ĐỒ Án thiết kế mạch nguồn 1 chiều 12V5A thầy Hà Xuân Hòa

L LỜ Ờ ỜIIII N N NÓ Ó ÓIIII ĐẦ ĐẦ ĐẦU UNgày nay cùng với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, các thiết bị điện tử đang và sẽ được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong hầu hết trong các lĩ

Thi Thiếếếếtttt k k kếếếế m m mạ ạ ạch ch ch ngu ngu nguồ ồ ồn n n m m mộ ộ ộtttt chi chi chiềềềều u u 12V-5A 12V-5A

L LỜ Ờ ỜIIII N N NÓ Ó ÓIIII ĐẦ ĐẦ ĐẦU U

Ngày nay cùng với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, các thiết bị điện

tử đang và sẽ được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong hầu hết trong các lĩnhvực kinh tế- xã hội cũng như trong đời sống thông tin liên lạc của con người

và của xã hội Trong hầu hết các thiết bị điện tử đó ,vấn đề nguồn cung cấp

là một trong những vấn đề quan trọng nhất quyết định đến sự làm việc ổnđịnh của hệ thống Nhìn chung ,các thiết bị điện tử đều sử dụng các nguồnđiện một chiều được ổn áp với độ chính xác và ổn định cao Các bộ nguồnmột chiều được chế tạo dưới dạng thiết bị sạc cho các thiết bị điện tử Hiệnnay kỹ thuật chế tạo các nguồn điện ổn áp cũng đang là một khía cạnh đangđược nghiên cứu phát triển với mục đính tạo ra các khối nguồn có công suấtlớn, độ ổn định, chính xác cao, đồng thời kích thước nhỏ gọn để dễ dàngmang đi và sử dụng một cách thuận tiện

Nguồn một chiều có thể đáp ứng cho các tải một chiều sử dụng trực tiếpđiện áp được biến đổi từ bộ nguồn , hoặc sử dụng thêm biến áp để tăng điện

áp hoặc tăng dòng cho những tải hoặc động cơ công suất lớn

Từ những ứng dụng quan trọng đó của nguồn một chiều và để củng cố kiếnthức đã học về điện tử công suất và điện tử tương tự áp dụng vào trong thực

tế đời sống Vì vậy, em đã chọn đề tài " Thiết kế mạch nguồn ổn áp12V-5A" để qua đó tìm hiểu thêm về nguyên lí hoạt động , cũng như các bộphận hợp thành mạch nguồn một chiều

Trong quá trình thực hiện đề tài của mình , em xin cảm ơn thầy Hà XuânHòa đã hướng dẫn em hoàn thành đề tài này

Do còn nhiều thiếu xót trong kiến thức của bản thân , thiết kế chắc chắn sẽkhông tránh khỏi những sai sót Em rất mong nhận được những ý kiến đónggóp quý báu của thầy để thiết kế của em được trọn vẹn hơn

Ch Chươ ươ ương ng ng 1 1 1 :::: T T Tổ ổ ổng ng ng quan quan quan v v vềềềề ngu ngu nguồ ồ ồn n n m m mộ ộ ộtttt chi chi chiềềềều u

I I Kh Kh Khá á áiiii ni ni niệệệệm m m chung chung chung v v vềềềề ngu ngu nguồ ồ ồn n n m m mộ ộ ộtttt chi chi chiềềềều u

Nguồn một chiều có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng điện xoay chiềuthành năng lượng điện một chiều có mức điện áp ổn định và công suất cầnthiết để cung cấp năng lượng một chiều cho các mạch và các thiết bị điện tửhoạt động

Yêu cầu của nguồn một chiều trong trường hợp này là điện áp ra không phụthuộc vào điện áp mang của tải Để có được yêu cầu đó thì ta cần dùngmạch điều khiển để ổn định điện áp , hoặc sử dụng các IC chuyên dụng để

ổn áp

Hình 1 biểu diễn sơ đồ khối của một bộ nguồn hoàn chỉnh với các khốichức năng như sau :

