THIẾT KẾ NGUỒN MỘT CHIỀU ỔN ÁP CÓ ĐIỆN ÁP RA THAY ĐỔI (0 15V) 3A
MỤC LỤC Trang Mở đầu Phần I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT I. Khái niệm chung về nguồn một chiều II. Biến áp và chỉnh lưu III. Lọc các thành phần xoay chiều của dòng điện ra tải IV. Ổn định điện áp Phần II: THIẾT KẾ NGUỒN MỘT CHIỀU ỔN ÁP CÓ ĐIỆN ÁP RA THAY ĐỔI (0 ÷15V) 3A I. Sơ đồ khối của khối nguồn II. Lựa chọn phương án thiết kế Phần III: TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT VÀ LẮP RÁP MẠCH THỰC TẾ I. Tính toán thông số cho từng khối mạch II. Lắp ráp mạch thực tế Kết luận Tài liệu tham khảo Trương Văn Quyết MSSV: 0851010060 Đồ Án 1 Mở đầu 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 lĩnh vực kinh tế - xã hội cũng như trong đời sống. Trong tất cả các thiết bị điện tử vấn đề nguồn cung cấp là một trong những vấn đề quan trọng nhất quyết định đến sự làm việc ổn định của hệ thống. Hầu hết các thiết bị điện tử đều sử dụng các nguồn điện một chiều được ổn áp với độ chính xác và ổn định cao. Hiện nay kỹ thuật chế tạo các nguồn điện ổn áp cũng đang là một khía cạnh đang được nghiên cứu phát triển với mục đích tạo ra các khối nguồn có công suất lớn, độ ổn định, chính xác cao, kích thước nhỏ (các nguồn xung). Từ tầm quan trọng trong ứng dụng thực tế của nguồn điện một chiều ổn áp và dựa vào những kiến thức được học cũng như tự tìm hiểu, em đã chọn đề tài: “Thiết kế mạch nguồn một chiều ổn áp có điện áp ra thay đổi (0 ÷ 15V) 3A” để qua đó tìm hiểu kĩ hơn về nguyên lí hoạt động của các mạch nguồn đồng thời củng cố thêm kĩ năng trong thiết kế các mạch điện tương tự. Trong quá trình thực hiện đề tài em xin chân thành cảm ơn thầy giáo: Th.s Võ Đình Tùng đã tận tình hướng dẫn giúp em hoàn thành đề tài này. Do khả năng kiến thức bản thân còn hạn chế, đề tài chắc chắn sẽ không tránh những thiếu sót, em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn. Sinh viên thực hiện Trương Văn Quyết Thiết kế mạch nguôn DC ổn áp có điện áp ra thay đổi 0-15v, 3A 2 Trng Vn Quyt MSSV: 0851010060 n 1 PHN I: C S Lí THUYT I. KHI NIM CHUNG V NGUN MT CHIU Ngun mt chiu cú nhim v cung cp nng lng mt chiu cho cỏc mch v cỏc thit b in t hot ng. Nng lng mt chiu ca nú tng quỏt c ly t ngun xoay chiu ca li in thụng qua mt quỏ trỡnh bin i c thc hin trong ngun mt chiu. Yờu cu i vi loi ngun ny l in ỏp ra ớt ph thuc vo in ỏp mng, ca ti v nhit . t c yờu cu ú cn phi dựng cỏc mch n nh (n ỏp, n dũng). Cỏc mch cp ngun c in thng dựng bin ỏp, nờn kớch thc v trng lng ca nú khỏ ln. Ngy nay ngi ta cú xu hng dựng cỏc mch cp ngun khụng cú bin ỏp. S khi ca mt b ngun hon chnh c biu din nh sau: Hỡnh 1.1: S