thiết kế môn học mạch ổn áp bù

PHẦN I :LÍ THUYẾT CHUNG VỀ CHỈNH LƯU ỔN ÁPMạch nguồn cung cấp có nhiệm vụ cung cấp năng lượng một chiều chocác mạch điện và thiết bị điện tử hoạt động.. Hình biểu diễn sơ đồ khối của một

Đồ án thiết kế môn học: Điện tử tương tự

- 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 chocác mạch điện và thiết bị điện tử hoạt động Điện áp đầu ra một chiều đượcbiến đổi từ nguồn điện công nghiệp Hình biểu diễn sơ đồ khối của một bộnguồn 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 U1 thành điện áp U2 ởthứ cấp theo yêu cầu

+ Mạch chỉnh lưu có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp xoay chiều thànhđiện áp một chiều đập mạch Độ đập mạch này khác nhau tuỳ thuộc vào loạimạch chỉnh lưu

+ Mạch lọc có nhiệm vụ san bằng điện áp một chiều đập mạch U0 thànhđiện áp một chiều U01 ít nhấp nhô hơn

+ Mạch ổn áp một chiều (ổn dòng) có nhiệm vụ ổn định điện áp (dòngđiện) ở đầu ra Ur (It), khi U01 thay đổi theo sự mất ổn định của U1 hay dòngtải 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 đểbiến đổi điện áp xoay chiều naỳ thành điện áp xoay chiều khác nhưng tần sốkhông đổi Trong thiết bị nguồn biến áp ngoài nhiệm vụ biến đổi điện ápxoay chiều của mạng điện thành điện áp xoay chiều có trị số cần thiết vớimạch chỉnh lưu còn có tác dụng ngăn cách mạch chỉnh lưu với mạch điện vềmột chiều

Một biến áp cơ bản có hai cuộn dây cuốn trên lõi sắt từ Cuộn sơ cấpđược nối với mạng điện, cuộn thứ cấp được nối với tải

.

U0

Biến áp

Mạch chỉnh lưu

Mạch lọc Mạch ổn áp

Các thông số của máy biến áp:

W1 Số vòng dây cuộn sơ cấp, W2 Số vòng dây cuộn thứ cấp

I1 Dòng điện hiệu dụng sơ cấp, I2 Dòng điện hiệu dụng thứ cấp

P1 Công suất hiệu dụng sơ cấp, P2 Công suất hiệu dụng sơ cấp

Ngoài ra còn có các đại lượng định mức của biến áp:

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

Biến áp nguồn.

u2b

D 1

Trên sơ đồ hình a: biến áp 1 pha có cuộn thứ cấp ra điểm giữa, tạo

thành 2 điện áp u2a, u2b có biên độ bằng nhau và lệch pha nhau 1800 đặt vào 2điốt, khiến chúng thay nhau làm việc trong cả chu kỳ

Khi u2a ở nửa chu kỳ dương (a+;b-), điốt D1 thông, D2 khoá có dòng i2a

Dòng và điện áp trên tải bao gồm thành phần 1 chiều (I0 , U 0) và vô số

các thành phần xoay chiều (Σ i∼; Σ u∼) thành phần 1 chiều của dòng điệnchỉnh lưu:

M

R r

U R

I U

+

=

0 0

2

π

Nếu bỏ qua tổn hao biến áp và chỉnh lưu (bộ qua rf) thì

2 2

0 2U 0,9U

U = M =π

+ Với tải dung tính

điện áp thứ cấp, vượt UC tức là xuất hiện góc cắt θ của dòng điện chỉnh lưu

và điện áp 1 chiều U0 phụ thuộc θ

θ

cos U

U0 = 2M = 2 2

Khi Rt = ∞ (chế độ hở mạch) →θ = 0

2 2

Tại đầu ra bộ chỉnh lưu mắc cuộn chặn nối tiếp với tải cuộn dây Lch sẽ

chặn tất cả các thành phần xoay chiều của dòng điện chỉnh lưu, với điềukiện:

X Lch =mωL 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 Lch, còn trên tải Rt là thành phần điện áp, dòng điện 1 chiều U0 , I 0. Dòng điện qua Lch và Rt là liên tục không đổi trong suốt cả chu kỳ (hình b)

