THIẾT KẾ MẠCH NGUỒN 12V- 3A

THIẾT KẾ MẠCH NGUỒN 12V- 3A

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN TỬ II ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ NIÊN KHÓA: 2007-2012 CHUYÊN ĐỀ: THIẾT KẾ MẠCH NGUỒN 12V- 3A GV. hƣớng dẫn: THS. NGUYỄN HỮU PHÚC SV. thực hiện: MSSV : LỚP : SV. LÊ VĂN KIỂM 407190025 D07DTA1 TP.HỒ CHÍ MINH -2010 ĐỒ ÁN THẾT MẠCH ĐIỆN TỬ 2010 SV: LÊ VĂN KIỂM (MSSV: 407190025 | LỚP: D07DTA1) Page 2 Lời mở đầu Chúng ta đang sống ở thế kỷ 21, thế kỷ của cách mạng khoa học kỹ thuật. Quanh chúng ta rất nhiều thiết bị điện, trong đó nguồn điện đóng vai trò hết sức quan trọng để cung cấp năng lượng cho hầu hết các thiết bị quanh chúng ta. Mỗi loại thiết bị điện lại có một bộ nguồn phù hợp. vấn đề đặt ra là làm sao cho có được một bộ nguồn ổn đinh và bảo vệ thiết bị khi xảy ra sự cố. phương tiện tốt nhất . Sau đây em xin giới thiệu về một bộ nguồn cơ bản.  Với yêu cầu đặt ra: - Mạch chạy ra 12 v -3A. - Bảo vệ quá tải, ngắn mạch ngỏ ra. - Bảo vệ quá điện áp ngỏ ra. - Bảo vệ thấp áp ngỏ ra. Nội dung đồ án được trình bày như sau: Chƣơng 1: lý thuyết cơ bản 1.1 Máy biến thế. 1.2 Mạch chỉnh lưu. 1.3 Diode zenner 1.4 Cơ bản về op-amp 1.5 Relay điện từ. Chƣơng 2: Mô phỏng và thiết kế mạch nguồn có bảo vệ. 2.1 Nhiệm vụ các khối của mach nguồn. 2.2 phân tích thiết kế mạch. ĐỒ ÁN THẾT MẠCH ĐIỆN TỬ 2010 SV: LÊ VĂN KIỂM (MSSV: 407190025 | LỚP: D07DTA1) Page 3 Chƣơng 1: lý thuyết cơ bản 1.1 Máy biến thế Thăng . Hehe. Máy biến thế hoạt động tuân theo 2 hiện tượng vật lí:  Dòng điện chạy qua dây dẫn tạo ra từ trường (từ trường)  Sự biến thiên từ thông trong cuộn dây tạo ra 1 hiệu điện thế cảm ứng (cảm ứng điện) Dòng điện được tạo ra trong cuộn dây sơ cấp khi nối với hiệu điện thế sơ cấp, và 1 từ trường biến thiên trong lõi sắt. Từ trường biến thiên này tạo ra trong mạch điện thứ cấp 1 hiệu điện thế thứ cấp. Như vậy hiệu điện thế sơ cấp có thể thay đổi được hiệu điện thế thứ cấp thông qua từ trường. Sự biến đổi này có thể được điều chỉnh qua số vòng quấn trên lõi sắt. Khi N P , U P , I P , Φ P và N S , U S , I S , Φ S là số vòng quấn, hiệu điện thế, dòng điện và từ thông trong mạch điện sơ cấp và thứ cấp (primary và secondary) thì theo Định luật Faraday ta có: ( Mô hình máy biến thế) ĐỒ ÁN THẾT MẠCH ĐIỆN TỬ 2010 SV: LÊ VĂN KIỂM (MSSV: 407190025 | LỚP: D07DTA1) Page 4 ( Từ thông cảm ứng trong lõi thép máy biến thế) và Nếu Φ S = Φ P thì , ngoài ra Như vậy (máy biến thế lí tưởng). 1.2 Mạch chỉnh lưu (Rectification). Chỉnh lưu là quá trình chuyển đổi từ tín hiệu xoay chiều (ac) thành tín hiệu một chiều (dc). 1.2.1 Chỉnh lưu bán sóng (Half-wave rectification) Trong mạch này ta dùng kiểu mẫu lý tưởng hoặc gần đúng của diode trong việc phân tích mạch. ĐỒ ÁN THẾT MẠCH ĐIỆN TỬ 2010 SV: LÊ VĂN KIỂM (MSSV: 407190025 | LỚP: D07DTA1) Page 5 Diode chỉ dẫn điện khi bán kỳ dương của v i (t) đưa vào mạch. Ta có: Biên độ đỉnh của v o (t) V dcm = V m - 0.7V Ðiện thế trung bình ngõ ra: ĐỒ ÁN THẾT MẠCH ĐIỆN TỬ 2010 SV: LÊ VĂN KIỂM (MSSV: 407190025 | LỚP: D07DTA1) Page 6 Ðiện thế đỉnh phân cực nghịch của diode là: V RM =V m Ta cũng có thể chỉnh lưu lấy bán kỳ âm bằng cách đổi đầu diode. 