khi ca mt b ngun hon chnh Chc nng ca cỏc khi nh sau: Thit k mch nguụn DC n ỏp cú in ỏp ra thay i 0-15v, 3A Biến áp Mạch chỉnh lưu Bộ lọc ổn áp một chiều (ổn dòng) U 1 ~ U 2 ~ U T U O1 U O2 I T R T 3 Trương Văn Quyết MSSV: 0851010060 Đồ Án 1 - Biến áp để biến đổi điện áp xoay chiều U 1 thành điện áp xoay chiều U 2 có giá trị thích hợp với yêu cầu. Trong một số trường hợp có thể dùng trực tiếp U 1 mà không cần biến áp. - Mạch chỉnh lưu có nhiệm vụ chuyển điện áp xoay chiều U 2 thành điện áp một chiều không bằng phẳng U T (có giá trị thay đổi nhấp nhô). Sự thay đổi này phụ thuộc vào từng dạng mạch chỉnh lưu. - Bộ lọc có nhiệm vụ san bằng điện áp một chiều dập mạch U T thành điện áp một chiều U O1 ít nhấp nhô hơn. - Bộ ổn áp một chiều (ổn dòng) có nhiệm vụ ổn định điện áp (dòng điện) ở đầu ra của nó U O2 (I T ) khi U O1 thay đổi theo sự mất ổn định của U O1 hay I T . Trong nhiều trường hợp nếu không có yêu cầu cao thì không cần bộ ổn áp hay ổn dòng một chiều. Tùy theo điều kiện và yêu cầu cụ thể mà bộ chỉnh lưu có thể mắc theo những sơ đồ khác nhau và dùng các van chỉnh khác nhau. Bộ chỉnh lưu công suất vừa và lớn thường dùng mạch chỉnh lưu ba pha. Dưới đây chúng ta sẽ đi khảo sát từng khối nêu trên trong bộ nguồn một chiều. II. BIẾN ÁP NGUỒN VÀ CHỈNH LƯU 1. Biến áp nguồn Biến áp nguồn làm nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều của mạng điện thành điện áp xoay chiều có trị số cần thiết đối với mạch chỉnh lưu và ngăn cách mạch chỉnh lưu với mạng điện xoay chiều về một chiều: Hình 1.2: Biến áp nguồn 2. Chỉnh lưu Thiết kế mạch nguôn DC ổn áp có điện áp ra thay đổi 0-15v, 3A 4 Trương Văn Quyết MSSV: 0851010060 Đồ Án 1 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 đi qua nó chỉ đi qua nó chỉ đi qua một chiều. Người ta thường dùng chỉnh lưu Silic, để có công suất nhỏ hoặc trung bình cũng có thể dùng chỉnh lưu Selen. Để có công 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, sơ đồ chỉnh lưu cầu mà trong đó sơ đồ chỉnh lưu cầu có nhiều ưu điểm hơn cả. Mạch chỉnh lưu phải có hiệu suất (tỷ số giữa công suất ra và công suất hữu ích ở đầu vào) cao, ít phụ thuộc vào tải và độ gợn sóng của điện áp ra nhỏ. Sau đây ta sẽ xét về sơ đồ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ và sơ đồ chỉnh lưu cầu. a. Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ: Đặc điểm của mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ là trong cả hai nửa chu kì của điện áp xoay chiều đều có dòng điện chạy qua tải. Có hai loại sơ đồ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ: sơ đồ cân bằng và sơ đồ cầu. D1 D2 Ct R Ur Uv a. Sơ đồ cân bằng Thiết kế mạch nguôn DC ổn áp có điện áp ra thay đổi 0-15v, 3A 5 Trương Văn Quyết MSSV: 0851010060 Đồ Án 1 b. Đồ thị thời gian của điện áp ra Hình 1.3: Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ Điện áp cực đại khi không tải: n UUU −= 2 ˆˆ Trong đó U n là điện áp ngưỡng của diode, U 2 điện áp trên cuộn thứ cấp của biến áp. Điện áp ngược đặt lên diode (trong trường hợp C t ≠ 0): U ng = 2 U 2hd . b. Mạch chỉnh lưu cầu: Sơ đồ cầu thường được dùng trong trường hợp điện áp xoay chiều tương đối lớn. Tuy cùng là sơ đồ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ nhưng nó ưu việt hơn sơ đồ cân bằng ở chỗ cuộn thứ cấp được sử dụng toàn bộ trong hai nửa chu kỳ của điện áp vào và điện áp ngược đặt lên điôt trong trường hợp này chỉ bằng một nửa điện áp ngược đặt lên trong sơ đồ cân bằng. Điện áp ra cực đại khi không tải: nr UUU ′ −= 2 ˆˆ 2 nghĩa là nhỏ hơn chút ít so với điện áp ra trong sơ đồ cân bằng, vì ở đây luôn luôn có hai điốt mắc nối tiếp. Ct R UrUv Hình 1.4: Mạch chỉnh lưu cầu Ta thấy rằng trong từng nửa chu kỳ của điện áp thứ cấp 2 U , một cặp điốt có anôt dương nhất và katốt âm nhất mở, cho dòng một chiều qua t R , cặp điốt còn lại khóa và chịu một điện áp ngược cực đại bằng biên độ m U 2 . Thiết kế mạch nguôn DC ổn áp có điện áp ra thay đổi 0-15v, 3A U r 0 t Không có C t Có C t 6 Trương Văn Quyết MSSV: 0851010060 Đồ Án 1 Ví dụ tương ứng với nửa chu kỳ dương của 2 U , cặp điốt Đ 1 Đ 3 mở, Đ 2 Đ 4 khóa. Rõ ràng điện áp ngược đặt lên van lúc khóa có giá trị bằng một nửa so với trường hợp sơ đồ chỉnh lưu cân bằng đã xét trên, đây là ưu điểm quan trọng nhất của sơ đồ cầu. Ngoài ra, kết cấu thứ cấp của biến áp nguồn đơn giản hơn. Trong sơ đồ 1.4, nếu nối đất điểm giữa biến áp và mắc thêm tải ta có mạch chỉnh lưu có điện áp ra hai cực tính. Đây thực chất là hai mạch chỉnh lưu cân bằng. Ct R +Ur Uv Ct R -Ur Hình 1.5: Chỉnh lưu điện áp ra hai cực tính III. LỌC CÁC THÀNH PHẦN XOAY CHIỀU CỦA DÒNG ĐIỆN RA TẢI Trong các mạch chỉnh lưu nói trên điện áp hay dòng điện ra tải tuy có cực tính không đổi, nhưng các giá trị của chúng thay 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 ra tải là: ∑∑ ∞ = ∞ = ++= 11 0 cossin n n n nt tnBtnAIi ωω Trong đó 0 I là thành phần một chiều và ∑∑ ∞ = ∞ = + 11 cossin n n n n tnBtnA ωω là tổng các sóng hài xoay chiều có giá trị, pha và tần số khác nhau phụ thuộc và loại mạch chỉnh lưu. Vấn đề đặt ra là phải lọc các thành phần sóng hài này để cho t i ít đập mạch, vì các sóng hài gây sự tiêu thụ năng lượng vô ích và gây sự nhiễu loạn cho sự làm việc của tải. Thiết kế mạch nguôn DC ổn áp có điện áp ra thay đổi 0-15v, 3A 7 Trương