thiết kế môn học mạch ổn áp bù

Đồ án thiết kế môn học: Điện tử tương tự Đề bài 4: Thiết kế một bộ nguồn ổn áp bù sử dụng transistor, với các chỉ tiêu kĩ thuật như sau: - Điện áp vào từ lưới điện công nghiệp 220V/50Hz - Điện áp ra ổn áp 12v - I r = 10A - Các thông số khác của linh kiện sinh viên tự chọn cho phù hợp với yêu cầu Nội dung: 1. Lý thuyết chinh về chỉnh lưu, ổn áp - Sơ đồ khối - Sơ đồ nguyên lý của từng khôi - Lựa chọn loại mạch để thiết kế 2. Thiết kế bộ nguồn - Sơ đồ nguyên lý chung của mạch thiết kế - Tính toán các thông số của bài ra cho các giá trị linh kiện phù hợp + Tính toàn mạch chỉnh lưu + Tính toán mạch ổn áp 3. Lựa chọn linh kiên có trên thị trường + Loại linh kiện + Thông số của linh kiện + Vẽ và tính lại mạch với các linh kiện đã lựa chọn, và để phù hợp với đề bài cần thay đỏi những gì 4. Đánh gía kết luận Tài liệu tham khảo PHẦN I :LÍ THUYẾT CHUNG VỀ CHỈNH LƯU ỔN ÁP Mạch nguồn cung cấp có nhiệm vụ cung cấp năng lượng một chiều cho các mạch điện và thiết bị điện tử hoạt động. Điện áp đầu ra một chiều được biến đổi từ nguồn điện công nghiệp. Hình biểu diễn sơ đồ khối của một bộ nguồn một chiều hoàn chỉnh với chức năng các khối như sau: Sơ đồ khối bộ nguồn áp + Biến áp: có nhiệm vụ biến đổi điện áp lưới điện U 1 thành điện áp U 2 ở thứ cấp theo yêu cầu. + Mạch chỉnh lưu có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều đập mạch. Độ đập mạch này khác nhau tuỳ thuộc vào loại mạch chỉnh lưu + Mạch lọc có nhiệm vụ san bằng điện áp một chiều đập mạch U 0 thành điện áp một chiều U 01 ít nhấp nhô hơn. + Mạch ổn áp một chiều (ổn dòng) có nhiệm vụ ổn định điện áp (dòng điện) ở đầu ra U r (It), khi U 01 thay đổi theo sự mất ổn định của U 1 hay dòng tải It thay đổi. Mạch ổn áp có thể dùng điôt ổn áp zener I . BIẾN ÁP Biến áp là thiết bị làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ dùng để biến đổi điện áp xoay chiều naỳ thành điện áp xoay chiều khác nhưng tần số không đổi. Trong thiết bị nguồn biến áp ngoài nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều của mạng điện thành điện áp xoay chiều có trị số cần thiết với mạch chỉnh lưu còn có tác dụng ngăn cách mạch chỉnh lưu với mạch điện về một chiều. Một biến áp cơ bản có hai cuộn dây cuốn trên lõi sắt từ. Cuộn sơ cấp được nối với mạng điện, cuộn thứ cấp được nối với tải. . U 0 Biến áp Mạch chỉnh lưu Mạch lọc Mạch ổn áp (ổn dòng) U 2 U 1 U 01 U r R t I t Các thông số của máy biến áp: W 1 Số vòng dây cuộn sơ cấp, W 2 Số vòng dây cuộn thứ cấp I 1 Dòng điện hiệu dụng sơ cấp, I 2 Dòng điện hiệu dụng thứ cấp P 1 Công suất hiệu dụng sơ cấp, P 2 Công suất hiệu dụng sơ cấp Ngoài ra còn có các đại lượng định mức của biến áp: Điện áp định mức: U 1dm , U 2dm Dòng định mức I 1dm , I 2dm Công suất định mức P dm Nếu bỏ qua tổn hao do điện trở dây cuốn và từ thông tổn hao thì hệ số biến áp n được tính: n = U 1 / U 2 = W 1 / W 2 II . MẠCH CHỈNH LƯU 1 . Chỉnh lưu một pha toàn sóng A . Chỉnh lưu 1 pha toàn sóng dùng biến áp thứ cấp có điểm trung tính: + Với tải thuần trở U 1 U 2 Biến áp nguồn. u 2b D 1 u 1∼ a i 2b i 2a b D 2 u 2a 0 U o i 0 R t a) I 2M u 2 ωt U 0 π 2 π u 2M u 2a i 2 I o i 2a u 0 b) u 2b i 2a ωt ωt Trên sơ đồ hình a: biến áp 1 pha có cuộn thứ cấp ra điểm giữa, tạo thành 2 điện áp u 2a , u 2b có biên độ bằng nhau và lệch pha nhau 180 0 đặt vào 2 điốt, khiến chúng thay nhau làm việc trong cả chu kỳ. Khi u 2a ở nửa chu kỳ dương (a+;b-), điốt D 1 thông, D 2 khoá có dòng i 2a (a → D 1 → R t → 0) còn dòng i 2b = 0. Khi u 2b ở nửa chu kỳ dương (b+; a-), điốt D 2 thông điốt D 1 khoá, có dòng i 2b (b → D 2 → R t → 0), còn dòng i 2a = 0. Vậy trong 1 chu kỳ có 2 xung dòng qua tải cùng chiều, còn trên mỗi nửa cuộn thứ cấp chỉ có 1 xung dòng, m = 2 và tần số đập mạch f d =2f=100Hz. Dòng qua tải a b n n i i i I i ∞ = = + = + ∑ 0 2 2 0 1 Do đó điện áp trên tải n n u U u ∞ = = + ∑ 0 0 1 Dòng và điện áp trên tải bao gồm thành phần 1 chiều (I 0 , U 0 ) và vô số các thành phần xoay chiều ( Σ i ∼ ; Σ u ∼ ) thành phần 1 chiều của dòng điện chỉnh lưu: MM I,II 220 6360 2 == π r f = r b.a +r D là điện trở thuần tổn hao của 1 pha chỉnh lưu bao gồm điện trở tổng cuộn dây biến áp r b.a và điện trở thuần điốt r D , thành phần một chiều của điện áp nắn: t tf M t R Rr U RIU + == 2 00 2 π Nếu bỏ qua tổn hao biến áp và chỉnh lưu (bộ qua r f ) thì 220 90 2 U,UU M == π + Với tải dung tính. Khi có C// R t và t c c R m X <<= ω 1 thì bộ chỉnh lưu có tải dung tính Khi tải dung tính thì các điốt chỉ thông khi giá trị dương tức thời của điện áp thứ cấp, vượt U C tức là xuất hiện góc cắt θ của dòng điện chỉnh lưu và điện áp 1 chiều U 0 phụ thuộc θ . θθ cosUcosUU M 220 2== Khi R t = ∞ (chế độ hở mạch) → θ = 0 220 2UUU Mhm == - Điện áp ngược cực đại đặt trên điốt: 2 222 UUU MmaxDng == + Với tải cảm tính. R t Mạch chỉnh lưu toàn sóng biến áp điểm giữa tải dung tính và dạng sóng. D 1 D 2 a b u 2a u 2b u 1~ i 2a i 2b C + _ U 0 I 2 u 2a u 2b u C i 0 U o ωt u 0 ωt I o Tại đầu ra bộ chỉnh lưu mắc cuộn chặn nối tiếp với tải cuộn dây L ch sẽ chặn tất cả các thành phần xoay chiều của dòng điện chỉnh lưu, với điều kiện: X Lch =m ω L ch >>R t R Lch <<R t thì tất cả các thành phần xoay chiều của dòng điện chỉnh lưu sẽ bị chặn lại trên L ch , còn trên tải R t là thành phần điện áp, dòng điện 1 chiều U 0 , I 0 . Dòng điện qua L ch và R t là liên tục không đổi trong suốt cả chu kỳ (hình b) - Bỏ qua các tổn hao trên biến áp, điốt và L ch thì: t R U I;U,U 0 020 90 == Trong thực tế để loại bỏ tương đối triệt để các thành phần xoay chiều của dòng điện chỉnh lưu, người ta không chỉ dùng cuộn chặn riêng lẻ mà kết hợp với tụ C mắc sau nó và song song với R t , để giảm nhỏ trở kháng ra của bộ chỉnh lưu. * So với sơ đồ chỉnh lưu 1 pha nửa sóng, thì sơ đồ này có ưu điểm: - Điện áp, dòng