Đồ án mạch tương tự - THIẾT KẾ MẠCH ỔN ÁP DÙNG IC ỔN ÁP ĐẦU VÀO 15VAC ĐẦU RA 6 VDC VÀ 12VDC – 1A ppt

Đồ án mạch tương tựTHIẾT KẾ MẠCH ỔN ÁP DÙNG IC ỔN ÁP ĐẦU VÀO 15VAC ĐẦU RA 6 VDC VÀ 12VDC – 1A MỞ ĐẦU Ngày nay, với sự phát triển ngày càng mạnh về lĩnh vực khoa học kỹ thuật các thiết bị

MỤC LỤC Phần I

Đồ án mạch tương tự

THIẾT KẾ MẠCH ỔN ÁP DÙNG IC ỔN ÁP

ĐẦU VÀO 15VAC ĐẦU RA 6 VDC VÀ 12VDC – 1A

MỞ ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển ngày càng mạnh về lĩnh vực khoa học kỹ thuật các thiết bị điện tử đang được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kinh tế, xã hội cũng như trong đời sống Trong tất cả các thiết bị điện tử vấn

đề nguồn cung cấp là một trong nghững vấn đề quan trọng nhất quyết định đến sự làm việc ổn định của hệ thống Hầu hết các thiết bị điện tử đều sử dụng các nguồn điện một chiều được ổn áp với độ chính xác và ổn định cao Hiện nay, kỹ thuật chế tạo các nguồn điện ổn áp cũng đang là một khía cạnh được nghiên cứu phát triển với mục đích tạo ra các khối có công suất lớn, độ

ổn định, chính xác cao, kích thước nhỏ

Từ những ứng dụng thực tế của nguồn điện ổn áp một chiều và dựa vào nhứng kiến thức đã học được em đã thực hiên đề tài: “Thiết kế mach ổn

áp điện áp vao 15VAC , điện áp ra 6 – 12 VDC, dòng điện 1A sử dụng các

IC ổn áp” Qua đó, em có thể tìm hiểu kĩ hơn về nguyên lý hoạt động của các mạch nguồn đồng thời có thêm kiến thức trong thiết kế các mạch tương

tự

Sinh viên

Nguyễn Văn Hữu

I CƠ SỞ Lí THUYẾT

1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ NGUỒN MỘT CHIỀU

Nguồn một chiều cú nhiệm vụ cung cấp năng lượng một chiều cho cỏc mạch và cỏc thiết bị điện tử hoạt động Năng lượng một chiều lấy từ nguồn xoay chiều của lưới điện thụng qua quỏ trỡnh biến đổi được thực hiện trong nguồn một chiều

Yờu cầu đối với nguồn một chiều là điện ỏp ra ớt phụ thuộc vào điện

ỏp mạng, của tải và nhiệt độ Để đạt được yờu cầu đú cần phải dựng cỏc mạch ổn đỡnh (ổn ỏp, ổn dũng) Cỏc mạch cung cấp nguồn cổ điển thường dựng biến ỏp nờn kớch thước và trọng lượng khỏ lớn Ngày nay, người ta cú xu hướng dựng cỏc mạch cung cấp nguồn khụng cú biến ỏp

2 Biến ỏp

Biến ỏp nguồn cú nhiệm vụ biến đổi điện ỏp xoay chiều của mạng điện thành điện ỏp xoay chiều cú trị số cần thiết đối với mạch chỉnh lưu và ngăn cỏch mạch chỉnh lưu với mạng điện xoay chiều thành một chiều

Trong đó:

n1 : là số vòng dây của cuộn sơ cấp

n2 : là số vòng dây của cuộn thứ cấp

U1 : Điện áp xoay chiều đặt ở đầu vào cuộn sơ cấp

U2 : Điện áp xoay chiều ở đầu ra của cuộn thứ cấp

Nguyên tắc làm việc của biến áp nh sau:

Khi đầu vào sơ cấp của biến áp ta đặt một đIện áp xoay chiều U1 = U lới là tín hiệu hình sin (f = 50Hz), trong lõi thép xuất hiện một từ trờng biến thiên theo quy luật hình sin giống nh đầu vào (f = 50Hz) Từ thông biến thiên này cảm ứng sang bên cuộn dây thứ cấp một điện áp xoay chiều cũng ở dạng hình sin với f = 50Hz Mặt khác, quan hệ về biên độ của điện áp đầu ra và

