thiết kế mạch điện tử (ANALOG) tương tự

đồ án thiết kế mạch điện tử (ANALOG) tương tự

đồ án môn học

I Nhiệm vụ thiết kế:

Thiết kế mạch ổn áp dùng vi mạch (nối tiếp) (kết hợp giữa IC và Tranzi tor) có điềuchỉnh điệnáp ra

_ Điện áp vào ổn áp Uvào =20v

_ Điên áp ra mạch ổn áp Ura =(9:12)v

_ Điốt ổn áp có thông số Uz =6,3 v

Iz=12mA

_ Dòng tảI It =250mA

_ Hệ số ổn định: 0,3%

A: Nguyên tắc thiết kế , sơ đồ khối

• Nguyên tắc thiết kế:

_Nguồn một chiều có nhiệm vụ cung cấp năng lợng một chiều cho các mạch và thiết bị địên tử hoạt động Năng lợng một chiều đó đợc biến đổi thành dòng một chiều thông qua một quá trình biến đổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều

_Biến áp để biến đổi điệnáp xoay chiều U 1 thành điệnáp xoay chiều U 2 có giái tị thích hợp với yêu cầu Trong một số trờng hợp có thể dùng trực tiếp U 1 không cần biến áp

_Mạch chỉnh lu có nhiệm vụ chuyển điệnáp xoay chiều U2 thành điệnáp một chiều không bằng phẳng U t ( có gía trị thay đổi nhấp nhô ) Sự thay đổi này phụ thuộc cụ thể vào dạng mạch chỉnh lu

1

_ Bộ lọc có nhiệm vụ san bằng điệnáp một chiều đập vào mạch U tthành điệnáp một chiều U01 ít nhấp nhô hơn

_ Bộ ổn áp một chiều ( ổn dòng ) có nhiệm vụ ổn định điệnáp ( dòng điện) ở đầu ra của nó Uo2 ( I t ) khi Uo1 bị thay đổi theo sự mất ổn định của Uo1 hay It

Hình a biểu diễn sơ đồ khối của một bộ ngồn hoàn chỉnh

• Sơ đồ khối:

I t

Biến áp U 2 M ạch chỉnh U t Bộ lọc U 01 ổn áp 1 chiều U 0 2

lu (ổn dòng)

Hình: a

B: Chức năng từng khối và mạch điệnthực hiện chức năng từng khối

1 Biến áp:

_ Biến áp có nhiệm vụ biến đổi điệnáp xoay chiều U 1 của nguồn cung cấp thành điệnáp xoay chiều U 2 có giá trị thích với yêu cầu của mạch chỉ lu

_ Trong một số trờng hợp có thể dùng trc tiếp U 1 không cần biến áp

_ Mạch biến áp:

Hình:b + Biến áp dùng để tăng hoặc giảm điệnáp tuỳ thuộc vào tính chất và nhiệm

vụ của từng công việc mà ta có các giái trị điệnáp ra và điệnáp vào sao cho phù hợp Mức điệnáp đợc giảm phần lớn khi áp dụng mạch IC

+ Nguyên lý hoạt động : Khi ta cung cấp cho cuộn sơ cấp của biến áp một dòng điệnxoay chiều thì trong cuộn thứ cấp của máy biến áp sẽ có dòng điên cảm ứng chạy qua

+ Các quan hệ áp dụng cho biến áp:

2

1 2

1

N

N n

n = hay

2

1 2

1

N

N U

U =

2

1 1

2

N

N i

i

= hay

2

1 1

2

N

N I

I

= Trong đó:

1 N 1 : Số vòng dây cuộn sơ cấp

2 N 2 : Số vòng dây cuộn thứ cấp

3 u 1 : Điện áp tức thời cuộn sơ cấp

4 u 2 : Điện áp tức thời cuộn thứ cấp

5 i1 : Dòng điệntức thời cuộn sơ cấp

b

6 i2 : Dòng điệntức thời cuộn thứ cấp

7 U 1 : Địên áp hiệu dụng cuộn sơ cấp

8 U 2 : Địên áp hiệu dụng cuộn thứ cấp

9 I1 : Dòng điệnhiệu dụng cuộn sơ cấp

10 I2: Dòng địên hiệu dụng cuộn thứ cấp

-Dạng điệnáp vào và ra :

