Thiết kế mạch ổn áp có đầu ra thay đổi .

THIẾT KẾ MẠCH ỔN ÁP CÓ ĐẦU RA THAY ĐỔI Phần I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT I. Khái niệm về nguồn áp một chiều . II. Lý thuyết khối biến áp , khối chỉnh lưu , nguyên tắc ổn áp 78xx – 79xx , các loại IC điều chỉnh điện áp. 1. Khối biến áp nguồn . 2. Khối chỉnh lưu . 2.1. Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ . 2.2. Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ . 2.3. Mạch chỉnh lưu bội áp ( n=2). 2.4. Mạch chỉnh lưu cầu . 3. Nguyên tắc ổn áp 78xx – 79xx . 3.1 Họ IC 78xx . 3.2 Họ IC 79xx. 3.3 Ứng dụng của IC 78xx và IC 79xx vào bộ nguồn. 4. IC điều chỉnh điện áp . 4.1. IC LM317. 4.2. IC LM337. III. Lọc các thành phần xoay chiều . 1. Lọc bằng tụ điện C. 2. Lọc bằng cuộn cảm L . 3. Bộ lọc hình L khác hình π . 4. Bộ lọc cộng hưởng. IV. Ổn định điện áp . 1. Nguyên tắc mạch ổn áp có hồi tiếp . 2. Bộ ổn áp tuyến tính IC . Phần II. THIẾT KẾ MẠCH NGUỒN ÁP CÓ ĐẦU RA THAY ĐỔI I. Sơ đồ khối . 1. Lựa chọn thiết bị và linh kiện . a. Biến áp . b. Mạch chỉnh lưu . c. Bộ lọc nguồn . d. Khối ổn áp . 2. Phương án thiết kế. II. Phương án thiết kế . III. Mạch thực tế . Phần III .KẾT LUẬN

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

KHOA : ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

- - -   

-BÁO CÁO ĐỒ ÁN CƠ SỞ

ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ MẠCH ỔN ÁP CÓ ĐẦU RA THAY ĐỔI

Giáo viên hướng dẫn : Th.s Nguyễn Mai Anh Sinh viên thực hiện : Hoàng Văn Công

Khóa : 2011 – 2015

TP Nam Định , năm 2014

Nhận xét ( của giáo viên hướng dẫn )

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

A Nhiệm vụ đồ án

1 Nêu được khái niệm về nguồn ổn áp một chiều

2 Nắm được nguyên lý hoạt động của các khối : biến áp chỉnh lưu , bộ lọc và ổn áp

3 Vẽ đươc mạch nguyên lý : mạch ổn áp có đầu ra thay đổi

4 Tìm được loại IC chính xác có chức năng điều chỉnh điện áp ở đầu ra

5 Phương án thiết kế

B MỤC LỤC

Mở Đầu

Phần I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT

I Khái niệm về nguồn áp một chiều

II Lý thuyết khối biến áp , khối chỉnh lưu , nguyên tắc ổn áp

78xx – 79xx , các loại IC điều chỉnh điện áp

1 Khối biến áp nguồn

2 Khối chỉnh lưu

2.1 Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ 2.2 Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ 2.3 Mạch chỉnh lưu bội áp ( n=2)

2.4 Mạch chỉnh lưu cầu

3 Nguyên tắc ổn áp 78xx – 79xx

3.1 Họ IC 78xx 3.2 Họ IC 79xx

3.3 Ứng dụng của IC 78xx và IC 79xx vào bộ nguồn

Phần II THIẾT KẾ MẠCH NGUỒN ÁP CÓ ĐẦU RA THAY ĐỔI

MỞ ĐẦU

Ngày nay , với đòi hỏi của sự phát triển của Khoa học – Kỹ thuật , thì các thiết bị điện tử ngày càng xuất hiện nhiều và có những ảnh hưởng đáng kể đến các lĩnh vực trong kinh tế và công nghiệp Và các thiết bị điện tử thì đều đòi hỏi nguồn cung cấp phải có điện áp phù hợp , độ ổn định cao để thiết bị có thể hoạt động tốt và đạt độ chính xác cao và hệ thống hoạt động ỏn định Các kỹ thuật chế tạo các nguồn ổn áp , công suất cao , kích thước nhỏ gọn , độ ổn định cao đang là một trong những vấn đề được quan tâm hàng đầu