đầu vào của biến áp là tỷ lệ thuận với tỷ số vòng dây n1 và n2:

2

1 2

1

n

n U

U



Do đó, biến áp có khả năng hạ áp khi n1 > n2

3 Chỉnh lưu

Cỏc phần tử tớch cực dựng để chỉnh lưu là cỏc phần tử cú dặc tuyến

Volt – Ampe khụng đối xứng sao cho dong điện đi qua nú chỉ đi theo một chiều Người ta thường dựng chỉnh lưu Silic, để cụng suất nhở hoặc trung bỡnh cú thể chỉnh lưu dựng Selen Để cú cụng suất ra lớn (>100W) và cú thể điều chỉnh điện ỏp tựy ý, ngươi ta dựng Thyristor để chỉnh lưu

Trong chỉnh lu bằng diode, các mạch chỉnh lu thờng đợc dùng là:

 Mạch chỉnh lu nửa chu kỳ

 Mạch chỉnh lu hai nửa chu kỳ:

+Mạch chỉnh lu cân bằng

+Mạch chỉnh lu cầu

 Mạch chỉnh lu bội áp

Ta chỉ quan tâm tới mạch chỉnh lu cầu Phơng pháp chỉnh lu cầu có rất nhiều u điểm hơn so với các phơng pháp khác đó là tính ổn định của điện

áp ra sau chỉnh lu,điện áp ngợc tối đa mà mỗi điốt phải chịu đựng chỉ bằng 1/2 so với chỉnh lu nửa chu kỳ và độ gợn sóng của phơng pháp chỉnh lu này cũng giảm đi 2 lần so với chỉnh lu nửa chu kỳ

Nguyên lý của mạch chỉnh lu cầu:

Trong từng nửa chu kỳ của điện áp thứ cấp U2 ,một cặp van có Anôt dơng nhất và Katôt âm nhất mở cho dòng một chiều qua và cặp van còn lại khoá

và chịu một điện áp ngợc cực đại bằng biên độ U2m

Khi t0 tt1: D1 và D3 thông, D2 và D4 tắt, Ura = Uvao

Khi t1tt2: D2 và D4 thông, D1 và D3 tắt, Ura = Uvao

Nh vậy, trong cả hai nửa chu kỳ, ta luôn có Ura > 0,tuy nhiên Ura = Uvao chỉ là lấy lý tởng, thực tế Ura = 2 Uvao – 1,4V Điện áp ra giảm 1,4V so với điện áp vào do sụt áp tổng cộng trên hai điốt thông trong mỗi nửa chu kỳ

Đối với hai Điốt tắt trong mỗi nửa chu kỳ, do điện áp đỉnh tối đa phân

bố ngợc đều trên hai điôt do đó điện áp ngợc chỉ còn một nửa

Giản đồ thời gian thể hiện quá trình trên:

Việc chọn giá trị tối đa về dòng và điện áp ngợc mà diôt phải chịu đựng phụ thuộc vào dòng và áp mà mạch ổn áp phải chịu đựng, cung cấp cho tải

3 MẠCH LỌC

Trong các mạch chỉnh lưu nói trên điện áp hay dong ra tải tuy có cực tính không đổi, nhưng giá trị của chúng thay đổi theo thời gian một chu kỳ gọi là sự đập mạch của điện áp hay dòng điện sau chỉnh lưu

Hệ số đập mach tính theo công thức:

Kp =

U

Uˆt

Trong đó: Kp – hệ số đập mạch

Uˆ t- là biên độ sóng hài lớn nhất của Ut hay It

U - là giá trị trung bình của Ut hay It

Kp càng nhỏ thì chất lượng của mạch càng cao Người ta đã tính toán rằng khi chỉnh lưu nửa chu kỳ thì Kp = 1,58 còn khi chỉnh lưu hai nửa chu kỳ thì Kp = 0,667 Trong thực tế thường gặp các khâu lọc:

3.1 Khâu lọc RC

Khâu lọc RC là khâu lọc thông thấp Nhờ có tụ điện mắc song song với tải mà điện áp ra ít nhấp nhô hơn

Do sự phóng nạp của tụ điện qua các nửa chu kì và do các sóng hài bậc cao được rẽ qua mạch C xuống điểm chung, dòng ra tái chỉ còn dòng một chiều lãn một ít sóng hài bậc thấp Hệ số đập mạch của bộ lọc:

Nghĩa là tác dụng lọc càng rõ rệt khi C và Rt càng lớn Với những bộ lọc trong công nghiệp thờng dùng tụ hoá có gía trị từ vài  đến hàng ngàn  Giản đồ thời gian:

Trong sơ đồ này do tụ nối song song với tải nờn điện ỏp ra ớt nhấp nhụ hơn

Do sự nạp và phúng của tụ mà cỏc súng hài bậc cao sẽ bị mất đi Dũng điện hay điện ỏp ra chỉ cũn thành phần một chiều và một lượng nhỏ súng hài bậc thấp

Cụng thức tớnh độ lớn của tụ thụng qua độ gợn súng cho phộp:

gs t

chl loc R K

T C

3



Trong đú: Clọc: Giỏ trị của lọc

Tchl: chu kỡ của gợn súng

Rt : Giỏ trị trở tải tương đương

Kgs: Độ nhấp nhỏy (%)

Tỏc dụng của tụ tăng khi C và Rt tăng

3.2 Khõu lọc LC

Khõu lọc LC như sau:

Khõu lọc LC gồm cuộn dõy L mắc nối tiếp với tải Rt nờn khi dũng điện

it ra tải biến thiờn đập mạch, trong cuộn L sẽ xuất hiện sức điện động

tự cảm Do đú làm giảm cỏc súng hài bậc cao Về mặt điện khỏng cỏc súng hài bậc n cú tần số cao sẽ bị chặn càng nhiều Nờn thành phần ra tải chỉ cú dũng một chiều và một lượng nhỏ súng hài bậc thấp

Hệ số đập mạch của bộ lọc dùng cuộn cảm là:

Kp=

L

R t



3 Nghĩa là tác dụng của mạch lọc càng tăng khi Rt càng nhỏ Vì vậy mạch lọc này thích hợp với mạch chỉnh lu công suất vừa và lớn Giá trị cuộn càng lớn thì tác dụng chặn càng tăng, tuy nhiên giá trị L cũng không đợc quá lớn dẫn đến hiệu suất bộ chỉnh lu giảm

3.3 Khõu lọc hỡnh L và hỡnh 

Các bộ lọc này sử dụng tổng hợp tác dụng của cuộn L và tụ điện C để lọc,

do đó các sóng hài cũng bị giảm nhỏ và dòng ra tảI cũng ít nhấp nhô Để tăng tác dụng lọc có thể mắc nối tiếp 2 hay 3 mắt lọc hình  với nhau Khi đó dòng điện và điện và điện áp ra tảI gần nh bằng phẳng hoàn toàn

Khõu lọc hỡnh L

Khâu lọc hình 

Trong một số trường hợp để tiết kiệm và giảm kích thước, trọng lượng của

bộ lọc ta có thể thay cuộn cảm L bằng R trong khâu lọc hình L ngược hay hình  Lúc đó R gây sụt áp cả thành phần một chiều trên nó dẫn tới hiệu suất cà chất lượng bộ lọc thấp hơn dùng cuộn L Thường người ta chọn giá trị R sụt áp một chiều trên nó bằng (10  20)% U0 khoảng vài

đến vài k

3.4 Khâu lọc cộng hưởng

Bộ lọc cộng hưởng dùng mạch cộng hưởng song song LkCk mắc nối tiếp với tải Rt nhờ vậy sẽ chặn sóng hài có tần số bằng tần số cộng hưởng của nó Ngoài tụ C2 còn có tác dụng lọc thêm

Các bộ lọc công hưởng

Bộ lọc cộng hưởng dùng mạch conongj hưởng nói tiếp LkCk mắc song song với tải R1 Ở tần số cộng hưởng nối tiếp của mạch LkCk trở kháng của

nó rất nhỏ nên nó ngắn mạch các sóng hài có tần số gần bằng tân số cộng hưởng Ngoài ra cuộn cảm L có tác dụng lọc thêm