Văn Quyết MSSV: 0851010060 Đồ Án 1 Trong mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ thành phần một chiều 0 I tăng gấp đôi so với mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ, thành phần sóng hài cơ bản (n=1) bị triệt tiêu, chỉ còn các sóng hài bậc từ n = 2 trở lên. Vì vậy mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ đã có tác dụng lọc bớt sóng hài. Người ta định nghĩa hệ số đập mạch K P của bộ lọc: K P càng nhỏ thì chất lượng của bộ lọc càng cao. Người ta đã tính toán rằng khi chỉnh lưu nửa chu kỳ K P = 1,58, khi chỉnh lưu hai nửa chu kì K P = 0,667. Để thực hiện nhiệm vụ lọc nói trên, các bộ lọc sau đây thường được dùng: 1. Lọc bằng tụ điện Trường hợp này đã được nêu ra trong trường hợp tải điện dung của mạch chỉnh lưu. Nhờ có tụ nối song song với tải, điện áp ra tải ít nhấp nhô hơn. C Rt Ur Hình 1.6: Lọc bằng tụ điện Do sự phóng và nạp tụ qua các 1/2 chu kỳ và do các sóng hài được rẽ qua mạch C xuống điểm chung, dòng điện ra tải chỉ còn thành phần một chiều và một lượng nhỏ sóng hài bậc thấp. Việc tính toán hệ số đập mạch của bộ lọc dẫn tới kết quả: t P CR K ω 2 = Nghĩa là tác dụng lọc càng rõ rệt khi C và R t càng lớn (R t tiêu thụ dòng điện nhỏ). Với bộ chỉnh lưu dòng điện công nghiệp (tần số 50Hz hay 60Hz), giá trị của tụ C thường có giá trị từ vài F µ đến vài nghìn F µ (tụ hóa). Thiết kế mạch nguôn DC ổn áp có điện áp ra thay đổi 0-15v, 3A K p = Biên độ sóng hài lớn nhất của i t (hay u t ) Giá trị trung bình của i t (hay u t ) 8 Trương Văn Quyết MSSV: 0851010060 Đồ Án 1 2. Lọc bằng cuộn cảm L Mạch lọc bằng cuộn cảm L được biểu diễn như sau Rt Ur L Hình 1.7: Lọc bằng cuộn cảm Cuộn cảm L được mắc nối tiếp với tải R t nên khi dòng điện i t ra tải biến thiên đập mạch, trong cuộn L sẽ xuất hiện sức điện động tự cảm chống lại. Do đó làm giảm các sóng hài (nhất là các sóng hài bậc cao). Về mặt điện kháng, các sóng hài bạc n có tần số càng cao sẽ bị cuộn cảm L chặn càng nhiều. Do đó dòng điện ra tải chỉ có thành phần một chiều 0 I và một lượng nhỏ sóng hài. Đó chính là tác dụng lọc của cuộn L. Hệ số đập mạch của bộ lọc dùng cuộn L là: L R K t P ω 3 = Nghĩa là tác dụng lọc của cuộn L càng tăng khi R t càng nhỏ (tải tiêu thụ dòng điện lớn). Vì vậy bộ lọc này thích hợp với mạch chỉnh lưu công suất vừa và lớn. Giá trị của cuộn cảm L càng lớn thì tác dụng càng tăng, tuy nhiên cũng không nên dùng L quá lớn, vì khi điện trở một chiều của cuộn L lớn, sụt áp một chiều trên nó tăng và hiệu suất của bộ chỉnh lưu giảm. 3. Bộ lọc hình L ngược và 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 dụng lọc có thể mắc nối tiếp 2 hay 3 mắt lọc hình