Điện tử ứng dụng thiết kế và thi công mạch nguồn

Khái niệm mạch nguồn Mạch nguồn hay còn gọi là bộ nguồn là một phần quan trọng trong hệ thống điện tử, có vai trò cung cấp điện năng ổn định cho các thiết bị và mạch điều khiển.. Một mạc

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

VÀ TRUYỀN THÔNG VIỆT – HÀN

ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH NGUỒN

Sinh viên thực hiện: Mã Sinh Viên

Ngô Trịnh Trung

Võ Thanh SangHoàng Xuân ĐạtNguyễn Đặng Hoàng VũPhạm Nguyễn Hữu Tiến

22CE08522CE07122CE02022CE09422CE080

Đà Nẵng, ngày 10 tháng 10 năm 2024

dụng 2

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

VÀ TRUYỀN THÔNG VIỆT - HÀN

ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH NGUỒN

Đà Nẵng, ngày 10 tháng 10 năm 2024

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình thực hiện bài tập lớn môn Điện tử Ứng dụng, chúng em

đã nhận được sự quan tâm và giúp đỡ tận tình từ phía các thầy cô Với lòng biết

ơn sâu sắc, chúng em xin được bày tỏ lòng tri ân chân thành tới tất cả các thầy

cô đã tạo điều kiện và hỗ trợ cho chúng em trong quá trình học tập và nghiêncứu đề tài này

Trước hết, chúng em xin gửi tới thầy cô Khoa Kỹ thuật máy tính và Điện tử,trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông Việt - Hàn, lời chào trântrọng, lời chúc sức khoẻ và lời cảm ơn sâu sắc nhất Nhờ sự chỉ dạy tận tâm củacác thầy cô, chúng em đã có thể hoàn thành tốt bài tập lớn này

Đặc biệt, chúng em xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới

cô giáo ThS Phan Thị Quỳnh Hương, người đã trực tiếp hướng dẫn và hỗ trợchúng em trong suốt quá trình thực hiện bài tập lớn Những góp ý và chỉ bảo của

cô đã giúp chúng em hoàn thành đề tài với kết quả tốt nhất

Vì điều kiện thời gian và kinh nghiệm còn hạn chế, bài tập lớn này chắcchắn không tránh khỏi những thiếu sót Chúng em rất mong nhận được sự góp ý,chỉ bảo của các thầy cô để có thể hoàn thiện và nâng cao kiến thức, giúp ích chocông việc thực tế trong tương lai

Chúng em xin trân trọng cảm ơn.!

dụng 4

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN (Của giảng viên hướng dẫn)

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Đà Nẵng, ngày 10 tháng 10 năm 2024 Giảng viên hướng dẫn