+ + Biến áp : Biến đổi điện áp lưới xoay chiều của lưới 220V-50Hz thành

điện áp xoay chiều U1 có điện áp nhỏ hơn thích hợp để chuẩn bị đưa quachỉnh lưu

+ + Chỉnh lưu : Có nhiệm vụ chuyển điện áp xoay chiều U1 thành điện áp

một chiều không bằng phẳng có giá trị thay đổi nhấp nhô(Ut) Sự thay đổinày phụ thuộc vào dạng mạch chỉnh lưu mà ta sử dụng với yêu cầu điện áp

và dòng tải của các thiết bị điện tử

+ + Bộ lọc : Có nhiệm vụ san bằng điện áp một chiều sau chỉnh lưu từ nhấp

nhô (Ut) nhiều trở nên ít nhấp nhô và gần như bằng phẳng (U't)

+ + Ổn áp một chiều : làm nhiệm vụ ổn định điện áp ở đầu ra khi điện áp và

tần số lưới thay đổi

II.Ch II.Chỉỉỉỉnh nh nh llllư ư ưu u u ,,,, b b bộ ộ ộ llllọ ọ ọcccc v v và à à ổ ổ ổn n n á á áp p p đ đ điiiiệệệện n n á á áp p

1 1 Ch Ch Chỉỉỉỉnh nh nh llllư ư ưu u

Các phần tử tích cực dùng để chỉnh lưu là các phần tử có đặc tuyến V-Akhông đối xứng sao cho chỉ cho dòng điện đi qua nó theo một chiều Đểcông suất ra nhỏ hoặc trung bình người ta có thể dùng điode Để công suất

ra lớn và có thể điều chỉnh điện áp tùy ý thì người ta sử dụng thyristor đểchỉnh lưu

Do yêu cầu của chúng ta cần thiết kế nguồn một chiều 12V-5A nên trongtrường hợp này ta sẽ xét đến 3 mạch chỉnh lưu không điều khiển sử dụngdiode là chỉnh lưu một pha một nửa chu kì , chỉnh lưu một pha hai nửa chu

kì có điểm giữa và chỉnh lưu cầu một pha

a a Ch Ch Chỉỉỉỉnh nh nh llllư ư ưu u u m m mộ ộ ộtttt pha pha pha m m mộ ộ ộtttt n n nử ử ửa a a chu chu chu k k kìììì

Hình 2 chỉnh lưu tia một pha ( chỉnh lưu một pha một nửa chu kì )

Mạch van chỉ có một van duy nhất là diode D1 Trong nửa chu kì đầu khiđiện áp đặt vào mạch van U1 >0 với cực tính dương thì trên diode D1 dẫn Ởnửa chu kì sau điện áp U1 đảo dấu ( cực tính trong ngoặc sơ đồ ) nên diodeD1 khóa , vì thế Ud=0 Ta có điện áp chỉnh lưu nhân được trên tải làUd=0.45 U1

Mạch chỉnh lưu tia một pha cho điện áp ra không liên tục ( chỉ có điện áptrong nửa chu kì đầu) Điện áp ngược trên van Ung= 2U1 Sba= 3.09Pd

Mạch chỉnh lưu một pha hình tia sử dụng số van là ít nhất tuy nhiên điện ápngược trên van tương đối cao , điện áp ra không liên tục nên là nhìn chungchỉnh lưu tia một pha có chỉ tiêu kĩ thuật kém , chỉ thích hợp với tải nhỏ vàđiện áp thấp không có yêu cầu cao hay cần ổn định điện áp

Ta có điện áp sau chỉnh lưu Ud=0.9 U1 Điện áp ngược cực đại trên van

c c Ch Ch Chỉỉỉỉnh nh nh llllư ư ưu u u ccccầ ầ ầu u u m m mộ ộ ộtttt pha pha

Mạch chỉnh lưu có 4 van D1,D2,D3,D4 chia làm hai nhóm : D1,D3 nhómcatôt chung , D2,D4 nhóm anôt chung Nguồn xoay chiều đưa vào mạch vanđược lấy trực tiếp từ lưới điện hoặc thông qua biến áp( như hình vẽ )