Từ tầm quan trọng của việc ứng dụng nguồn ổn áp thay đổi giá trị đó vào trong thực tế thì nhóm em đã chọn đề tài : “ Thiết kế nguồn ổn áp có đầu ra thay đổi ”

Trong quá trình thực hiện đề tài chúng em chân thành cảm ơn sựgiúp đỡ , hướng dẫn tận tâm , của cô giáo : Th.s Nguyễn Mai Anh

đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài này

Do kiến thức và khả năng bản thân chúng em còn nhiều hạn chế nên quá trình thực hiện và hoàn thành đề tài còn nhiều thiếu xót , nên chúng em rất mong sự góp ý của các thầy cô để chúng em có thể hoàn thiệ các đề tài lần sau một cách hoàn thiện và tốt hơn

Phần I CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Nguồn một chiều có nhiệm vụ cung cấp nguồn điện một

chiều cho các thiết bị điện tử hoạt động Nguồn một chiều được lấy từ nguồn xoay chiều dân dụng , qua biến đổi hạ

áp bằng biến áp , và xử lý qua mạch ổn áp và cố định ra

đến giá trị cần thiết

Yêu cầu của loại nguồn này là : Đầu ra phải ít phụ thuộcvào điện áp xoay chiều , các tác nhân khác nhau như nhiệt

độ , độ bất ổn dòng xoay chiều , để đạt được điều đó thì

người ta thường sử dụng biến áp để hạ áp xoay chiều 220V

và sau đó ổn định dòng điện cũng như đưa dòng về các

mức một chiều cần thiết bằng hệ thống mạch gồm các linh kiện ổn áp , chỉnh lưu , lọc v.v

Sơ đồ khối :

Chức năng của các khối :

- Biến áp: có nhiệm vụ để biến đổi dòng xoay chiều

U1 = 220V thành dòng xoay chiều có giá trị điện áp

U2 phù hợp với yêu cầu

- Mạch chỉnh lưu : Có nhiệm vụ chuyển điện áp U2

thành dòng một chiều không bằng phẳng UT ( có giátrị thay đổi nhấp nhô ) Sự thay đổi này phụ thuộc vào từng dạng mạch chỉnh lưu

Biến áp chỉnh lưuMạch Bộ lọc Bộ ổn áp (ổn dòng)

I T

R T

- Bộ lọc : có nhiệm vụ san bằng điện áp một chiều UT

thành điện áp một chiều UO1 ổn định và ít nhấp nhô hơn nữa

- Bộ ổn áp : có nhiệm vụ ổn định điện áp ( dòng điện)

ở đầu ra của nó UO2 (IT) khi thay đổi theo sự mất ổn định của UO1 hay IT Trong nhiều trường hợp nếu không có yêu cầu cao nào thì không cần bộ ổn áp hay ổn dòng một chiều

áp , các IC thay đổi điện áp

1 Khối biến áp nguồn

chiều của mạng điện thành điện áp xoay chiều với trị số cần thiết đối với mạch chỉnh lưu và ngăn cách mạch điện chỉnh lưu với mạng điện xoay chiều về một chiều Nó bao gồm 1 cuộn dây sơ cấp và 1 cuộn dây thứ cấp được quấn trên một lõithép gồm các lá thép kỹ thuật điện được dát mỏng ghép lại với nhau Sở dĩ phải được cấu tạo từ các lá thép mà không phải là một khối thép đặc là vì để tránh dòng Fuco chạy trên

đó, gây tỏa nhiệt

Hình vẽ :