ThS Phan Thị Quỳnh Hương

dụng 6

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 3

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN 4

CHƯƠNG 1 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH 6

1.1 Giới thiệu mạch nguồn 6

1.1.1 Khái niệm mạch nguồn 6

1.1.2 Phân loại mạch nguồn 6

1.1.3 Ứng dụng của mạch nguồn 6

1.2 Thông số kỹ thuật yêu cầu 7

1.2.1 Điện áp đầu vào và đầu ra yêu cầu 7

1.2.2 Dòng điện tối đa mà mạch phải chịu 7

1.2.3 Hiệu suất mong muốn 7

1.3 Các thành phần sử dụng 8

1.3.1 Biến áp 8

1.3.2 Bộ Chỉnh Lưu 8

1.3.3 Bộ Lọc (C1, C2, C3) 8

1.3.4 IC ổn định điện áp 8

1.3.5 Điện trở 9

1.4 Phương pháp tính toán các thông số mạch 10

CHƯƠNG 2 SƠ ĐỒ MẠCH 11

2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch mô phỏng 11

2.1.1 Các bước thực hiện mô phỏng: 11

2.1.2 Sơ đồ mạch mô phỏng: 11

2.2 Cấu hình linh kiện 12

CHƯƠNG 3 GIẢI THÍCH HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH 15

3.1 Nguyên lý hoạt động của mạch 15

3.2 Phân tích từng giai đoạn hoạt động 15

CHƯƠNG 4 VẼ PCB 18

4.1 Thiết kế layout PCB 18

KẾT LUẬN 20

1 Kết quả đạt được 20

TÀI LIỆU THAM KHẢO 21

CHƯƠNG 1 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH

1.1 Giới thiệu mạch nguồn

1.1.1 Khái niệm mạch nguồn

Mạch nguồn (hay còn gọi là bộ nguồn) là một phần quan trọng trong hệ thống điện tử, có vai trò cung cấp điện năng ổn định cho các thiết bị và mạch điều khiển Mạch nguồn chuyển đổi điện năng từ nguồn điện đầu vào (như điện lưới hoặc pin) thành điện năng có đặc tính phù hợp với yêu cầu của tải Một mạch nguồn có thể bao gồm nhiều thành phần như biến áp, chỉnh lưu, lọc và ổn định, nhằm đảm bảo rằng điện áp và dòng điện cung cấp là chính xác và ổn định.1.1.2 Phân loại mạch nguồn

 Mạch nguồn không điều chỉnh (Unregulated Power Supply): Cung cấp điện

áp không ổn định, phụ thuộc vào tải và điều kiện nguồn vào

 Mạch nguồn điều chỉnh (Regulated Power Supply): Cung cấp điện áp ổn định và chính xác, thường sử dụng mạch hồi tiếp để điều chỉnh điện áp đầu ra

Mạch nguồn của nhóm em chọn thuộc loại mạch nguồn điều chỉnh tại vì

 Sử dụng IC ổn định điện áp (U1): Một thành phần quan trọng để cung cấp một điện áp DC ổn định và chính xác cho đầu ra

 Có bộ lọc gồm các tụ điện (C1, C2, C3): Sử dụng bộ lọc để làm phẳng tín hiệu DC, loại bỏ các thành phần xen kẽ

 Có điện trở (R1) để điều chỉnh dòng điện đầu ra

1.1.3 Ứng dụng của mạch nguồn

Mạch nguồn được trình bày trong sơ đồ này đóng vai trò cung cấp một nguồn điện một chiều ổn định và chính xác, phục vụ cho rất nhiều ứng dụng khác nhau trong lĩnh vực điện tử và công nghệ

Một trong những ứng dụng tiêu biểu của mạch này là cung cấp nguồn điện cho các thiết bị điện tử như máy tính, thiết bị viễn thông và các thiết bị gia dụng thông minh Các thiết bị này thường yêu cầu một nguồn điện một chiều với điện áp và dòng điện được kiểm soát chặt chẽ để hoạt động ổn định và bảo

vệ các linh kiện bên trong Mạch nguồn này, với sự kết hợp của các thành phần

1.2 Thông số kỹ thuật yêu cầu

1.2.1 Điện áp đầu vào và đầu ra yêu cầu

- Điện áp đầu vào 220V

- Điện áp trước khi qua LM7805 là khoảng 7V - 25 V dựa vào datasheet hình dưới

- Điện áp đầu ra sau khi qua LM7805 là 5V

1.2.2 Dòng điện tối đa mà mạch phải chịu

- IC LM7805 có khả năng cung cấp dòng tối đa lên tới 1.5A

1.2.3 Hiệu suất mong muốn

- LM7805 là một linear regulator (ổn áp tuyến tính), có hiệu suất không cao vì

nó chuyển đổi phần điện áp dư thành nhiệt

- Với điện áp đầu vào là 15.85V và đầu ra là 5V

Hiệu suất≈5V/15.85 ×100%≈31.5%

1.3 Các thành phần sử dụng

1.3.1 Biến áp

Biến áp (transformer) là thành phần đầu vào của mạch, có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp xoay chiều (AC) từ nguồn điện lưới thành điện áp xoay chiều thấp hơn Biến áp không chỉ giúp giảm điện áp mà còn cách ly điện giữa mạch nguồn và lưới điện, bảo vệ các linh kiện nhạy cảm khỏi các biến động điện áp

1.3.2 Bộ Chỉnh Lưu

Bộ chỉnh lưu, thường được cấu thành từ các điốt, có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu xoay chiều thành tín hiệu một chiều (DC) Trong sơ đồ này, BR1 thực hiện chức năng chỉnh lưu toàn cầu, loại bỏ nửa chu kỳ âm của tín hiệu AC,cung cấp một tín hiệu DC thô cho các giai đoạn tiếp theo của mạch