Hình 4 : Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha

Trong nửa chu kì đầu , điện áp U1 với cực tính không trong ngoặc U1>0 ,

ta thấy trong nhóm catôt chung D1, D3 thì anôt D1 dương hơn anôt D3 vìvậy D1 sẽ dẫn Còn ở trong nhóm D2,D4 thì catôt D2 âm hơn catôt D4 vìvậy D2 dẫn

Như vậy trong nửa chu kì đầu D1,D2 dẫn , tương tự trong nửa chu kì sau(U1<0 ) lập luận tương tự D3,D4 dẫn , diode D1,D2 khóa

Vì vậy , dạng điện áp ra tải Ud của chỉnh lưu cầu và của chỉnh lưu hình tiahai pha hoàn toàn giống nhau do đó ta cũng có Ud=0.9U1 Điện áp ngượctrên van Ung= 2U1 Pba=1.23Pd.

Chỉnh lưu cầu một pha được sử dụng khá rộng rãi trong thực tế nhất là vớiđiện áp trên 10V , dòng tải có thể lên đến một trăm ampe Ưu điểm củamạch này là có thể không dùng biến áp Nhược điểm của nó là có hai diodetham gia dẫn dòng , nhóm diode lẻ dẫn dòng ra tải , diode chẵn dẫn dòng từtải về nguồn , như vậy sẽ có sụt áp lớn do hai diode gây ra , chính vì vậymạch cầu không thích hợp với chỉnh lưu điện áp thấp dưới 10V khi dỏng tảilớn

2.B 2.Bộ ộ ộ llllọ ọ ọcccc

Như đã biết , bộ lọc có nhiệm vụ làm phẳng điện áp sau chỉnh lưu Trongthực tế có rất nhiều bộ lọc làm phẳng nhưng ta chỉ để cập đến 2 bộ lọc cơbản thường dùng sau :

a a L L Lọ ọ ọcccc đ đ điiiiệệệện n n ccccả ả ảm m

Loại này chỉ dùng một điện cảm L mắc nối tiếp với tải Điện áp sau chỉnh

lưu có thể coi bao gồm 2 loại nguồn điện áp : nguồn một chiều và nguồnxoay chiều là các sóng hài Nguồn một chiều không bị điên cảm cản trỏ Nguồn xoay chiều sẽ bị sụt áp trên L trước khi đưa đến tải theo quan hệ chia

điện áp X X L càng lớn hơn R R tttt thì thành phần xoay chiều trên R R ttttcàng nhỏ , điềunày cảng tốt bởi thành phần xoay chiều là nguyên nhân gây nên đập mạch Lọc bằng điện cảm rất phù hợp với tải công suất lớn vì tải công suất càng

lớn thì điện trở tải R R tttt sẽ càng nhỏ dễ dàng thực hiện điều kiện lọc tốt

(X X L >>R tttt)

Hình 5: Sơ đồ lọc điện cảm

b b L L Lọ ọ ọcccc đ đ điiiiệệệện n n dung dung

Điện dung C được đấu song song với tải Với nguồn một chiều tụ điệnkhông ảnh hưởng Với nguồn xoay chiều tụ dung C phản ứng theo tổng trở

X cccc X X cccccàng nhỏ hơn Rt thì dòng xoay chiều càng bị hút vào đường đi theo

tụ điện, càng ít dòng xoay chiều qua tải thì hiệu qủa lọc càng cao

Lọc điện dung rất khó thực hiện với tải công suất lớn vì khi Rtcàng nhỏ thìcàng khó thực hiện điều kiện lọc tốt , lúc đó tụ C sẽ phải rất lớn do đó lọc tụchỉ dùng cho tải công suất nhỏ