U 1m

T -U1m

Utc = U2

U2m

T/4 T/2 3T/4 t

-U2m T

*Điện áp vào và ra đồng pha với nhau nhng điệnáp vào có biên độ lớn hơn

điệnáp vào

-Biến áp công suất nhỏ thì nội trở có độ lớn theo công thức :

ba

n

R

R

≈ 0,3+0,8 P hd (W)

2 Chỉnh lu :

-Chỉnh lu là một bộ nắm chuyển điệnáp xoay chiều U2 thành điệnáp một chiều có giá trị thay đổi nhấp nhô Ut

_ Trong các mạch chỉnh lu điệnáp hay dòng điệnra tải tuy có cực tính nhng không thay đổi , nhng giá trị của chúng thay đổi theo thời gian một cách chu kì, gọi

là sự đập mạch của điệnáp hay dòng điệnsau chỉnh lu

3

-Các phần tử dùng để chỉnh lu gọi là đặc tuyến Volf-ampe.Dòng điệnáp qua nó chỉ

có thể đi theo một chiều Chỉnh lu này phổ biến dùng bằng vật liệu Silic ở một số mạch có công suất lớn hơn ,ngời ta dùng chỉnh lu bằng vật liệu Selen hoặcThỷritor

-Trong mạch đang xét ta dùng chỉnh lu cầu (4 điot )để có đợc u thế hơn cả

1uF

BRIDGE 1to1

1k

Hình1: sơ đồ cầu chỉnh lu có bộ lọc bằng tụ A:Nguyên lý hoạt động:

Tại một nửa chu kỳ của điệnáp thứ cấp U2 một cặp van anot và catot mở cho dòng một chiều ra tải Cặp van còn lại khoá và hứng điệnáp ngợc cực đại có biên độU2 Trong nửa chu kỳ còn lại ,cặp van mở ban đầu đóng và hai cặp van sau lại mở.;

Trong mạch chỉnh lu

2

1

chu kì thành phần môt chiều I0 tăng gấp đôi so với mạch chính

2

1

chu kì, thành phần sóng hài cơ bản (n = 1)bị triệt tiêu, chỉ còn các sóng hài từ bậc

n = 2 trở lên Vậy mạch chỉnh lu hai

2

1

chu kì dã co tác dụng lọc bớt sóng hài

Điệnáp vào và ra chỉnh lu:

∞ ∞

it = I0 + ∑ Ansinnwt + ∑ Bncosnwt

n=1 n=1

_Trong đó I0 là thành phần một chiều và là tổng các sóng hài xoay chiều có giá trị , pha và tần số khác nhau phụ thuộc vào loại mạch chỉnh lu Vấn đề đặt ra là phải lọc các sóng hài này này để cho it đập mạch vì các sóng hài gây ra sự tiêu thụ năng lợng vô ích và gây ra ra nhiễu cho sự việc làm việc của tải

B: Dạng điệnáp chỉnh lu

U2

U2m

T/4 T/2 3T/4 T 5T/4 t

0

-U2m

Ul

U2m= U1m

t

0 T/4 T/2 3T/4 T 5T/4

-Ul

-Sơ đồ cầu u việt hơn sơ đồ cân bằng ở chỗ cuộn thứ cấp đợc sử dụng toàn bộ trong hai nửa chu kỳ điệnáp vào và điệnáp ngợc đặt trên điôt

_Vì có hai điot mắc nối tiếp luôn thờng trực nên điệnáp ra cực đại khi không tải nhỏ hơn so với điệnáp trong sơ đồ cân bằng

-Đặc tuyến của điot là một đờng gấp khúc

iD

∆a

∆b

UD

Hình2: đồ thị điệnáp bộ chỉnh lu.

_ Ngời ta đã tính toán rằng khi chỉnh lu

2

1

chu kì K =1,58, khi chỉnh lu hai nửa chu kì K = 0.667

Để thực hiện nhiệm vụ lọc nói trên , bộ lọc sau đợc dùng cho mạch thiết kế của đề

C: Ưu điểm:

Sơ đồ cầu thờng dùng trong trờng hợp điệnáp xoay chiều tơng đối lớn Tuy cũng là sơ đồ chỉnh lu toàn sóng nhng nó u việt hơn sơ đồ cân bằng ở chỗ cuộn thứ cấp đợc sử dụng toàn bộ trong hai nửa chu kỳ điệnáp vào và điệnáp ngợc đặt lên điốt trong trờng hợp này chỉ bằng một nửa điệnáp ngợc đặt lên trong sơ đồ cân bằng Điện áp ra cực đại khi không tải