- Bỏ qua các tổn hao trên biến áp, điốt và Lch thì:

t

R

U I U ,

0 2

0 = 0 9 =Trong thực tế để loại bỏ tương đối triệt để các thành phần xoay chiềucủa 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 Rt, 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)

D1

D2a

ω t

ω t

- Tần số đập mạch fd = 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 D1 và D3 thông, thì có dòng i2a từ a →

D 1 → tải → D3 → b Nửa chu kỳ ứng với b+, a- thì D2 và D4 thông, có dòng

i 2a từ b → D2 → tải → D4 → a

Trong một chu kỳ của điện áp mạng, sơ đồ làm việc hai lần với tải, có 2

xung dòng qua tải nên fd = 2f = 100Hz.

Đối với tải điện trở, điện cảm, điện dung các dạng sóng và trị sốgiống như sơ đồ chỉnh lưu toàn sóng 1 pha với biến áp điểm giữa

- Với tải thuần trở: U0 ≈ 0,9 U 2

- Với tải dung tính:

2

2

U U

cos U U

C

Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha với các tải khác nhau

i2aa

+ 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

- C1 , C 2 có giá trị điện dung đảm bảo t

, C

C X

,

X = <<

2 2

1

1

này là tải dung tính

Giả sử nửa chu kỳ đầu có a+; b- thì D1 thông, C1 được nạp nhanh với

giá trị UC1 ≈ U 2M Nửa chu kỳ sau b+; a- thì D2 thông, C2 được nạp với

U C2 = 2U 2M cosθ = U 0 (Điện áp nạp cho C2 là tổng điện áp cực đại trên cuộn thứ U2M nối tiếp

với điện áp UC1).

Khi hở tải: U0hm =U C2max = 2U2M = 2 2U2

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 1800 và tải dung tính

Sơ đồ nắn bội áp nửa

Giả thiết nửa chu kỳ đầu có a+; b- thì D1 thông, C1 được nạp với

U C1 =U 2M cosθ

Nửa chu kỳ sau b+; a- có dòng i2 (D2 thông), C2 được nạp:

U C2 =U 2M cosθ

Sau 1 chu kỳ điện áp mạng ta có U0 =U C1 +U C2 =2U 2M cosθ

Khi hở tải ta có: U0hm = 2U 2M =2 2U 2

Sơ đồ này 1 chu kỳ điện áp mạng, sơ đồ làm việc 2 lần với tải fd = 2f.

III BỘ LỌC

1 Khái niệm chung

Sau chỉnh lưu, nhất thiết phải có bộ lọc để san bằng độ đập mạch (haylọc 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; U0∼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

v

Hệ số lọc nói lên chất lượng của bộ lọc đẫ làm giảm độ đập mạch đibao 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 )

Bộ khuếch đại phản hồi trong nguồn ổn áp là bộ khuếch đại một chiều Nếu ta gọi hệ số khuếch đại của khối khuếch đại là K , của khối hồi tiếp là K ht và của toàn bộ mạch sau khi có hồi tiếp là K’

Ta có quan hệ sau :

K’ = =

Trong đó : g = K ht K là độ sâu hồi tiếp ( g > 1 )

Vậy khi có khuếch đại thì hệ số khuếch đại giảm đi g lần ,mặt khác với việc

sử dụng mạch này ( hồi tiếp âm ) ta có nhiều hiệu ứng rất có lợi

- Điện trở vào tăng g lần ,làm hiệh suất từ các 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

Hệ số khuếch đại tổng quát chỉ phụ thuộc vào hệ số K ht

Điều kiện để có hồi tiếp âm là :

+ φ k + φ ht = 180 o

+ |K| |K ht | » 1

* Khối phân áp : tạo U pa 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 U Ra

dùng làm thông tin để so sánh với U chuẩn , tạo ra một sự chênh lệch để từ đó điều khiển khối khuếch đại điều chỉnh

U pa tạo ra nhờ bộ phân áp điện trở như sau :

Mạch này chỉ là mạch phân áp thông thường

Nếu I ss « I pa do đó : U pa = U r

Các điện trở R 3 , VR , R 4 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 :

R2

U chuẩn

* Khối khuếch đại so sánh : ta có thể dùng khuếch đại thuật toán hoặc khuếch đại transistor , ta sử dụng bộ transistor

Trong đó : r e là điện trở tương đương xoay chiều tại cực C của transistor

r e’ là điện trở trong cực E của transistor ( re’ = )