Trong đó :

Np: là số vòng của cuộn sơ cấp

Ns : là số vòng dây của cuộn thứ cấp

Up: điện áp xoay chiều đặt ở đầu vào cuộn sơ cấp

Us : điện áp xoay chiều ở đầu ra của cuộn thứ cấp

Nguyên tắt làm việc của biến áp như sau :Khi đầu vào sơ cấp của biến áp ta đặt một điện áp xoay chiều

Up = Ulưới có dạng hình sin ( f=50Hz) , trong lõi thép xuất hiện một từ trường biến thiên theo quy luật hình sin giống như 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 nhưng có biên độ nhỏ hơn ta có quan hệ giữa biên độ điện áp và điện áp vào tỷ lệ thuận với tỷ

số vòng dây Np và Ns :

Do đó , khi Np>Ns thì Up >Us Thực tế biên độ điện áp Us có quan hệ tỉ lệ thuận với yếu

tố sau :+ Biên độ điện áp Up + Tỉ độ Np/Ns

+ S : Diện tích lõi biến áp + Độ từ thẩm của vật liệu làm lõi biến áp + f : Tần số của điện áp hình sin đầu vào Trong bản thiết này ta sẽ hạ mức điện áp lưới từ 220 Vxuống còn khoảng 18 V Trên cơ sở đó , ta sẽ tính toáncác thông số của khối biến áp như số vòng dây cuốn trênhai cuộn sơ cấp , thứ cấp , đường kính dây cuốn , tiếtdiện của các lá thép … sao cho phù hợp với những yêucầu của đề bài

2 Khối chỉnh lưu.

Các phần tử tích cực dùng để chỉnh lưu là các phần tử có

đặc tuyến Volt-Ampe không đối xứng sao cho dòng điện điqua nó chỉ đi qua một chiều

Người ta thường dùng chỉnh lưu Silic , để có công suất nhỏhoặc trung bình cũng có thể dùng chỉnh lưu Selen Để cócông suất ra lớn (>100W) và có thể điều chỉnh điện áp ra tùy

ý , người ta dùng Thyristor để chỉnh lưu

Các sơ đồ chỉnh lưu thường gặp là chỉnh lưu nửa chu kỳ ,

sơ đồ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ , mạch chỉnh lưu bội áp và sơ

đồ chỉnh lưu cầu mà trong sở đồ chỉnh lưu cầu có nhiều ưuđiểm hơn cả

Mạch chỉnh lưu phải có hiệu suất ( tỷ số giữa công suất ra vàcông suất hữu ích ở đầu vào ) cao , ít phụ thuộc vào tải và độgợn sóng của điện áp ra nhỏ

Sau đây ta sẽ xét về sơ đồ chỉnh lưu nửa chu kỳ và sơ đồchỉnh lưu cầu

2.1 Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ :

Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ sử dụng một điốt (diode)

mắc nối tiếp với tải tiêu thụ , ở chu kỳ dương khiến chođiốt được phân cực thuận do đó có dòng điện đi qua điốt

và đi qua tải Ở chu kỳ âm , điốt bị phân cực ngược do

đó không có dòng qua tải

Dòng điện áp đầu ra của chỉnh lưu nửa chu kỳ :

Nhận xét :

- Ưu điểm : Mạch đơn giản , chỉ dùng 1 điốt

- Nhược điểm : Mạch điện chỉ làm việc trong mỗinửa chu kỳ nên hiệu suất sử dụng biến áp nguồnthấp Dạng sóng ra có độ gợn sóng , tần số sóng là50Hz , việc lọc san bằng độ gợn sóng khó khăn ,hiệu quả kém nên thực tế ít dùng

2.2 Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ :

phần cực tính của dạng sóng đầu vào thành một chiều

Do đó nó có hiệu suất cao hơn Tuy nhiên trong mạchđiện không có điểm giữa của biến áp người ta sẽ cần đến

4 điốt thay vì một như trong mạch chỉnh lưu 2 nửa chu

kỳ

Điều này có nghĩa là đầu cực của điện áp ra sẽ cần đến 2điốt

Hình : Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ (chỉnh lưu toàn sóng ).