5

Uˆ =›2-2›n ’Nghĩa là nhỏ hơn chút ít so với điệnáp ra trong sơ đồ cân bằng Vì ở đây luôn luôn có hai điôt mắc nối tiếp

3 Bộ lọc :

Sau khi có dòng điệnkhông bằng phẳng nhờ chỉnh lu , bộ lọc có tác dụng san bằng

điệnáp một chiều đập mạch U1 thành một chiều U01 ít nhấp nhô hơn

_ Nhờ có tụ nối song song với tải , mà điệnáp ra tải ít nhấp nhô hơn

A: Nguyên lý hoạt động :

_ Do sự nạp và phóng của tụ điệnqua

2

1

chu kì và do các sóng hài bậc cao đợc rẽ qua mạch C xuống điểmchung, dòng điệnqua tải chỉ còn thành phần dòng một chiều và một lợng nhỏ sóng hài bậc thấp Việc tính toán hệ số đập mạch của bộ lọc dùng tụ ta có công thức sau:

Kp =

1

2

WCR

Bộ lọc rất đa dạng ( lọc bằng tụ điện, bằng cuộn cảm , bằng cộng hởng ) song ta đi vào nghiên cứu bộ lọc bằng tụ điện

Tụ điệnđem nối song song với tải điện.Tụ nạp và phóng cứ

2

1

chu kỳ một lần cộng các sóng bậc cao làm dòng điệnra là một chiều cộng sóng hài bậc thấp Bằng cách đó có thể giảm đợc độ gợn sóng của điệnáp ra

Khi điệntrở tải Rlớn thì C có thể đợc nạp tới giá trị đỉnh của điệnáp xoay chiều :

ur≈›2-Un

Lúc này ta có mạch chỉnh lu giá trj đỉnh khác với mạch chỉnh lu giá trị trung bình Điện áp ngợc đặt trên đíôt lớn gâp 2 so với trờng hợp không có bộ lọc

Hình: 3: Bộ lọc bằng tụ điện:

KP =biên độ sóng hài lớn nhất của it (hayUt)

Giá trị trung bình của it (hayUt)

Thực nghiệm cho thấy KP=

t WCR

2

KP càng nhỏ thì chất lợng lọc càng cao Trị số tụ C cỡ vài àF ữvài nghìn àF

B : Dạng điệnáp vào và ra :

UL

t

UV

t

_ ở chu kì dơng điệnáp sẽ đợc nạp vào tụ tới trị số trị số của điệnáp vào Nếu không có tải và không tổn hao thì điệnáp có thể duy trì ở mức đỉnh Tuy nhiên sự có mặt của tải khiến cho điệnáp giảm chậm nh hình vẽ Do thời gian nạp ngắn , dòng nạp đỉnh ngắn, dòng nạp

đỉnh có thể khá lớn và yếu tố quan trọng khi chúng ta chọn đi ốt chỉnh lu Khi chọn giá trị của tụ điệnnên chọn tụ hoá và đặc biệt chú ý đến điệnáp cực đại đặt lên tụ điều

4: ổn áp:

Các mạch ổn áp (ổn định) có nhiệm vụ giữ cho điệnáp ra hoặc dòng điệnra của một thiết bị cung cấp không đổi khi điệnáp vào thay đổi cũng nh khi tải hoặc nhiệt độ thay đổi Thông thờng các mạch ổn định có tác dụng giảm ũ và giảm tạp âm do đó dùng mạch ổn

định có thể giảm nhỏ kích thớc của thiết bị cung cấp nhờ tiệt kiệm đợc các tụ điệnvà

điệncảm lọc

4.1 Mạch ổn áp dùng điốt Zener

Các mạch chỉnh lu có tụ lọc Ct không có tính chất ổn áp một chiều , vì trở kháng đối với thành phần một chiều của tụ rất lớn

Trong trờng hợp này dùng điôt Zener rất

có lợi Ngoài ra dùng điôt Zener còn có lợi hơn dùng các

khâu lọc thông thờng .Vì điệntrở trong của mạch

nhỏ và bằng điệntrở động rz của điốt Zener Hiệu

quả ổn áp của điốt đợc thể hiện tại đoạn đặc tuyến

ứng với u <-Uz Lúc này với lợng biến đổi dòng

Hình4 : điot Zener

điện∆i khá lớn thì ∆U biến thiên rất ít

4.2 Mạch ổn áp dùng điôt Zener kết hợp với Tranzito

Sơ đồ ổn áp dùng điôt Zener đã xét trong mục 4.1 thờng có công suất tổn hao khá lớn Pth =iz.Uz