điện 1 chiều ra lớn Mạch chỉnh lưu toàn sóng biến áp giữa với tải cảm và dạng sóng a) D 1 D 2 a b u 2a u 2b u 1~ i 2a i 2b L ch + _ U 0 I 0 R t u 0 U 2M u 2a u 2b U C u 2 u 0 ωt U o i 0 I 0 b) ωt ωt - Tần số đập mạch f d = 2f → dễ lọc san bằng - Dòng trung bình qua điốt nhỏ * Nhược điểm: - Điện áp ngược đặt lên điốt lớn - Bắt buộc phải dùng biến áp B. Chỉnh lưu cầu một pha Khi nửa chu kỳ ứng với a+, b- thì D 1 và D 3 thông, thì có dòng i 2a từ a → D 1 → tải → D 3 → b. Nửa chu kỳ ứng với b+, a- thì D 2 và D 4 thông, có dòng i 2a từ b → D 2 → tải → D 4 → a. Trong một chu kỳ của điện áp mạng, sơ đồ làm việc hai lần với tải, có 2 xung dòng qua tải nên f d = 2f = 100Hz. Đối với tải điện trở, điện cảm, điện dung các dạng sóng và trị số giống như sơ đồ chỉnh lưu toàn sóng 1 pha với biến áp điểm giữa. - Với tải thuần trở: U 0 ≈ 0,9 U 2 - Với tải dung tính:      = = 2 20 2 2 UU cosUU ohm θ - Với tải cảm tính: U 0 ≈ 0,9 U 2 ,còn điện áp ngược lớn nhất đặt lên điốt 22 2UUU MmaxDng == - Ưu điểm của sơ đồ cầu so với sơ đồ có biến áp thứ cấp ra điểm giữa . + Có thể dùng biến áp hoặc không L c h C Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha với các tải khác nhau i 2a a _ + U 0 D 1 D 2 D 3 D 4 U 2 b U 1 i 2b R t R t R t + Nếu dùng biến áp và nếu cùng điện áp thì cuộn thứ cấp có số vòng giảm một nửa. 2 . CHỈNH LƯU BỘI ÁP A. Chỉnh lưu bội áp nửa sóng - C 1 , C 2 có giá trị điện dung đảm bảo t , CC R C X,X <<= 21 21 1 ω thì sơ đồ này là tải dung tính. Giả sử nửa chu kỳ đầu có a+; b- thì D 1 thông, C 1 được nạp nhanh với giá trị U C1 ≈ U 2M . Nửa chu kỳ sau b+; a- thì D 2 thông, C 2 được nạp với U C2 = 2U 2M .cos θ = U 0 (Điện áp nạp cho C 2 là tổng điện áp cực đại trên cuộn thứ U 2M nối tiếp với điện áp U C1 ). Khi hở tải: 2220 222 UUUU MmaxChm === B . Chỉnh lưu bội áp toàn sóng. Sơ đồ này có thể xem như 2 sơ đồ chỉnh lưu 1 pha nửa sóng mắc nối tiếp nhau với độ dịch pha giữa chúng là 180 0 và tải dung tính. Sơ đồ nắn bội áp nửa sóng a b u 1 u 2 C 2 + − D 1 D 2 U 0 R t + _ C 1 − + Sơ đồ chỉnh lưu bội áp toàn sóng u 1 + C 1 _ R t D 1 + C 2 − D 2 I 0 U 0 U 2 Giả thiết nửa chu kỳ đầu có a+; b- thì D 1 thông, C 1 được nạp với U C1 =U 2M cos θ Nửa chu kỳ sau b+; a- có dòng i 2 (D 2 thông), C 2 được nạp: U C2 =U 2M cos θ Sau 1 chu kỳ điện áp mạng ta có U 0 =U C1 +U C2 =2U 2M cos θ Khi hở tải ta có: U 0hm = 2U 2M =2 2 U 2 Sơ đồ này 1 chu kỳ điện áp mạng, sơ đồ làm việc 2 lần với tải f d = 2f. III . BỘ LỌC 1 . Khái niệm chung Sau chỉnh lưu, nhất thiết phải có bộ lọc để san bằng độ đập mạch (hay lọc loại bỏ thành phần xoay chiều) của điện áp chỉnh lưu đến mức cần thiết mà tải yêu cầu. Để đánh giá tác dụng lọc của bộ lọc, ta coi bộ lọc như một mạng 4 đầu mà lối vào của nó được cung cấp một điện áp 1 chiều với độ đập mạch: K đv = U 0 ∼ v /U 0v Tại đầu ra bộ lọc ta nhận được điện áp với độ đập mạch: K đr = U 0 ∼ r /U 0r U 0 ∼ v ; U 0 ∼ r là biên độ của thành phần xoay chiều của điện áp đập mạch đầu vào và đầu ra được tính với hài bậc 1 U 0v , U or điện áp 1 chiều đầu vào, ra của bộ lọc. Hệ số lọc (hay hệ số san bằng) của bộ lọc là: v r dr dv U U . U U K K q 0 0 0 0 r v == Nếu coi bộ lọc không tổn hao thành phần 1 chiều thì q ≈ U 0 ∼ v /U 0 ∼ r → q>1 Bộ lọc Hệ số lọc nói lên chất lượng của bộ lọc đẫ làm giảm độ đập mạch đi bao nhiêu lần so với đầu vào. IV . KHỐI ỔN ÁP : Sơ đồ khối của khối ổn áp Thực chất của bộ ổn áp so sánh là sử dụng biện pháp hồi tiếp âm nên ta có sơ đồ tương đương sau : Giả sử vì lý do nào đó mà điện áp ra được nâng lên một lượng ∆U r thì lượng biến thiên này sẽ quay trở lại đầu vào nhờ bộ hôi tiếp âm . Tín hiệu hồi tiếp âm ngược pha với tín hiệu vào nên sẽ làm yếu tín hiệu vào và ngược lại khi điện áp ra bị giảm đị một lượng ∆U r thì tín hiệu vào sẽ có xu hướng tăng lên để chônhs lại sự suy giảm này . Khuếch đại điều chỉnh Khuếch đại so sánh Tạo điện áp chuẩn Phân áp Khối khuếch đại ( KĐ ) Khối hồi tiếp ( HT ) [...]... : THIẾT KẾ BỘ NGUỒN Từ những cơ sở lý thuyết trên, để đơn giản cho việc tính toán Ta xây dựng được bộ nguồn ổn áp bù sử dụng transistor áp ứng được yêu cầu : - Điện áp vào từ lưới điện công nghiệp 220 (V) - 50 (Hz) - Điện áp ra ổn áp 12 (V) - Ir = 10 (A) Qua đó ta có sơ đồ nguyên lý và phần tính toán cho phương án thiết kế I SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ : II, TÍNH TOÁN CHO BỘ NGUỒN ỔN ÁP : 1, Tính toán cho mạch. .. điện áp ra Ur tăng dẫn đến điện áp UB cũng tăng theo , khi UBT2 tăng làm cho UE2 tăng lên tăng phân cực cho transistor T2 làm cho transistor này dẫn mạng hơn , dòng I C1 qua R1 tăng làm UR1 tăng do UCE1 = UR1 + UBE1 , UCE1 tăng sẽ làm cho điện áp ra Ur giảm trở lại và điện áp ra luôn ổn định,tương tự đối với UCL giảm Do đó điện áp ra Ur luôn được ổn định Ý nghĩa của các phần tử trong khối ổn áp : *... NGUỒN ỔN ÁP : 1, Tính toán cho mạch ổn áp Từ sơ đồ mạch ổn áp và theo giả thiết ta có : Ur = 12 (V) , Ir = 10 (A) Chọn UDz = Ur = X 12 = 6 (V) Ta có : UBET2 = 0,7 (V) Từ transistor T2 ta có : UBT2 = UBET2 + UET2 ( do UBET2 = UBT2 – UET2 ) UET2 = UDz = 6 (V)  UBT2 = 6 + 0,7 = 6,7 (V) Điện áp cung cấp cho transitor qua các điện trở R 1, R2, R3 dưới dạng mạch phân áp : UBT2 = Ur => = => = => 12.R4 =... (V) Khi đó điện áp ổn áp đầu vào của mạch là : UChmax = Ur + UCET1max = 12 + 14,3 = 26,3 (V) UChmin = Ur + UCET1min = 12 + 0,5 = 12,5 (V)  Ta có dải điện áp chỉnh lưu là : UCh = 12,5 (V) ÷ 26,3 (V) Theo sơ đồ mạch , để diode zener luôn nằm trong vùng làm việc để có tác dụng tạo điện áp chuẩn thì dòng qua diode zener luôn phải lớn hơn I zmin ( Izmin = 5 mA) thì diode mới có thể ổn áp được , ta có :... trên điện trở Rz của diode zener * R3 và R4 là điện trở phân áp hồi tiếp cho base của T2 * R1 phân áp cho base của T1 , R1 cùng T2 , ZD định thiên dùng cho transistor