Hình 6: Sơ đồ lọc điện dung

b b Ph Ph Phâ â ân n n lo lo loạ ạ ạiiii

+ Ổn áp tuyến tính :Ổn áp tham số ( ổn áp dùng điode zenner)

+ Ổn áp xung:là ổn áp dựa trên nguyên lý hồi tiếp (nguyên lý bù), trong đóphần tử diều chỉnh làm việc ở chế độ xung

Ta xét mạch ổn áp có hồi tiếp với nguyên tắc thực hiện sơ đồ ổn áp có hồitiếp Nguyên tắc làm việc của sơ đồ ổn định có hồi tiếp được biểu diễn nhưsau :

Hình 7 : Sơ đồ ổn định có hồi tiếp

Trong mạch này, một phần điện áp ra được đưa về so sánh với một giá trịchuẩn 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 ra trên nó thay đổi theo

xu hướng tiệm cận đến giá trị chuẩn

Tùy theo phương pháp cấu trúc, các sơ đồ ổn định có hồi tiếp được chiathành hai loại cơ bản: ổn định song song và ổn định nối tiếp Do sơ đồ nối

tiếp có tổn hao ít hơn sơ đồ song song nên hiệu suất cao hơn và nó đượcdùng phổ biến hơn.

Ưu điểm của sơ đồ song song là không gây nguy hiểm khi quá tải vì nóngắn mạch đầu ra Sơ đồ nối tiếp yêu cầu phải có thiết bị bảo vệ vì khi quátải ,dòng qua phần tử điều chỉnh và qua bộ điều chỉnh sẽ quá lớn gây nênhỏng phần từ điều chỉnh hoặc biến áp

Để thu nhỏ kích thước cũng như chuẩn hóa các tham số của các bộ ổn ápmột chiều kiểu bù tuyến tính người ta chế tạo chúng dưới dạng vi mạch, nhờ

đó việc sử dụng cũng dễ dàng hơn Các bộ IC ổn áp trên thực tế cũng baogồm các thành phần tử chính là bộ tạo điện áp chuẩn, bộ khuếch đại tín hiệusau lệch, transistor điều chỉnh, bộ hạn dòng

Các IC ổn áp tuyến tính thường đảm bảo dòng ra từ 100mA-1.5A, điện áptới 50V Các IC ổn áp thường dùng trong thực tế là 78xx( điện áp dương ) ,79xx( điện áp âm), LM323,LM317, lM723

Ch Chươ ươ ương ng ng 2 2 2 :::: L L Lự ự ựa a a ch ch chọ ọ ọn n n ssssơ ơ ơ đồ đồ đồ v v và à à linh linh linh ki ki kiệệệện n n thi thi thiếếếếtttt k k kếếếế

I I L L Lự ự ựa a a ch ch chọ ọ ọn n n ph ph phươ ươ ương ng ng á á án n n thi thi thiếếếếtttt k k kếếếế

Các yêu cầu kĩ thuật của khối nguồn :

+ Điện áp nguồn cấp 220V, tần số nguồn cấp 50Hz

+ Điện áp ra tải 12VDC

+ Dòng điện ra tải 5A

Dựa vào các yêu cầu kĩ thuật của khối nguồn ta sẽ đưa ra phương án thiết

kế cho từng khối của bộ nguồn , sau đó đưa ra sơ đồ nguyên lí của bộ nguồnmột chiều 12V-5A

1 1 Bi Bi Biếếếến n n á á áp p

Do nguồn ổn áp được sử dụng ở điện áp lưới 220V-50Hz và điện áp (dòngđiện ) ra tải là 12V-5A có công suất cực đại là 60W nên ta sẽ sử dụng biến áp

có điện áp vào là 220V, điện áp ra là 25V - dòng ra 5A

2.M 2.Mạ ạ ạch ch ch ch ch chỉỉỉỉnh nh nh llllư ư ưu u u v v và à à b b bộ ộ ộ llllọ ọ ọcccc ngu ngu nguồ ồ ồn n