Khi yêu cầu dòng ra tải lớn , phải chọn điốt có dòng lớn Diốt Zener chỉ thích hợp với các bộ chỉnh lu công suất nhỏ Có thể dùng các mạch ổn áp Zener có tầng ra là một mạch lặp emitơ để ổn áp cho các mạch chỉnh lu công suất lớn hơn

7

ZENER R

NPN

P

a> Điện áp cố định b> Điện áp ra thay đổi

Hình 5: Sơ đồ ổn áp dùng điôt Zener với mạch lặp emito ở đầu ra,

Vì Ri +rz’ nên mạch ổn áp loại này có điệnáp ra ít phụ thuộc vào tải Ngoài ra , do dòng qua điôt Zener nhỏ nên có thể chọn trị số của điệntrở R lớn để tăng hệ số ổn áp (biểu thức về G) mà tổn hao trên R không tăng Với sơ đồ hình 5b ,có thể lấy ra điệnáp U’r là một phần của Uz qua chiết áp P Nếu chọn điệntrở chiết ap P < rBE thì điệntrở trong của mạch tăng không đáng kể

4.3 Mạch ổn áp có hồi tiếp

Nguyên tắc thực hiện các sơ đồ ổn áp có hồi tiếp :

Trong mạch này ,một phần điệnáp ra đợc đa về so sánh với một giá trị chuẩn Kết quả

so sánh đợc khuyếch đại lên và đa đến phần tử điềukhiển Phần tử điềukhiển thay đổi tham

số làm cho đện áp ra trên nó thay đổi theo xu hớng tiệm cận dần đến giá trị chuẩn

-khâu này đa một phần điệnáp ra về so sánh với một giá trị chuẩn Giá trị điệnáp hồi tiếp

về có thể thay đổi đợc nhờ biến trở VR có thể điềukhiển đợc

VR

điệnáp đa về so sánh

R

Hình6: mạch hồi tiếp có thể điềukhiển đợc nhờ VR

4.4 Tạo điệnáp chuẩn của bộ ổn áp :

-Tạo điệnáp chuẩn là bộ phận cần thiết trong ổn áp.Đây là chuẩn để so sánh điệnáp ra .Độ ổn định của bộ này luôn đợc tính là mốc của độ ổn định điệnáp ra

-Mạch này sử dụng bằng điot Zener:

ZENER R

hình 5: mạch điềuáp chuẩn Zener

1k

1K

1k

1k 1k

-Nguyên lý hoạt động : Do đợc chế tạo đặc biệt điot Zener làm viếc ở chế độ đánh thủng

và sự chuyển tiếp P-n khi phân cực ngợc.Điện áp ngợc đặt trên địot làm phát sinh ra hiện t-ợng đánh thủng làm ổn áp có thể ổn định đợc nhờ dòng bão hoà

4 6 : Bộ so sánh của ổn áp :

- Bộ này so sánh điềuáp đợc hồi tiếp về với điệnáp chuẩn

-Nhằn tích kiệm và tối đa hoá hữu ích các chi tiết mạch , ta sử dụng IC thuật toán Phù hợp với mạch đang xét ,ta dùng IC MC 4741

4.7 : Bộ khuyếch đại của ổn áp :

-Tín hiệu đợc lấy ra từ bộ so sánh đa vào để khuyếch đại tín hiệu IC MC 4741 cũng có tầng khuyếch đại vi sai nên đợc kết hợp làm bộ khuyếch đại

4.8 : Phần tử điềukhiển :

-Phần tử làm thay đổi tham số điệnáp ra theo su hớng tiệm cận dần đến giá trị chuẩn -Phần này ta dùng trazito công suất , Tranzito công suất co tri số công suất đủ lớn cũng

nh cấu hình đầu thoát nhiệt thích hợp Thờng trazito đợc mắc theo mạch lặp emiter Độ sụt

áp bazơ - emiter của tranzito điềukhiển thờng là một khối thuận của hệ hồi tiếp vòng đóng

và tác duịng của nó bị loại trừ đối với điệnáp tải

5: Xây dựng nguyên lý toàn mạch:

_ Điện áp vào ổn áp Uvào =20v

_ Điên áp ra mạch ổn áp Ura =(9:12)v

_ Điốt ổn áp có thông số Uz =6,3 v ;Iz=12mA

_ Dòng tảI It =250mA

_ Hệ số ổn định: 0,3%

Sơ đồ nguyên lý toàn mạch:

