241311

Lời nói đầu Nh chúng ta đã biết ,hầu hết các mạch điện tử ngày nay đều đợc cung cấp năng l- ợng bởi nguồn một chiều. Có thể đó là những nguồn có sẵn nhng đại đa số đều đợc biến đổi từ điện lới sang điện một chiều. Việc chuyển từ điên lới xoay chiều sang điện một chiều đợc thực hiện dễ dàng các mạch chỉnh lu, ví dụ mạch chỉnh lu cầu. Nhng điện áp một chiều sau chỉnh lu có gợn sóng lớn, mặt khác điện áp này không ổn định, có thể dễ dàng bị biến đổi khi U lới thay đổi. Điều này gây ảnh hởng rất lớn đến sự ổn định của mạch điện tử và tuổi thọ của các kinh kiện nh IC, transistor Chúng ta có thể khắc phục nhợc điểm trên bằng cách mắc sau chỉnh lu một bộ ổn áp để đảm bảo sự ổn định cho các thông số làm việc của mạch điện tử, khi mà in áp lới biến thiên trong một khoảng nào đó. Nh vậy, chúng ta thấy rằng, chỉnh lu bao giờ cũng đi liền với ổn áp, công việc thiết kế ra một bộ nguồn ổn áp để dùng cho các mạch điện tử là việc hết sức cơ bản và rất cần thiết đối với một nhà thiết kế. ở trong bài này, em xin trình bày cách thiết kế một bộ ổn áp với đầu vào là điện lới xoay chiều, đầu ra là điện áp một chiều với các thông số đợc nêu dới đây. Qua 2 học kì đợc học bộ môn Kĩ thuật Mạch điện tử , em đã đợc trang bị những kiến thức cơ bản về mạch điện tử , giờ đây em muốn đợc kết hợp lý thuyết với thực hành, bắt tay thiết kế một mạch điện đơn giản để tiếp cận với thực tiễn . Do hiểu biết của em còn có giới hạn ,trong trình bày chắc chắn sẽ còn nhiều sai sót. Mong thày giáo sẽ chỉ bảo thêm cho em để em đợc hoàn thiện thêm về lý thuyết và thực hành. ChØ tiªu cña nguån æn ¸p : o U r =12V. o I r =6A. o U líi = (80→130)V. o §é gîn sãng : 5 %. Phần I : lựa chọn sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lýCủa mạch ổn áp. Mạch ổn áp đợc thực hiện nhờ các khối nh sau: Khối Biến áp Khối Chỉnh lu Khối lọc K/đ điều chỉnh Khối khuyếch đại so sánh Khối phân áp Chúng ta sẽ xem xét chức năng, nguyên lý hoạt động của từng khối . I -Khối biến áp. Khối biến áp có nhiệm vụ biến đổi điện áp lới thành mức điện áp phù hợp đa vào khối chỉnh lu. Nó là một khối gồm các cuộn dây sơ cấp, thứ cấp đợc quấn trên một lõi thép gồm các lá thép kỹ thuật điện đợc dát mỏng ghép lại với nhau. Sở dĩ phải đợc cấu tạo từ các lá thép mà không phải là một khối thép đặc là vì để tránh dòng Fucô chạy trên đó, gây toả nhiệt . Trong sơ đồ mạch điện, biến áp đợc ký hiệu nh sau: Trong đó: n1 : là số vòng dây của cuộn sơ cấp. n2 : là số vòng dây của cuộn thứ cấp. U1 : Điện áp xoay chiều đặt ở đầu vào cuộn sơ cấp. U2 : Điện áp xoay chiều ở đầu ra của cuộn thứ cấp. Nguyên tắc làm việc của biến áp nh sau: Khi đầu vào sơ cấp của biến áp ta đặt một đIện áp xoay chiều U1 = Ulới là tín hiệu hình sin (f=50Hz), trong lõi thép xuất hiện một từ trờng biến thiên theo quy luật hình sin giống nh 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. Mặt khác, quan hệ về biên độ của điện áp đầu ra và đầu vào của biến áp là tỷ lệ thuận với tỷ số vòng dây n1 và n2: 2 1 2 1 n n U U = Do đó, biến áp có khả năng hạ áp khi n1 > n2. Với bài thiết kế này ta phải hạ mức điện áp lới từ (80-130) V ,xuống còn tối thiểu là 16.5V . Trên cơ sở đó, ta sẽ tính toán các giá trị nh số vòng dây cuốn trên hai cuộn sơ cấp, thứ cấp, đờng kính dây cuốn , tiết diện của các lá thép phù hợp với đòi hỏi trên. ii . Khối chỉnh lu Nhiệm vụ : biến đổi năng lợng điện xoay chiều thành năng lợng điện một chiều. Nguyên tắc: sử dụng các phần tử tích cực có đặc tuyến A-V không đối xng sao cho dòng điện qua nó chỉ đi theo một chiều. Các phần tử tích cực thờng đợc sử dụng là: - Diode(Si, Ge): dùng khi công suất ra nhỏvà trung bình. - Thyristor : dùng khi công suất ra lớn, có thể điều chỉnh điện áp ra tuỳ ý. Trong chỉnh lu bằng diode , các mạch chỉnh lu thờng đợc dùng là: Mạch chỉnh lu nửa chu kỳ. Mạch chỉnh lu hai nửa chu kỳ: +Mạch chỉnh lu cân bằng. +Mạch chỉnh lu