Bộ chỉnh lưu toàn sóng biến đổi cả 2 nửa chu kỳ thànhmột điện áp đầu ra có một chiều duy nhất : dương (hoặcâm) vì nó chuyển hướng đi của dòng điện của nửa chu

kỳ âm (hoặc dương) của dạng sóng xoay chiều Nửa cònlại sẽ kết hợp với nửa kia thành một điện áp chỉnh lưuhoàn chỉnh

Đối với nguồn xoay chiều một pha , nếu dùng biến áp cóđiểm giữa , chỉ cần 2 điốt nối đấu lưng với nhau

( nghĩa là anốt với anốt hoặc catốt với catốt ) có thếthành một mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ

Hình vẽ :

II.3 Mạch chỉnh lưu bội áp ( tăng điện áp ra khối chỉnh lưu lên n

lần so với điện áp vào , ở đây n là hệ số bội áp ) :

Xét trường hợp n = 2 :

Sơ đồ mạch nguồn chỉnh lưu nhân 2

Để trở thành mạch chỉnh lưu nhân 2 ta phải dùng hai

tụ hóa cùng trị số mắc nối tiếp , sau đó đấu 1 đầu củađiện áp xoay chiều vào điểm giữa hai tụ

Ta sẽ thu được điện áp tăng gấp 2 lần

Ở mạch trên , khi công tắc K mở , mạch trở vềdạng chỉnh lưu thông thường Khi công tắc Kđóng, mạch trở thành mạch chỉnh lưu nhân 2 , vàkết quả là ta thu được điện áp ra tăng gấp 2 lần

II.4 Mạch chỉnh lưu cầu :

áp xoay chiều tương đối lớn

Nguyên tắc hoạt động của mạch chỉnh lưu cầu nhưsau :

Khi t0 < t < t1 : D1 và D3 thông , D2 và D4 tắt , dòngđiện chảy từ cực + U2 → D1 → Rt → D3 → cực –

U2 , U0 ≈ U2 ( trong đó U2 là Uvào và U0 là Ura )

Khi t1 < t < t2 : D2 và D4 thông , D1 và D3 tắt , dòngđiện chảy từ cực + U2 → D2 →Rt → D4 → cực –

U2 , U0 ≈ U2

Nhận xét :

Bản thiết kế này dùng chỉnh lưu cầu do nó có nhiều

ưu điểm hơn so với các phương pháp chỉnh lưukhác là :

+ Có hiệu suất sử dụng biến áp cao hơn so vớichỉnh lưu 2 nửa chu kỳ thông thường ( do trongchỉnh lưu 2 nửa chu kỳ thông thường thì mỗi nửachu kỳ 1 trong 2 cuộn dây sẽ không làm việc ).+ Tính ổn định của điện áp ra sau chỉnh lưu , điện

áp ngược tối đa mà mỗi điốt phải chịu đựng chỉ

bằng ½ so với chỉnh lưu nửa chu kỳ và độ gơn sóngcủa phương pháp chỉnh lưu này cũng giảm đi 2 lần

so với chỉnh lưu nửa chu kỳ

Lý giải tại sao mạch ổn áp trong đề tài này chúng

em lại chọn mạch chỉnh lưu cầu

3 Nguyên tắc ổn áp 78xx – 79xx:

Với những mạch điện không đòi hỏi cố định điện áp cao ,

sử dụng IC ổn áp thường được người thiết kế sử dụng vì mạchkhá đơn giản Các loại ổn áp thường được sử dụng là IC78xx – 79xx với xx là điện áp cần ổn áp