T1 * R2 phân áp cho diode zener , tăng khả năng ổn định cho điện áp chuẩn , bảo vệ diode zener Nguyên lý hoạt động của mạch : Khi Ur giảm thì qua bộ phận phân áp R2 , R3 điện áp hồi tiếp Uht giảm chính là UBT2 giảm UBE2 = UBT2 – Uz cũng... của R3 , VR , R4 được chọn tùy thuộc vào dòng ra của mạch cung cấp cho tải là bao nhiêu , dòng phân áp được chọn sao cho Ipa ≈ 0.1 Ir * Khối tạo điện áp chuẩn : dùng mạch ổn áp tham số , mà cung cấp cho mạch là điện áp ra U r R2 Uchuẩn Dz Gọi Uz là điện áp đánh thủng cảu diode zener → để diode zener làm việc được thì tối thiểu Ungược cung cấp cho diode zener phải lớn hơn Uz * Khối khuếch đại so sánh... nhờ bộ phân áp điện trở như sau : R3 U Ur VR pa R4 Mạch này chỉ là mạch phân áp thông thường Nếu Iss « Ipa do đó : Upa = Ur Các điện trở R3 , VR , R4 là các điện trở phân áp Trong đó VR là biến trở và có thể tách thành hai điện trở VRa và VRb khi đó : RI = R3 + VRa và RII = R4 + VRb Giá trị của R3 , VR , R4 được chọn tùy thuộc vào dòng ra của mạch cung cấp cho tải là bao nhiêu , dòng phân áp được chọn... 0,99 Ta có điện áp cực đại trên biến áp : U2m = Utm + Udiode chọn Udiode = 0,7 (V) => U2m = 19,56 + 0,7 = 20,26 (V) Điện áp trên cuộn thứ cấp của biến áp : U2 = U 2m 20, 26 = = 14 (V) 2 2 Mặt khác ta có : U1 = 220 (V) => = = = W2 là số vòng dây cuộn thứ cấp W1 là số vòng dây cuộn sơ sấp Như vậy ta đã tính toán xong các thông số của mạch Ta có các thông số của linh kiện : + Biến áp có tỉ số : = ... tầng khác đưa đến tầng này tăng lên , đồng thời điện áp cung cấp cho mạch này ít chịu ảnh hưởng của sự biến đỏi trở kháng ra của các tầng trước - Điện trở ra giảm g lần , giúp điện áp ra ít bị biến đổi khi giá trị điện trở tải thay đổi - Độ nhấp nháy giảm g lần Tất cả các hiệu ứng trên đều có ảnh hưởng rất tốt trong việc ổn định dòng điện và điện áp ra Ta nhận thấy khi có hồi tiếp âm sâu : K Kht... Kht ≈ K Kht => K’ ≈ Hệ số khuếch đại tổng quát chỉ phụ thuộc vào hệ số Kht Điều kiện để có hồi tiếp âm là : + φk + φht = 180o + |K| |Kht| » 1 * Khối phân áp : tạo Upa tỉ lệ với điện áp ra dung làm tín hiệu so sánh với tín hiệu điện áp chuẩn , tạo sự chênh lệch để đưa vào khối khuếch đại điều chỉnh , có nhiệm vụ trích một phần dòng điện ra , tạo ra mức điện áp một chiều U pa tỉ lệ URa dùng làm thông . sự mất ổn định của U 1 hay dòng tải It thay đổi. Mạch ổn áp có thể dùng điôt ổn áp zener I . BIẾN ÁP Biến áp là thiết bị làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ dùng để biến đổi điện áp xoay. lọc có nhiệm vụ san bằng điện áp một chiều đập mạch U 0 thành điện áp một chiều U 01 ít nhấp nhô hơn. + Mạch ổn áp một chiều (ổn dòng) có nhiệm vụ ổn định điện áp (dòng điện) ở đầu ra U r (It),. tăng sẽ làm cho điện áp ra U r giảm trở lại và điện áp ra luôn ổn định,tương tự đối với U CL giảm Do đó điện áp ra U r luôn được ổn định Ý nghĩa của các phần tử trong khối ổn áp : * Transistor