6: Phần tính toán vi mạch

- Chọn D1ữD4 sao cho sụt áp = 0,7v

- Sụt áp toàn mạch : 2UĐ = Uvào + 2UĐ = 20 + 1,4 =21,4v

Chọn điot chỉnh lu: đIôt cầu 1BQ40 :

Điện áp đánh thủng : 40V

Dòng điệncực đại : 1A

Cấu tạo : Si

Ký hiệu chân : D-70

- Điện áp thứ cấp hiệu dụng của máy biến áp

9

U 2hd =

2

4 , 21

= 21,4 ì 0,707 ≈ 15 (v)

- Điện áp ngợc cực đại lên điot khoá = Uđ

- Địên áp ngợc cực đại lên tụ : C = U 2hd

- Chọn tụ hoá : C = 1000àF

- Điot Zener :U z = 6,3 v ⇒P= 75,6 (mW)

I z = 12 (mA) = 0,012 (A)

- Chọn Diot Zener : 1N4736 Diot có thông số: Motorla pkg: DO- 41 1,2

Điện áp ổn áp : 6.8V Công suất cực đại : 1W

- Chọn dòng vào IC thuật toán ≈ 0 ta có:

- Điện áp ra vào cực tiểu : Ura min = 9(v)

- Điện áp ra vào cực đại : U ra max = 12(v)

R

R

VR

z 12

2

2 ì =

+

025 , 0

12

2

max min

2

R

ra

I

U R

VR

Dòng điệnchạy trên nhánh hồi tiếp có (VR+R 2) nhỏ hơn dòng Zt theo thực tế là

10 lần nên

10

2 t

R

I

I =

R

R

3 , 6

12

2

2 = ≈

+

(VR+R2)min ≥0,48( )ΚΩ

Từ đó chọn VR= 228( )Ω = 0 , 228k Ω

R 2 =252 (Ω)=0,252 kΩ

( )Ω

=

−

=

− 1141,67

012 , 0

3 , 6 20

1

z

z vao

I

U

U

R

ΚΩ

≈ 1 , 142

1

R

Giá trị điệnáp ra : (9ữ12)V

• Tính công suất của tranzi to:

• I emax =I t +I R2max = 250mΑ + 25mΑ = 275( )mΑ

- Công suất tiêu tán trên tranzito

( )v U

U

U CEmax = vao − ramin = 20 − 9 = 11

( )ϖ

025 , 3 275 , 0 11

E I

Chọn Tranzito: 2N3053: pkg: TO—53,2,1

Công suất cực đại : 5W

Tần số làm việc : 185 MHz

Điện áp: 40V

Dòng colectto cực đại : 700mA

Kết luân : Với với dòng điệnáp xoay chiều 220V ,để có đợc bộ ổn áp dùng vi mạch ,ta sử dụng các linh kiện sau:

Điot cầu

Điot Zener

Tranzito

IC khuyếch đại thuật toán :

R1

R2

VR

.

1BQ40 1N4736 2N3053 MC4741

1142 Ω

252 Ω

228 Ω

III Kết luận :

Ôn áp trên có những mặt u điểm–khuyết điểmsau:

1.Ưu điểm

-Độ ổn định cao

Điệnáp ra có thể thay đổi đợc theo ý muốn nhờ VR điều khiển trong khoảng (9-12)V

-Linh kiện đễ tìm ,sẵn có

2 Nh ợc điểm:

-Hiệu suất thấp do tiêu hao năng lợng nhiều

-Trazito và bién áp hỏng ngay lập tức khi dòng quá tảI

-Khối lợng cũng nh kích thớc đều khá lớn

Ôn áp dùng vi mạch trong thực tế đợc sử dụng rất rộng rãi và quen thuộc với mọi

ng-ời Để có thể thiết kế chế tạo nó ,cũng không phức tạp Trong đồ án môn học này ,ta thiết kế mạch ổn áp dùng vi mạch nối tiếp kết hợp giữa trazito và IC có điềuchỉnh

điềuáp ra sao cho thoả mãn đề bàI Ura =(9-12)V.Dù đã rất cố gắng lựa chọn các linh kiện sẵn có mà kinh tế nhất và thiết kế các kết nối đơn giản nhất ,song vẫn không thể

11

tránh khỏi những thiếu sót bất cập xảy ra Vậy mong sự góp ý và chỉ bảo của các thầy cô cùng các bạn đọc

50.0Hz

-220/220V

2N3053

1N4736

500uF

1000uF

252

200 A

13