1.3.3 Bộ Lọc (C1, C2, C3)

Các tụ điện C1, C2 và C3 được sử dụng như bộ lọc để làm phẳng tín hiệu DC, loại bỏ các thành phần sóng xen kẽ còn lại sau khi chỉnh lưu Chúng giúp duy trì điện áp đầu ra ổn định bằng cách tích trữ năng lượng và giải phóng nó khi cần thiết, đảm bảo rằng tín hiệu DC cuối cùng không có biến động lớn.1.3.4 IC ổn định điện áp

IC ổn định điện áp (như 7805 hoặc loại tương tự) là một thành phần chính trong mạch, có nhiệm vụ cung cấp điện áp DC ổn định và chính xác cho đầu ra IC này giúp bảo vệ các thiết bị được cấp nguồn khỏi các biến động điện

áp, đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả

1.4 Phương pháp tính toán các thông số mạch

Ta có dòng điện đầu vào V=220 V ,F=50 HZ, Imax=1A, r=3% C2 và C3 là thông số

có sẵn của LM7805 có thông số tương ứng là 0,33uF và 0,1uF

Thì dòng điện sau khi qua trở là khoảng ≈ 17,28V

Dòng điện qua cầu diot là 17,28 - 0,7*2 ≈ 15,88 V

Tiếp đến sau khi tính được điện trở min = 5 v thì cần chọn trở có trên thị trường lớn hơn mức R(min) =5 (ôm) thì nhóm chọn R=220 (ôm)

Sau khi chọn R thì cần tìm ra C1 cho phù hợp bằng công thức của r thì ta tính ra được C1=3230uF, vì vậy cần chọn tụ gần bằng giá trị đó là C1=3300uF

dụng 12

CHƯƠNG 2 SƠ ĐỒ MẠCH

2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch mô phỏng

2.1.1 Các bước thực hiện mô phỏng:

Bước 1: Thêm nguồn điện AC Chọn nguồn AC từ thư viện (AC voltage source

- VSINE) Đặt điện áp đầu vào ở mức 220V (AC), đây là điện áp tiêu chuẩn trong hệ thống điện lưới dân dụng

Bước 2: Thêm biến áp (Transformer) Chọn biến áp từ thư viện (Transformer 2P2S) Đặt biến áp có đầu vào 220V (tương ứng với điện áp nguồn) và đầu ra là 12V

AC Đầu nối sơ cấp của biến áp được kết nối với nguồn điện AC Đầu nối thứ cấp của biến áp cung cấp điện áp 12V AC cho mạch tiếp theo

Bước 3: Cầu diode chỉnh lưu (Bridge Rectifier) Chọn cầu diode từ thư viện (Bridge Rectifier) Kết nối đầu ra của biến áp với các đầu vào của cầu diode (2 đầu vàocủa cầu tương ứng với 2 đầu ra của biến áp) Đầu ra của cầu diode sẽ cung cấp điện áp một chiều DC nhưng vẫn còn nhiễu (ripple)

Bước 4: Thêm tụ lọc (3300µF) Chọn tụ điện từ thư viện và đặt giá trị là 3300µF(C1) Kết nối tụ lọc ngay sau cầu diode để giúp làm mịn điện áp DC đầu ra (giảm nhiễu gợn sóng)

Bước 5: Thêm IC ổn áp 7805 Chọn IC ổn áp 7805 từ thư viện (IC 7805) Kết nối chân đầu vào (V1) của IC 7805 với đầu ra của tụ lọc (điện áp DC) Chân giữa là GND (nối đất) Chân đầu ra (V0) của IC 7805 sẽ cung cấp điện áp 5V DC

Bước 6: Thêm tụ lọc nhỏ (0.1µF và 0.33µF) Chọn tụ điện từ thư viện và đặt giá trị: C2: 0.1µF, nối giữa chân V0 và GND của IC 7805 C3: 0.33µF, nối giữa chân V1

và GND của IC 7805 Các tụ này có vai trò làm ổn định điện áp và giảm nhiễu Bước 7: Thêm đèn LED và điện trở hạn dòng Chọn đèn LED từ thư viện (LED-GREEN) Chọn điện trở từ thư viện và đặt giá trị là 220Ω (R1) Kết nối đầu dương củađèn LED với chân V0 của IC 7805 và đầu âm nối đất thông qua điện trở 220Ω để hạn dòng cho LED

2.1.2 Sơ đồ mạch mô phỏng:

Sau khi thực hiện tất cả các bước hướng dẫn đã nêu, chúng ta đã hoàn thành việc thiết lập sơ đồ mô phỏng cho mạch nguồn sử dụng IC 7805 Sơ đồ này không chỉ thể hiện cấu trúc kết nối giữa các linh kiện mà còn giúp chúng ta hình dung rõ hơn về

cách thức hoạt động của mạch nguồn, từ việc nhận nguồn đầu vào đến việc cung cấp điện áp ổn định 5V ở đầu ra Qua việc mô phỏng, chúng ta có thể kiểm tra và đánh giá hiệu suất của mạch, đảm bảo rằng nó đáp ứng được yêu cầu thiết kế và hoạt động hiệu quả trong thực tế.