Do điện áp ra là 12V, dòng ra là 5A,công suất nguồn cực đại nhỏ (60W)nên ta sẽ chọn bộ chỉnh lưu cầu một pha Ưu điểm của loại chỉnh lưu này làđiện áp ít nhấp nháy , điện áp ngược trên van nhỏ hơn so với chỉnh lưu tiahai pha , tuy nhiên do có 2 van cùng dẫn trong mỗi nửa chu kì nên sụt áp sẽlớn hơn so với chỉnh lưu tia hai pha nhưng nhìn chung chỉ tiêu kĩ thuật củachỉnh lưu cầu một pha này là tốt hơn

Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp một chiều sau chỉnh lưu vốn nhấpnhô nhiều trở nên ít nhấp nhô hơn ( hoặc cũng có thể tương đối bằng phẳng)

để sử dụng cho tải

Bộ lọc được sử dụng trong trường hợp này là lọc điện dụng do công suất tải

là nhỏ , phương pháp khá đơn giản nhưng hiệu quả khá cao

a) a) IC IC IC ổ ổ ổn n n á á áp p p LM723 LM723

Hình 8 : Sơ đồ cấu tạo của IC LM723

+ Chân 4 và 5 là hai đầu vào của tầng khuếch đại so áp, chân

4 là ngõ vào đảo và chân 5 là ngõ vào không đảo

+ Chân 11 là đầu ra lấy trên chân C của transistor

+ Chân 10 là đầu ra lấy trên chân E của transistor

+ Chân 13 là ngõ ra của tầng so áp và cũng là chân B củatransistor, nó có tác dụng hồi tiếp cho tầng so áp, và cũng được dùng làmmạch ngắt áp của mạch bảo vệ dòng

+ Chân 3 và chân 2 là chân B và chân E của transistor, dùnglàm mạch bảo vệ tránh hiện tượng quá dòng

+ Chân 9( VZ) tạo chức năng ổn áp cho chân E củatransistor đầu ra

+ Chân 1 và chân 8 bỏ trống

Mạch nguồn dùng IC ổn áp LM723 có dải điều chỉnh từ 2 đến 37 V

Vì chỉ để nguồn ra ổn định là 12V nên dùng sơ đồ sau :

Hình 9 : Mạch nguyên lí nguồn sử dụng IC LM723

Vout=

2

2 1

*

R

R R

b)

b) Ph Ph Phươ ươ ương ng ng ph ph phá á áp p p n n nâ â âng ng ng d d dò ò òng ng

Sử dụng tranzitor công suất gắn vào chân số 10 để kéo dòng từ nguồn cungcấp qua Ở đây ta sẽ sử dụng 3 tranzitor công suất là 2N3055 ( 15A-115W)

để khuếch đại dòng lên 5A Khi LM723 hoạt động thì chân số 10 sẽ tạo đầu

ra để kích cho cac tranzitor công suất kéo dòng từ nguồn qua tải Thực tếtrong quá trình làm việc các tranzitor công suất sẽ rất nóng vì vậy ta sẽ sửdụng các cánh tản nhiệt cho chúng

c) tranzitor tranzitor tranzitor ccccô ô ông ng ng su su suấ ấ ấtttt 2N3055 2N3055

Đây là bóng dẫn silicon loại NPN Nó được giới thiệu vào năm 1960 bởiRCA

Hình ảnh về 2N3055:

Hình 10: Hình ảnh của tranzitor công suất 2N3055

Sơ đồ nguyên lí chân của 2N3055:

Hình 11 : Cấu tạo của tranzitor công suất 2N3055

Ch Chươ ươ ương ng ng 3 3 3 :::: T T Tíííính nh nh to to toá á án n n th th thô ô ông ng ng ssssố ố ố ccccá á ácccc thi thi thiếếếếtttt b b bịịịị,,,, m m mạ ạ ạch ch