Sự kết hợp của IC 78xx với IC 79xx sẽ tạo ra được

ra với điều kiện vào luôn luôn lớn hơn đầu ra 3V Tùyloại IC 78xx mà nó ổn áp đầu ra là bao nhiêu

Hình vẽ :

78xx gồm có 3 chân :

1 INPUT – chân nguồn đầu vào

2 GND – chân nối đât

3 OUTPUT – chân nguồn đầu ra Những dạng seri của 78xx :

Dạng seri 78xx Output Voltage (V) Minnimum

Các IC 78xx dòng cho điện áp ra tương ứng vớidòng là 1A

2 IN – chân nguồn đầu vào

3 Out – chân nguồn đầu ra

3.3 Ứng dụng của 78xx và 79xx vào bộ nguồn :

Trong các bộ nguồn thì IC 78xx và IC 79xx được sử

dụng rất nhiều trong các mạch nguồn để tạo ra điện ápđầu ra mong muốn đặc biết những thiết bị này cần điện ápđầu vào cố định không thay đổi lên xuống Đây là mạchnguyên lý của 78xx và 79xx

4 IC điều chỉnh điện áp

4.1 IC LM317 : điều chỉnh điện áp dương

Hình vẽ và sơ đồ nguyên lý của LM317 LM317 gồm có 3 chân :

1 ADJUST (ADJ) – chân điều khiển

2 VOUT(VO) – điện áp đầu ra

3 VIN(VI) – điện áp đầu vào Đây được coi là một linh kiện chuyển đổi khá là tiệndụng Dùng để chuyển đổi điện áp dương từ + 1.25 đến+ 37 Và có khả năng cung cấp dòng quá 1.5A

Thông số của LM317 :+ Điện áp đầu vào VI = 40V + Nhiệt độ vận hành t = 0 -1250 + Dòng điện điều chỉnh là từ : 5 + Công suất tiêu thụ lớn nhất là 20W + Dòng điện đầu ra lớn nhất Imax = 1.5A + Đảm bảo thông số 3V ≤ VI – VO ≤ 40V + 1,2V ≤ VOUT ≤ 35V

+ IADJ = (50 100) A với IADJ là dòng điện ra tạichân ADJ

Với sơ đồ trên ta có thể điều chỉnh điện áp đầu ra bằngđiện trở R1 và biến trở R2 được nối như hình vẽ

Điện áp đầu ra được tính xấp xỉ bằng :

VOUT = 1.25( 1+ (R2 / R1)) + ( IADJ x R2)

Do IADJ có giá trị rất nhỏ ( 50 - 100µA) Nên có thể tínhgần đúng VOUT hay URA như sau :

URA = 1.25( 1+ (R2 / R1)) Với công thức trên ta chỉ cho R1 là một giá trị nhấtđịnh Một điều quan trọng là sự kết hợp giữa điện trở R1

và R2 coi như là một cầu phân áp khi đó điện áp giữachân điều chỉnh ADJ và chân đầu ra phải có một điện ápnhất định tức là ở giữa hai điện trở R1 và R2 điện áp luônbằng 1.25V ( Hằng số không đổi )

Do vậy ta mới công thức trên

4.2 IC LM337 – điều chỉnh điện áp âm

Tương tự như cách tính của LM317 ở trên nhưng điện

áp đầu vào là – 40V Điện áp giữa chân điều khiển vàchân ra là

– 1.25V Điện áp đầu ra có giải là -1.25V đến – 37V Những thông số nó y hệt như LM317 nhưng nó ở mức

âm

Sơ đồ nguyên lý :

Ví dụ cách tính toán khi sử dụng LM337

III Lọc các thành phần xoay chiều

tải tuy có cực tính không đổi , nhưng các giá trị của chúngthay đổi theo thời gian một cách chu kỳ , gọi là sự đập mạch( gợn sóng ) của điện áp hay dòng điện sau chỉnh lưu