2.2 Cấu hình linh kiện

2.2.1 Cấu hình cho dòng điện xoay chiều VSINE:

- Việc chọn biên độ 320V cho hàm sóng sin cho phép đảm bảo rằng điện áp đỉnh không bao giờ giảm xuống dưới mức cần thiết để cung cấp điện áp hiệu dụng 220V

-Đối với sóng sin, điện áp đỉnh có mối quan hệ với điện áp hiệu dụng (RMS) theo công thức sau:

dụng 14

-Tần số 50Hz được sử dụng làm tiêu chuẩn cho hệ thống điện tại nhiều quốc gia, bao gồm Việt Nam, nhằm đảm bảo hiệu suất truyền tải và sự ổn định của thiết bị điện

2.2.2 Cấu hình cho biến áp

Cấu hình độ tự cảm 336H cho cuộn sơ cấp của biến áp là một yếu tố quan trọngtrong thiết kế, nhằm đảm bảo rằng điện áp từ 220V có thể được chuyển đổi xuống 12Vmột cách hiệu quả và an toàn Điều này không chỉ giúp duy trì hiệu suất hoạt động của thiết bị mà còn đảm bảo tính ổn định trong quá trình cung cấp điện cho các thiết bị tiêuthụ

2.2.3 Cấu hình của từng tụ điện

Trong cấu hình mạch, tụ điện đầu tiên được thiết lập với giá trị 3300µF, đã được tính toán kỹ lưỡng trong các bước trước

Đối với các tụ điện thứ hai và thứ ba, chúng tôi lựa chọn giá trị lần lượt là0.1µF và 0.33µF, dựa trên thông số kỹ thuật từ datasheet của nhà sản xuất Việc lựachọn này đảm bảo rằng các linh kiện hoạt động tối ưu và phù hợp với yêu cầu của IC

7805, góp phần nâng cao hiệu suất của mạch điện

dụng 16

3.1 Nguyên lý hoạt động của mạch

 Điện áp xoay chiều AC 220V từ nguồn được hạ áp xuống mức thấp hơn thông qua biến áp TR1

 Điện áp AC sau đó được chỉnh lưu bởi cầu diode BR1 thành điện áp DC

 Tụ lọc C1 giúp làm phẳng điện áp DC chỉnh lưu

 IC ổn áp 7805 điều chỉnh điện áp thành 5V DC ổn định

 Tụ C2 và C3 giúp giảm nhiễu và làm mịn điện áp đầu ra

Dạng sóng đầu ra qua từng giai đoạn

 Cuối cùng, R1 và LED chỉ thị cho biết mạch đang hoạt động và có điện áp

DC đầu ra 5V

3.2 Phân tích từng giai đoạn hoạt động

Giai đoạn 1: Hạ áp qua Biến áp (TR1)

 Nguyên lý: Biến áp là thiết bị giúp thay đổi điện áp AC Ở đây, nó hạ điện áp từ220V AC xuống một điện áp thấp hơn, có thể là 12V hoặc 9V AC, tùy vào đặc tính của biến áp

 Mô tả hoạt động: Khi điện áp 220V AC từ nguồn cấp đi vào cuộn sơ cấp của biến áp, cuộn thứ cấp sẽ tạo ra điện áp xoay chiều có giá trị thấp hơn tương ứng (theo tỉ lệ cuộn dây) Ví dụ, nếu biến áp là loại 220V/12V, thì điện áp ra ở cuộn thứ cấp sẽ là 12V AC

 Mục tiêu: Tạo ra điện áp AC thấp hơn, phù hợp để sử dụng với các mạch điện

tử, giảm bớt nguy cơ nguy hiểm từ điện áp cao

Giai đoạn 2: Chỉnh lưu qua cầu diode (BR1)

 Nguyên lý: Cầu chỉnh lưu gồm 4 diode kết hợp lại để chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC bằng cách cho phép dòng điện chỉ chạy theo một chiều