π với nhau. Khi đó dòng điện và điện áp ra tải gần như bằng phẳng hoàn toàn. Thiết kế mạch nguôn DC ổn áp có điện áp ra thay đổi 0-15v, 3A 9 Trương Văn Quyết MSSV: 0851010060 Đồ Án 1 Rt Ur L C Hình 1.8: Lọc hình L ngược Rt Ur L C1 C2 Hình 1.9: Lọc hình π Trong một số trường hợp để tiết kiệm và giảm kích thước, trọng lượng của bộ lọc ta có thể thay cuộn cảm L bằng R trong mắt lọc hình L ngược hay hình π . Lúc đó R gây sụt áp cả thành phần một chiều trên nó dẫn tới hiệu 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)%U 0 khoảng vài Ω đến vài Ω k . 4. Bộ lọc cộng hưởng Hình 1.10.a biểu diễn bộ lọc cộng hưởng dùng mạch cộng hưởng song song L k C k mắc nối tiếp với tải R t nhờ vậy sẽ chặn sóng hài có tần số bằng tần số cộng hưởng của nó. Ngoài ra tụ C 1 còn có tác dụng lọc thêm. Rt L Ck C2 Rt Lk Ck L Thiết kế mạch nguôn DC ổn áp có điện áp ra thay đổi 0-15v, 3A 10 [...]... GND 1N4007 D6 1N4007 IN -5V + C10 1000uF C7 1uF Thit k mch nguụn DC n ỏp cú in ỏp ra thay i 0-15v, 3A 1 R5 10K RST + sơ đồ nguyên lý nguồn môt chiều ổn áp có điện áp ra t hay đổi (0 ữ 15V) 3A T C11 104 L R6 680 28 Trng Vn Quyt MSSV: 0851010060 n 1 S Layout S mch thc t Thit k mch nguụn DC n ỏp cú in ỏp ra thay i 0-15v, 3A 29 Trng Vn Quyt MSSV: 0851010060 n 1 KT LUN Sau mt thi gian tỡm hiu v thit k,... ta ch to ra nhiu loi khỏc nhau Thit k mch nguụn DC n ỏp cú in ỏp ra thay i 0-15v, 3A 14 Trng Vn Quyt MSSV: 0851010060 n 1 PHN II THIT K NGUN MT CHIU N P Cể IN P RA THAY I T 0 -15V I S KHI CA KHI NGUN U1 ~ Biến áp U2 ~ Mạch UT chỉnh lưu Bộ lọc UO1 ổn áp một chiều (ổn dòng) IT UO2 RT Hỡnh 2.1: S khi ca mt b ngun hon chnh Cỏc tiờu chun k thut ca khi ngun: - in ỏp vo 220VAV - 50Hz - in ỏp ra 0 - 15VDC... nguụn DC n ỏp cú in ỏp ra thay i 0-15v, 3A 26 Trng Vn Quyt MSSV: 0851010060 n 1 tng dũng ra cho ngun ta s dng cỏch mc nh sau: T B688 U1 R3 3 LM317 IN OUT 2.2/0.5W ADJ C2 104 R1 DC OUT (0V : +15V) 680 1 DC IN 2 R2 10K -5V U1 Hỡnh 3.4: IC n ỏp dựng thờm transistor ngoi tng dũng s dng Do dũng ra l 3A ta phi s dng mt transistor cú kh nng chu c dũng ln hn hoc bng 3A õy ta s s dng transistor B688 T s trờn... in ỏp ny c gi n nh mc -5V Cỏc t C4, C5 úng vai trũ l cỏc t lc Vy u ra ca mch ta ó to ra c mt iờn ỏp õm cú giỏ tr 5V Thit k mch nguụn DC n ỏp cú in ỏp ra thay i 0-15v, 3A 20 Trng Vn Quyt MSSV: 0851010060 n 1 c Cỏch tng dũng in ra ti Do IC LM317 ch cú th cho dũng in ra ti cc i l 1,5A do ú cú th t c dũng ra ti l 3A ta cú th mc thờm transistor iu chnh phi hp vi IC n ỏp nh sau: T U1 R3 3 LM317 IN OUT... hỡnh 2.4) in ỏp ra ch nm trong khong 1,2V n 35V Thit k mch nguụn DC n ỏp cú in ỏp ra thay i 0-15v, 3A 