1.2.2 Chỉnh lưu toàn sóng dùng cầu diode Trong đồ án chỉ dung mạch cầu diode lên chúng ta chỉ đi sâu vào mạch này. Khi chọn linh kiện cần quan tâm đến một vài tham số giới hạn: - Điện áp ngược cực đại cho phép V ng.max (để không bị đánh thủng). - Công suất tiêu hao cưc đại cho phép P max . - Dòng điện thuận cực đại cho phép I max . - Tần số cực đại cho phép của tín hiệu xoay chiều f max. Mạch có dạng sau: ĐỒ ÁN THẾT MẠCH ĐIỆN TỬ 2010 SV: LÊ VĂN KIỂM (MSSV: 407190025 | LỚP: D07DTA1) Page 7  Hoạt động và điện áp ra trên tải vL (Chỉnh lưu toàn sóng) - Ở bán kỳ âm của nguồn điện, D 1 và D 3 phân cực thuận và dẫn điện trong lúc D 2 , D 4 phân cực nghịch xem như hở mạch. - Ở bán kỳ dương của nguồn điện, D 2 và D 4 phân cực thuận và dẫn điện trong lúc D 1 và D 2 phân cực nghịch xem như hở mạch. Phân tích tín hiệu chỉnh lƣu toàn sóng Điện thế đỉnh: V Lm = V i -2V D = V i -1.4V Giá trị trung bình: Dòng điện trung bình hai đầu tải: Điện thế đỉnh phân cực nghịch V RM ở mỗi diode là: V RM = V i - 0.7V 1.2.3 Chỉnh lưu toàn sóng dùng cầu diode có tụ ĐỒ ÁN THẾT MẠCH ĐIỆN TỬ 2010 SV: LÊ VĂN KIỂM (MSSV: 407190025 | LỚP: D07DTA1) Page 8 Điện áp hay dòng điện sau chỉnh lưu tuy có cực tính không đổi nhưng dạng sóng của nó vẫn còn thay đổi một cách có chu kỳ. Nhiệm vụ của mach lọc là cách lọc các sóng có hài bậc cao để điện áp ra bằng phẳng hơn. Nguyên lý hoạt động: Ban đầu khi cung cấp nguồn trong nửa chu kỳ đầu tụ C được lạp tới một giá trị là V max khi điện áp vào giảm tụ C bắt đầu phóng điện khi tới giá trị V min tới nửa chu kỳ tiếp theo có điên áp cao hơn và tụ C bắt đầu nạp điện tới giá trị V max hoạt động tiếp tục diễn ra như vậy. Chú ý: trong thiết kế mạch khi tụ điện có điện dung càng lớn áp ra càng ít thay đổi sự nhấp nhô của sóng xẽ ít hơn. 1.3 Diode zenner Diode Zener: Hoạt động chủ yếu trong vùng phân cực nghịch Ký hiệu và Đặc tuyến VA - Phân cực thuận: Như Diode thông thường - Phân cực nghịch: I Z max i Z I Z min , v Z = V Z = constant  V Z : Điện áp Zener  I Zmax : Dòng phân cực nghịch tối đa của Diode Zener.  I Zmin : Dòng phân cực nghịch tối thiểu để v Z = V Z , thường I Zmin = 0.1 I Zmax .  P Zmax = V Z I Zmax : Công suất tối đa tiêu tán trên Diode Zener ĐỒ ÁN THẾT MẠCH ĐIỆN TỬ 2010 SV: LÊ VĂN KIỂM (MSSV: 407190025 | LỚP: D07DTA1) Page 9 Ứng dụng trong thiết kế mach chúng ta chủ yếu thường dùng để tạo điện áp chuẩn (reference voltage) 1.3.1 Mạch ổn áp dùng Diode Zener (Zener regulator) (Sau đây là sơ đồ minh họa và đi sâu vào phân tích.) Mục đích: Thiết kế mạch sao cho Diode Zener hoạt động trong vùng ổn áp (vùng gãy – breakdown region): I Zmax i Z I Zmin , v Z = V Z . Phân tích R i = SZ R vV i = => i Z = -i L Để I Zmax i Z I Zmin với mọi giá trị của vS và i L : min(i Z ) I Zmin và max(i Z ) I Zmax.  