Một cách tổng quát khi tải thuần trở , dòng điện tổng hợp ratải là :

n n n

cos sin

n n n

A   là tổng các sóng hài xoay chiều có giátrị , pha và tần số khác nhau phụ thuộc vào loại mạch chỉnhlưu

Vấn đề đặt ra là phải lọc các thành phần sóng hài này đểcho it ít đập mạch , vì các sóng hài gây ra sự tiêu thụ nănglượng vô ích và gây ra nhiễu loạn cho sự làm việc của tải Trong mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ thành phần một chiều I0

tăng lên gấp đôi so với mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ , thànhphần sóng hài cơ bản ( n=1) bị triệt tiêu , chỉ còn các sóng hàibậc từ n = 2 trở lên Vì vậy chỉnh lưu hai nửa chu kỳ có tácdụng lọc bớt sóng hài

Người ta định nghĩa hệ số đập mạch Kp của bộ lọc :

Kp càng nhỏ thì chất lượng của bộ lọc càng cao

Người ta đã tính toán rằng khi chỉnh lưu nửa chu kỳ Kp =1,58khi chỉnh

lưu hai nửa chu kỳ Kp =0,667

Để thực hiện nhiệm vụ lọc nói trên , các bộ lọc sau đây thườngdùng

1 Lọc bằn tụ điện C

dung của mạch chỉnh lưu Nhờ có tụ nối song song với tải,điện áp ra tải ít nhấp nhô hơn

t P

tiêu thụ dòng điện nhỏ)

Kp = Biên độ sóng hài lớn nhất của it (hay ut)

Giá trị trung bình của it (hay ut)

Với bộ chỉnh lưu dòng điện công nghiệp (tần số 50Hz hay60Hz), giá trị của tụ C thường có giá trị từ vài F đến vàinghìn F (tụ hóa).

Cuộn cảm L được mắc nối tiếp với tải R t nên khi dòng điện

it ra tải biến thiên đập mạch, trong cuộn L sẽ xuất hiện sứcđiện động tự cảm chống lại Do đó làm giảm các sóng hài(nhất là các sóng hài bậc cao) Về mặt điện kháng, các sónghài bậc n có tần số càng cao sẽ bị cuộn cảm L chặn càngnhiều Do đó dòng điện ra tải chỉ có thành phần một chiều I0

Giá trị của cuộn cảm L càng lớn thì tác dụng càng tăng, tuynhiên cũng không nên dùng L quá lớn, vì khi điện trở mộtchiều của cuộn L lớn, sụt áp một chiều trên nó tăng và hiệusuất của bộ chỉnh lưu giảm.

3 Bộ lọc hình L khác hình π

Các bộ lọc này sử dụng tổng hợp tác dụng của cuộn cảm L

và tụ C để lọc, do đó các sóng hài càng giảm nhỏ và dòng điện

ra tải (hay điện áp trên tải) càng ít nhấp nhô Để tăng tác dụnglọc có thể mắc nối tiếp 2 hay 3 mắt lọc hình  với nhau Khi

đó dòng điện và điện áp ra tải gần như bằng phẳng hoàn toàn

Lúc đó R gây sụt áp cả thành phần một chiều trên nó dẫn tớihiệu suất và chất lượng của 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.

4 Bộ lọc cộng hưởng

Hình 4.a biểu diễn 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 ra tụ C1 còn có tác dụng lọc thêm

(a) (b) Hình 4: Các bộ lọc cộng hưởng

Hình 4.b biểu diễn bộ lọc cộng hưởng dùng mạch cộnghưởng nối tiếp LkCk mắc song song với tải Rt Ở tần sốcộng hưởng nối tiếp của mạch LkCk trở kháng của nó rấtnhỏ nên nó ngắn mạch các sóng hài có tần số bằng hay gầnbằng tần số cộng hưởng Ngoài ra cuộn L còn có tác dụnglọc thêm.

Có nhiệm vụ làm điện áp ổn định ở đầu ra khi điện áp và

tần số điện lưới thay đổi