độ động ng ng llllự ự ựcccc

I I Bi Bi Biếếếến n n á á áp p

Sử dụng biến áp 220/25V-5A để cấp nguồn cho mạch

Hình 12: Máy biến áp 220/25V-5A

Theo đặc tính kĩ thuật của LM7812 thì điện áp vào IC cần thỏa mãn yêucầu điện áp vào (Vin ): 14.5 < Vin < 27 (V) Mặt khác , ta sử dụng biến áp220/25-5A do đó điện áp trên cuộn thứ cấp là U2=25V, ta cũng cần phải tínhđiện áp rơi trên hai diode nên điện áp sau chỉnh lưu ( cũng là điện áp vào IC)

n

n

3 11

1

240 2=30V

Ta có dòng điện ra trên khối cũng là dòng điện ra trên cuộn thứ cấp của

máy biến áp Ira= I2=5A Do đó công suất lớn nhất mà máy biến áp cung cấp

2

P

=

9 0

n

n

3 11

=0.15(mm2)Đường kính dây cuốn biến áp trên cuộn sơ cấp

=0.44(mm)Cuộn thứ cấp I2=5A:

=1.458(mm)+ Tỉ số vòng dây của máy biến áp

n1=U1

S

45

( vòng )

Số vòng trên cuộn thứ cấp là:

n2=n1/11.3=720:11.3=63 (vòng)

Vậy ta lựa chọn máy biến áp có đặc tính sau :

Diện tích tiết diện lõi biến áp 15cm2

Đường kính dây cuốn biến áp :

ta chọn điện áp cầu là 50V Do đó ta chọn cầu GBPC800 ( 50V-8A)

2 2 Kh Kh Khố ố ốiiii llllọ ọ ọcccc ngu ngu nguồ ồ ồn n

Hình 13 : Khối chỉnh lưu và lọc nguồn

Sau khi qua khối chỉnh lưu cầu , tụ lọc phải đảm bảo chịu được điện áp lớnnhất là 30V nên ta chọn tụ lọc có U=35V

Để xác định điện dung của tụ ta dựa vào công thức sau :

C1=

K R f

1

* 1

Trong đó : m : số lần đập mạch

R: Điện trở tải tương đương với dòng cực đại qua chỉnh lưu

K: hệ số đập mạch của điện áp chỉnh lưu

Do đó ta có : với mạch chỉnh lưu cầu một pha : m=2 ; K=0.67

Điện trở tải tương đương R=

1

* 1

67 0

* 4 2

* 50 2

1

* 2

1

Vậy ta chọn tụ lọc 4700uF/35V ( tụ hóa ) Kí hiệu là PCELECT 4700U 35VNgoài ra ta sử dụng thêm một tụ điện thường C2= 104pF để hiệu quả lọcđạt được cao hơn

III.Kh

III.Khố ố ốiiii llllấ ấ ấy y y đ đ điiiiệệệện n n á á áp p p ra ra

Dòng điện đầu ra của LM723 chỉ đạt lớn nhất là 150mA nên để đạt đượcdòng điện lên đến 5A thì ta phải sử dụng các tranzitor công suất mác songsong để kéo dòng lên Để bảo vệ chống quá dòng cho mạch, ta sử dụng chân

số 2 và chân số 3 của LM723 và các trở công suất R4 và R5 0.15Ω-5W nhỏ

để tại ra mức điện áp là 0.7V , khi dòng đạt 5A thì sẽ kích mở 1 tranzitortrong LM723 ( cực B của tranzitor là chân số 2 ) Khi đó tranzitor dẫn và kéođầu ra về mass là cho đầu ra về 0V

Dựa vào tính chất của điện áp ra sau nguồn ổn áp LM723 ta có

Vmin=

3 1 2

2 1

2

*

R R

R R

+ =

87 4 15 7

87 4

* 15 7

Để tăng độ ổn định cũng như lọc nhiễu cho nguồn đầu ra thì ta sử dụngthêm 1 tụ điện C4=100uF kí hiệu là PCELECT100u 63V