Giai đoạn 3: Lọc điện áp bằng tụ C1 (330uF)

 Nguyên lý: Tụ điện có khả năng lưu trữ và giải phóng năng lượng Nó được sử dụng để làm mịn điện áp DC sau cầu chỉnh lưu

Giai đoạn 4: Ổn áp qua IC 7805 (U1)

 Nguyên lý: IC ổn áp 7805 là bộ ổn áp tuyến tính, giúp duy trì điện áp ra ở mức

cố định là 5V DC, bất kể điện áp đầu vào có dao động trong phạm vi cho phép

 Mô tả hoạt động:

o IC 7805 có 3 chân: chân vào (Vin), chân ra (Vout), và chân nối đất (GND)

o Điện áp từ tụ lọc C1 đi vào chân Vin của 7805, và IC này sẽ điều chỉnh

để luôn giữ điện áp ở chân Vout bằng 5V DC Nếu điện áp đầu vào cao hơn mức cần thiết, IC sẽ tiêu tán năng lượng dư thừa dưới dạng nhiệt

Giai đoạn 5: Lọc nhiễu bằng tụ C2 và C3 (0.1uF và 0.33uF)

 Nguyên lý: Các tụ nhỏ C2 và C3 được dùng để lọc nhiễu tần số cao và làm mịn điện áp đầu ra thêm một bước nữa

 Mô tả hoạt động:

o Tụ C2 (0.1uF) và C3 (0.33uF) có giá trị nhỏ nhưng chúng giúp lọc bỏ những nhiễu nhỏ, đặc biệt là nhiễu tần số cao có thể xuất hiện trên đườngdây

o Các tụ này được đặt gần IC ổn áp để đảm bảo không có nhiễu ảnh hưởngđến điện áp đầu ra

 Mục tiêu: Giảm nhiễu và giúp điện áp đầu ra luôn ổn định, không bị ảnh hưởng bởi các nhiễu cao tần

Giai đoạn 6: Hiển thị trạng thái nguồn bằng LED (D1) và điện trở hạn dòng (R1)

 Nguyên lý: LED sẽ sáng khi có dòng điện chạy qua, và điện trở R1 được sử dụng để hạn chế dòng qua LED, bảo vệ nó khỏi hỏng do quá dòng

Bước 2: Tạo sơ đồ PCB

- Chuyển từ sơ đồ nguyên lý sang chế độ thiết kế PCB trong Proteus

- Bố trí linh kiện:

o Cầu chỉnh lưu BR1 và tụ C1 được đặt gần với dầu vào nguồn AC để thuận tiện cho việc lọc và chỉnh lưu dòng điện Điều này giúp tránh mất mát năng lượng và giảm nhiễu

o IC 7805 được đặt ở vị trí gần trung tâm hoặc khu vực dễ tản nhiệt để tránh quá nhiệt khi điều chỉnh điện áp

o Điện trở R1 và diode D1 đặt gần với IC 7805 để hỗ trợ các chức năng bảo vệ và điều chỉnh

o J1 và J2 được bố trí ở các cạnh PCB để dễ dàng kết nối với nguồn và tải bên ngoài

- Đi dây theo quy tắc:

o Đường đi ngắn nhất: để giảm thiểu nhiễu và tăng cường hiệu quả, các đường dây dãn cần được vẽ với khoảng cách ngắn nhất có thể giữa các linh kiện

o Độ rộng của đường dẫn : các đường nguồn (VCC) và GND nên có độ rộng lớn hơn đẻ có thể dẫn đủ dòng điện cần thiết mà không gây sụt áp Đường GND và VCC có thể rộng khoảng 1-2mm tùy theo yêu cầu

o Khoảng cách giữa các đường dẫn: đảm bảo có khoảng cách đầu đủ giữa các đường dẫn để tránh ngắn mạch (khoảng 0.2 – 0.4 mm)

dụng 20

KẾT LUẬN

1 Kết quả đạt được

- Tạo được mạch nguồn đầu ra 5V sử dụng ic LM7805

- Hiểu được nguyên lý hoạt động của mạch

- Biết được cách vẽ PCB cho mạch trên Protues

- Biết được cách làm mạch in

dụng 22

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Vẽ mạch trên Protues: https://www.labcenter.com/

[2] Youtube : https://www.youtube.com/watch?v=VNZyqAnKGXM