Khối ổn áp Khối cố định điện áp Do tính dễ sử dụng hiệu suất làm việc cao, dễ lắp ráp nên sử dụng khối ổn áp họ IC 78XX ( để ổn áp dòng dương, bao gồm IC 7805, IC 7812 ) 79XX ( để ổn áp dòng âm, bao gồm IC 7912 ) Trong khối cố định điện áp áp, có ba khối nhỏ khối IC ổn áp bao gồm: IC 7805 cho dịng điện có điện áp dương +5V, IC 7812 cho dịng điện có điện áp dương +12V IC 7912 cho dịng điện có điện áp âm -12V Tính tốn thơng số kỹ thuật: Theo thông số kỹ thuật hai loại IC 78XX 79XX khác sơ đồ chân mức điện áp cịn ve sơ đồ mạch tương đối giống Ở đầu vào Vin ta mắc tụ lọc 10μF đầu Vout ta mắc tụ lọc 100μF để ổn định điện áp lọc thành phần nhiễu đầu vào đầu IC, cịn chân GND nối mass Sơ đồ mạch IC họ 78XX VIN IC 7805 VOUT 10μF GND 100μF Sơ đồ mạch IC 7805