cầu. Mạch chỉnh lu bội áp. Ta chỉ quan tâm tới mạch chỉnh lu cầu. Phơng pháp chỉnh lu cầu có rất nhiều u điểm hơn so với các phơng pháp khác đó là tính ổn định của điện áp ra sau chỉnh l- u,điện áp ngợc tối đa mà mỗi điốt phải chịu đựng chỉ bằng 1/2 so với chỉnh lu nửa chu kỳ và độ gợn sóng của phơng pháp chỉnh lu này cũng giảm đi 2 lần so với chỉnh lu nửa chu kỳ. Nguyên lý của mạch chỉnh lu cầu: Trong từng nửa chu kỳ của điện áp thứ cấp U 2 ,một cặp van có anôt dơng nhất và katôt âm nhất mở cho dòng một chiều qua và cặp van còn lại khoá và chịu một điện áp ngợc cực đại bằng biên độ U 2m . Khi 10 ttt << : D1 và D3 thông, D2 và D4 tắt, Ura = Uvao. Khi 21 ttt << : D2 và D4 thông, D1 và D3 tắt, Ura = Uvao. Nh vậy, trong cả hai nửa chu kỳ, ta luôn có Ura > 0,tuy nhiên Ura = Uvao chỉ là lấy lý tởng, thực tế Ura = 2 Uvao 1,4V. Điện áp ra giảm 1,4V so với điện áp vào do sụt áp tổng cộng trên hai điốt thông trong mỗi nửa chu kỳ. Đối với hai Điốt tắt trong mỗi nửa chu kỳ, do điện áp đỉnh tối đa phân bố ngợc đều trên hai điôt do đó điện áp ngợc chỉ còn một nửa. Sau đây là giản đồ thời gian thể hiện quá trình trên Việc chọn giá trị tối đa về dòng và điện áp ngợc mà diôt phải chịu đựng phụ thuộc vào dòng và áp mà mạch ổn áp phải chịu đựng, cung cấp cho tải. III. Khối lọc: Tuy khối chỉnh lu đã biến đổi đợc điện áp xoay chiều thành điện áp và một chiều nhng điện áp ra sau chỉnh lu có độ gợn sóng lớn . Giá trị điện áp biến thiên từ 0 đến 2U vào 1,4V một cách chu kỳ,gọi là sự đập mạch(gợn sóng) điện áp hay dòng điện sau chỉnh lu.Sự đập mạch hay gớn sóng này là do các sóng hài gây nên làm mất mát năng lợng một cách vô ích và gây nhiễu loạn cho sự làm việc của tải. Để giảm độ gợn sóng ta sử dụng các bộ lọc. Các bộ lọc thờng đợc sử dụng là bộ lọc LC, RC . Trong thiết kế này ta dùng một tụ lọc RC có giá trị thoả mãn với chỉ tiêu độ gợn sóng là 5%. Khi dùng tải là tụ lọc C ở chế độ xác lập , do hiện tợng nạp và phóng điện của tụ C mạch lúc đó làm việc ở chế độ không liên tục. Sơ đồ nguyên lý mạch lọc bằng tụ điện : U2 Clọc Rt U2 t 0 U2 t 0 Khuếch đại điều chỉnh Khuếch đại so sánh Phân áp Tạo điện áp chuẩn Ta có công thức tính giá trị điện dung của tụ thông qua độ gợn sóng nh sau: gst chl loc KR T C 3 Trong đó: Hệ số gợn sóng K GS (thực tế thờng chọn )K GS =5%. Điện trở tải ( tức là điện trở đầu vào của khối ổn áp) Tần số của điện áp xoay chiều đầu vào chỉnh lu f lấy giá trị f=50Hz iv.khối ổn áp. Sơ đồ khối của khối ổn áp: KhốiKhuếch đại(KĐ) KhốiHồi tiếp (HT) Thực chất của bộ ổn áp so sánh là sử dụng biện pháp hồi tiếp âm nên ta có sơ đồ tơng đơng nh sau: Giả sử vì lý do nào đấy mà điện áp ra tăng lên một lợng U r thì lợng biến thiên này sẽ quay trở lại đầu vào nhờ bộ hồi tiếp âm. Tín hiệu hồi tiếp âm ngợcpha với tín hiệu vào do đó nó sẽ làm yếu tín hiệu vào và ngợc lại khi điện áp ra bị giảm đi một l- ợng U r thì tín hiệu vào sẽ có xu hớng tăng lên để chống lại sự giảm này. Bộ khuyếch đại phản hồi trong nguồn ổn áp là bộ khuyếch đại một chiều. a Nếu ta gọi hệ số khuếch đại của khối khuếch đại là K , của khối hồi tiếp là ht K và của toàn bộ mạch sau khi có hồi tiếp là 'K . Ta có quan hệ sau: g K KK K K ht = + = 1 ' Trong đó, g là độ sâu của phơng pháp hồi tiếp âm (g>1). Vậy, khi có hồi tiếp âm, hệ số khuếch đại giảm đi g lần. Mặt khác, với việc sử dụng mạch ổn áp này (hồi tiếp âm), ta có nhiều hiệu ứng khác rất có lợi: - Điện trở vào tăng g lần, làm hiệu suất từ các tầng trớc đa đến tầng này tăng lên, đồng thời điện áp cung cấp cho mạch này ít chịu ảnh hởng của sự biến đổi trở kháng ra của các tầng trớc. - 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 hởng rất tốt trong việc ổn định dòng điện và điện áp ra. Ta nhận thấy khi hồi tiếp âm sâu : ht KK >>1 do đó htht KKKK +1 . ht K K 1 ' Hệ số KĐ tổng quát chỉ phụ thuộc vào hệ số ht K . Điều kiện để hồi tiếp âm là: K + HT = 180 0