4 ỔN ÁP

Các mạch ổn áp có nhiệm vụ giữ cho điện áp ra hoặc dòng điện ra của một thiết bị cung cấp không đổi khi điện áp vào thay đổi cũng như khi tải hoặc nhiệt độ thay đổi Thông thường các mạch ổn áp có tác dụng giảm U và

giảm tạp âm do đó dùng mạch ổn định có thể giảm nhỏ kích thước của thiết

bị cung cấp nhờ tiết kiệm được các tụ điện và điện cảm lọc

4.1 Mạch ổn áp dùng diode Zener

Hiệu quả của diode Zener được thể hiện tại đoạn đặc tuyến ứng với u < -Uz, lúc này với lượng biến đổi dòng điện I khá lớn thì U biến thiên rất ít Các diode zener có Uz  8V thường có điện trở động rz nhỏ nhất nghĩa là chúng ổn áp tốt nhất Các diode có Uz < 8V thì rz rất lớn nên không thể dung để ổn áp được, còn các diode có Uz > 8V thì có tăng nhưng vẫn nhỏ nên vẫn có thể dùng làm ổn áp được nhưng hiệu quả ổn áp không cao Vì thế khi cần ổn định điện áp lớn, nên chọn nhiều diode có Uz = 8V mắc nối tiếp hơn là chọn một diode với Uz lớn

Đặc tuyến Volt-Ampe và sơ đồ ổn áp một chiều dùng diode zener

Theo sơ đồ ta có: Ur’ = Uz (Uz là điện áp qua diode zener)

Hệ số ổn áp G đối với ổn áp một chiều cũng đồng thời là hệ số lọc đối với điện áp xoay chiều và được xác định như sau:

Hệ số ổn áp tương đối:

Mạch ổn áp loại này chỉ được dùng khi yêu cầu công suất ra nhỏ, vì yêu cầu hiệu suất của nó thấp (  50%) và công suất tổn hao trên R và rz lớn

4.2 Mạch ổn áp dùng diode zener với mạch lặp emito ở đầu ra

Sơ đồ mạch ổn áp dùng diode zener đã xét thường có công suất tổn hao khá lớn

P th = I z. U z

Khi yêu cầu dòng ra tải lớn, phải chọn diode có dòng lớn Diode zener chỉ thích nghi với các bộ chỉnh lưu công suất nhỏ Để ổn áp cho các mạch chỉnh lưu có công suất lớn có thể dùng các mạch ổn áp zener có tầng ra là một mạch lặp emitơ Sơ đồ hình vẽ:

Sơ đồ này dùng cho trường hợp điện áp ra cố định trong các sơ đồ này điode zener nên dòng qua các diode zener là: Ibo 

Bn

Ie

= Bn It nhỏ hơn qua dòng tải

Bn lần (Bn là hệ số khuếch đại dòng điện một chiều của transistor mắc emitor chung) Do đó có thể dùng diode zener có dòng nhỏ cho các bộ chỉnh lưu có công suất tương đối lớn

Điện áp chỉnh lưu được xác định theo công thức:

U’r = Uz – U BE Với UBE (0,6  0,7) V

Điện trở trong của sơ đồ điện trở ra của mạch lặp emitor khi coi R và rz là điện trở phân áp bazơ Ta có:

Ri = rBE1 Trong đó, rBE là điện trở vào của transistor,

 = Ib Ic





UCE = const là hệ số khuếch đại của dòng xoay chiều

Vì Ri < rz, nên mạch ổn áp loại này có điện áp ra ít phụ thuộc vào tải Ngoài ra

do dong qua diode zener nhỏ nên có thể chọn trị số của điện trở R lớn để tăng hệ

số ổn áp mà tổn hao trên R không tăng

Với sơ đồ này có thể lấy ra điện áp U’r, là một phần cua Uz qua chiết áp P Nếu chọn điện trở chiết áp P nhỏ hơn rBE thì điện trở của mạch tăng không đáng kể

4.2 Mạch ổn áp có hồi tiếp

Nguyên tắc thực hiện các sơ đồ ổn áp có hồi tiếp, phân loại

Để thỏa mãn yêu cầu cao hơn về mặt ổn áp, ổn dòng, cũng như công suất ra Người ta dùng mạch ổn định có hồi tiếp

Sơ đồ khối minh họa nguyên tắc làm việc mạch ổn áp có hồi tiếp

Trong mạch này có một phần điện áp (dòng điện ) ra được đua 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 đến giá trị chuẩn