17 Trng Vn Quyt MSSV: 0851010060 n 1 LM317 3 IN OUT 2 ADJ R1 1 C1 0,1uF + C2 10uF R2 Hỡnh 2.4: S n ỏp dựng LM317 in ỏp ra cú th iu chnh c nh thay i phõn ỏp R 1 , R2 Dũng in ra ti chõn ADJ cú giỏ tr rt nh (50 - 100àA) in ỏp trờn R1 l 1,25V Khi ú in ỏp ra c tớnh theo cụng thc: R U ra = 1,251 + 2... R1 1 C1 104 + DC OUT C2 R2 -5V U1 Hỡnh 2.5: IC n ỏp dựng thờm transistor ngoi tng dũng s dng T s ta cú Ir = IC IE Khi ú transistor tr thnh phn t chu dũng thay cho IC n ỏp Do vy ch cn chn loi transistor cú kh nng chu c dũng in mong mun (3A) v tớnh toỏn phõn cc cho transistor ú hot ng Thit k mch nguụn DC n ỏp cú in ỏp ra thay i 0-15v, 3A 21 Trng Vn Quyt MSSV: 0851010060 n 1 PHN III: TNH TON CC THễNG... ly iờn ỏp ra Thit k mch nguụn DC n ỏp cú in ỏp ra thay i 0-15v, 3A 24 Trng Vn Quyt MSSV: 0851010060 n 1 U1 3 LM317 IN OUT 2 ADJ C1 104 R1 680 1 DC IN DC OUT (0V : +15V) R2 10K -5V U1 Hỡnh 3.2: Khi phõn ỏp Phõn ỏp R1 v R2 cú nhim v lm thay i in ỏp ra theo s bin thiờn ca bin tr R2 T s ta cú: R U r U 1 = 1,251 + 2 R1 R U r = 1,251 + 2 + U 1 R1 Khi to iờn ỏp õm cú nhim v to ra mt iờn ỏp... õm cú th c to ra n gin bng cỏch s dng mt cun bin ỏp cú u ra õm v dng Nhng õy ta s to ra mt ngun õm bng cỏch dựng cỏc ngun dng cú sn Vic to ra in ỏp õm t cỏc ngun in ỏp dng cú sn da trờn nguyờn lý ca mt ngun xung c bn s dng s phúng v np ca cỏc t in theo chu k nh tỏc dng ca mt xung vuụng c to ra t mt khi mch to xung S khi mch nh sau: Thit k mch nguụn DC n ỏp cú in ỏp ra thay i 0-15v, 3A 19 Trng Vn... U 2 U2 19,4 Khi in ỏp li cú giỏ tr ln nht Uli max = 240 V, in ỏp ra ln nht trờn cun th cp: U 2 = U1 n2 1 = 240 2 = 23 (V) n1 15 Ta cú dũng in ra trờn khi ngun cng l dũng in ra trờn cun th cp ca bin ỏp: Ira = I2 = 3A Do ú cụng sut ln nht m bin ỏp cung cp l: P2 = U2 Ir = 23 3 = 69 W Thit k mch nguụn DC n ỏp cú in ỏp ra thay i 0-15v, 3A 22 Trng Vn Quyt MSSV: 0851010060 n 1 Gi s rng tn hao trờn hai... ỏp cú in ỏp ra thay i t 0V n 15V nờn ta s dng mt IC n ỏp thụng dng l LM317 Do LM317 ch cho in ỏp ra trong di 1.2V - 35V (vi cỏch mc thụng thng) nờn ta phi s dng mt cỏch mc phi hp nhm iu chnh in ỏp ra v mc 0V bng cỏch dựng mt khi mch to ra in ỏp õm a Nguyờn lý khi mch n ỏp cú in ỏp thay i Tng quỏt v IC LM317 LM 317 l mt IC n ỏp thụng dng c ng dng nhiu trong thc t vi cỏc u im nh in ỏp ra n Thit k mch . IV. Ổn định điện áp Phần II: THIẾT KẾ NGUỒN MỘT CHIỀU ỔN ÁP CÓ ĐIỆN ÁP RA THAY ĐỔI (0 ÷15V) 3A I. Sơ đồ khối của khối nguồn II. Lựa chọn phương án thiết kế. phương pháp lọc này cho khối nguồn. 4. Khối ổn áp Theo yêu cầu thiết kế mạch ổn áp có điện áp ra thay đổi từ 0V đến 15V nên ta sử dụng một IC ổn áp thông