Khi biết g ta có thể xác định được điện trở ra ,vào và ổn định nhấp nháy của mạch ổn áp

Việc chọn transistor T 1 phụ thuộc vào công suất mà transistor phải chịu đựng

P D = U CE I C

* Khối khuếch đại điều chỉnh : trong trương hợp nàyta cũng sử dụng transistor để xây dựng nên khối khuếch đại điều chỉnh Tín hiệu so sánh được đưa vào chân B của transistor , tín hiệu ra có thể lấy ở chân E hoặc chân C

Mặt khác có cả hai khối khuếch đại điều chỉnh và khối khuếch đại so sánh đều mắc theo kiểu E chung do đó điều kiện về biên độ |K| |K ht | » 1 cũng thỏa mãn nên khối ổn áp đã có hồi tiếp âm

Do yêu cầu kỹ thuật thì dòng vào khuếch đại điều chỉnh nhỏ hơn rất nhiều so với dòng ra khuếch đại so sánh và cần hệ số khuếch đại dòng lớn vì :

β = ( β là hệ số khuếch đại dòng điện )

Sơ đồ khối thực hiện :

Với R 1 là điện trở nhiệt của transistor T 2

V SƠ ĐỒ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG MẠCH ỔN ÁP

Từ sơ đồ ta có :

Ur

R1

U v

T 2

Khi : U CE2 = 0 => I CT2MAX =

Ta có đường đặc truyến tải tĩnh :

Giả sử UCh tăng do Ur = UCh – UCE2 nên sẽ làm cho điện áp ra Ur tăngdẫn đến điện áp UB cũng tăng theo , khi UBT2 tăng làm cho UE2 tăng lên tăngphân cực cho transistor T2 làm cho transistor này dẫn mạng hơn , dòng IC1

ICT2

UCE2

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 :

* Transistor T1 là phần tử điều khiển ra làm nhiệm vụ khuếch đại côngsuất

* Transistor T2 làm nhiệm vụ khuếch đại và so sánh , được lắp theo kiểu

E chung có hồi tiếp âm về dòng điện 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 chotransistor 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 giảmchính là UBT2 giảm UBE2 = UBT2 – Uz cũng giảm ( vì Uz không đổi ) làm cho

UBT1 = UCE1 + Uz cũng tăng , T1 thông và tăng lên → UCE1 giảm nên Ur tăngtrở lại , khi Ur tăng lớn hơn trị số định mức thì quá trình diễn biến ngược lại

PHẦN II : 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 đáp ứng được yêu cầu :

- Điện áp vào từ lưới điện công nghiệp 220 (V) - 50 (Hz)

CT1Q CT1Q

Q2

UCh – 6

UCET2(V)

0

Ta vẽ được đường đặc tuyến tải tĩnh sau :

Để có điểm làm việc của transistor T2 (Q2) nằm giữa đường đặc tuyếnthì : ICT2 = (2)

=>UCh = 2.6,7 + 6 = 19,4 (V)

Mặt khác : UCh = UCET1 + UET1 = UCET1 + Ur ( UET1 = Ur )

=>UCET1 = UCh – Ur = 19,4 – 12 = 7,4 (V)

Ta có đường đặc tuyến tải tĩnh của transistor T1 :

Để T1 làm việc ở chính giữa đường đặc tuyến thì :

UCET1Q = = 7,4 (V)

 UCET1min + UCET1max = 14,8 (V)

Với UCET1min = 0,5 (V) => UCET1max = 14,8 - 0,5 = 14,3 (V)

Khi đó điện áp ổn áp đầu vào của mạch là :

Để diode làm việc ở giữa đường đặc tuyến thì dòng qua diode sẽ xắp xỉbằng = IDzQ

 IET2 = IDzmax = 13,53 10-3 = 6,77 (mA)

−

+Chọn β =50 => ICT2= 6.64 (mA)

) )) = Utm 0,99

Ta có điện áp cực đại trên biến áp :

=> = = =

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 : =

+ Sử dụng diode chỉnh lưu Udiode = 0,7 (V)

Do chọn các thông số như vậy là do :

- Yêu cầu dòng ra : Ir = 10 (A)

- Yêu cầu điện áp vào : Uvào = 220 (V) (50 Hz)

- Theo tinh toán :