4.3 Ổn áp xung

Hiệu suất của mạch ổn áp lien tục phụ thuộc nhiều vào công suất tổn hao Pth của transistor công suất Có thể giảm Pth nếu cho transistor làm việc ở chế độ khác Cũng giống như trong mạch ổn áp liên tục, điện áp vào mạch ổn áp phải luôn luôn lớn hơn điện áp một chiều ở đầu ra

Ổn áp xung đặc biệt có ý nghĩa khi cần lấy ra điện áp nhỏ từ một điện áp vào lớn với hiệu suất cao hoặc khi điện áp vào thay đổi nhiều (độ gợn sóng lớn) Khi mở, Transistor khóa dẫn năng lượng từ nguồn vào đến một phần tử tích lũy năng lượng (thường là cuộn cảm và tụ điện) Trong thời gian transistor khá ngắt thì phần tử tích lũy cung cấp năng lượng cho mạch sao cho trên tải luôn luôn có điện

áp cao

Tấn số đóng mở của khóa thường nằm trong phạm vi (16  50) kHz để tránh nhiễu âm thanh Trong khu vực tần số này dụng cuộn cảm có lõi ferit là thích hợp Tần số càng cao thì phần tử tích lũy năng lượng có kích thước càng nhỏ, nhưng hiệu suất giảm do tổn hao trong thời gian đóng mở tăng

Ổn áp xung cho hiệu suất cao và có dãy ổn định điện áp rộng, nhưng tốc độ điều khiển thấp, điện áp ra có độ gợn sóng lớn (vài %o đến vài %)

4.4 Bộ ổn áp IC tuyến tính

Để thu nhỏ kích thước cũng như chuẩn hóa các tham số của các bộ ổn áp một chiều kiểu bù tuyến tính người tac hế tạo chúng dưới dạng vi mạch, nhờ đó việc

sử dụng cũng dễ dàng hơn Các bộ IC ổn áp trrn thực tê cũng bao gồm các phần

tử chính là bộ tạo điện áp chuẩn, bộ khuếch đại tín hiệu sai lệch, transistor điều chỉnh, bộ hạn dòng

Các IC ổn áp thường đảm bảo dòng 0,11,5 A điện áp dưới 50V, công suất tiêu tán khoảng 500  800 mW Hiện nay người ta cũng chế tạo các IC ổn áp cho dòng dưới 10A Các loại IC ổn áp điển hình thường dùng là: serial 78xx hay 79xx, LM 105, LM 309, A 723, LM323, LM317…

Tùy thuộc vào tham số kỹ thuật như điện áp ra, dòng ra, hệ số ổn đinh điên áp, khả năng điều chỉnh điện áp, dải nhiệt độ làm việc, nguồn cung cấp, độ ổn định theo thời gian….mà người ta chế tạo ra nhiều loại khác nhau

Họ 78xx là họ cho ổn định điện áp đầu ra là dương Còn xx là giá trị điện áp đầu

ra nhứ 5V, 6V…78xx là loại dòng IC dùng để ổn định điện áp dương đầu ra với điều kiện đầu vào luôn luôn lớn hơn đầu ra 3V

Họ 79xx là họ ổn địn điện áp đầu ra là âm Còn xx là giá trị điện áp đầu ra như: -5V, -6V…

Như chúng ta đã biết: Mạch ổn áp dùng Diode Zener như trên có ưu điểm là đơn giản nhưng nhược điểm là cho dòng điện nhỏ ( ≤ 20mA ) Để có thể tạo ra một

điện áp cố định nhưng cho dòng điện mạnh hơn nhiều lần người ta mắc thêm Transistor để khuyếch đại về dòng như sơ đồ dưới đây:

Ở mạch trên điện áp tại điểm 3 có thể thay đổi và còn gợn xoay chiều nhưng điện áp tại điểm Rt không thay đổi và tương đối phẳng Nguyên lý ổn áp : Thông qua điện trở R2 và D1 gim cố định điện áp chân Rt của Transistor Q1, giả sử khi điện áp chân E đèn Q1 giảm => khi đó điện áp UBE tăng => dòng qua đèn Q1 tăng => làm điện áp chân E của đèn tăng , và

Mạch ổn áp trên đơn giản và hiệu quả nên được sử dụng rất nhiều và người

ta đã sản xuất các loại IC họ LA78 để thay thế cho mạch ổn áp trên, IC LA78…

Sơ đồ chân của IC