Min(i z ) = min max min sZ LZ i VV II R Ở đây giả sử v S và i L : Không ổn định ĐỒ ÁN THẾT MẠCH ĐIỆN TỬ 2010 SV: LÊ VĂN KIỂM (MSSV: 407190025 | LỚP: D07DTA1) Page 10 Và min max min ax( ) sZ Z L Z i VV m i I I R  min max max min min max S Z S Z i L Z L Z V V V V R I I I I <đây la công thúc để giúp ta chọn điện trở hạn chế dòng qua diode sao cho diode hoạt động bình thường.> Với yêu cầu về nguồn (v S ) và tải (i L ) cho trước, để chọn được R i cần phải có max max min min max min max ( ) ( ) 0.9 0.1 L S Z L S Z Z S Z S I V V I V V I V V V min max max min min max S Z S Z L Z L Z V V V V I I I I , thường chọn I Zmin =0.1I Zmax  Chọn Diode Zener sao cho: max max min min max min max ( ) ( ) 0.9 0.1 L S Z L S Z Z S Z S I V V I V V I V V V Và: I Zmax I Lmax , I Zmin = 0.1I Zmax I Lmin => I Zmax 10I Lmin Thiết kế làm theo thứ tự ngược lại để xác định I Zmax của Diode zener và R i 1.4 op-amp Hiện nay, các bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT) đóng vai trò quan trọng và được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật khuếch đại, tính toán, điều khiển, tạo hàm, tạo tín hiệu hình sine và xung, sử dụng trong ổn áp và các bộ lọc tích cực . Ứng dụng mạch tuyến tính: Trong đồ án này tôi chỉ nêu tóm tắt những ứng dụng cần thiết có trong đồ án thiết kế mạch điện tử này. Mạch khuếch đại vi sai: [...]... mạch mà ta thiết kế có một số linh kiện điện tử ta xẽ phải chọn những trị số gần bằng hay sử dụng các công thức mắc nối tiếp hoặc song song cho các điện trở và trong thiết kế ta xẽ thay vào một số khôi mạch có biến trở để ta cân chỉnh mạch cho dễ dàng và chính xác 2.1.1 thiết kế khối chỉnh lưu: Theo như thiết kế ta sử dụng nguồn khi qua biến áp V in = 18v vậy ta có: VCC = 0,9.18 = 16v Trong sơ đồ thiết. .. dòng, ngắn mạch Khối bảo vệ ngắn mạch có tác dụng bảo vệ mạch khi xảy ra các sự cố Như dòng tăng đột ngột xảy ra các hiện tượng như công suất tăng cao vượt mức cho phép hay sự cố ngắn mạch Sau đây là sơ đồ thiết kế: SV: LÊ VĂN KIỂM (MSSV: 407190025 | LỚP: D07DTA1) Page 17 ĐỒ ÁN THẾT MẠCH ĐIỆN TỬ 2010 Trong mạch điểm A được nối từ ngõ vào của ổn áp Ngõ ra được nối với relay RL1 Khối này gồm 2 mạch vi sai... cung cấp xảy ra áp thấp hơn mức cho phép thì mach xẽ có tác dụng ngắt mạch nhằm bảo vệ các thiết bị sử dụng  Nguyên tắc hoạt động của mạch: Mạch bảo vệ thấp áp cũng có tương tự như mạch bảo vệ cao áp nhưng khác ở chỗ mạch khuếch đại vi sai thứ 2 ngõ ra của mạch thứ nhất nối với ngõ vào V- của mạch khuếch đại vi sai thứ hai Trong mạch khuếch đại vi sai thứ hai ngõ vào V+ được nối với zenner D4 định... nhỏ dẫn đến ngõ ra của mạch khuếch đại vi sai thứ nhất Uout1 < V+ khi đó ngõ ra của mạch KĐ visai thứ hai Uout2 = áp vào tại chân V+ khi đó relay xẽ ngắt mạch  Phân tích mạch: Xét mạch vi sai thứ nhất: Trong mạch vi sai khuếch đại đảo thứ nhất ta có ngõ ra Uout1 Vcc và ta chọn R26 = 100k mục đích tăng trở kháng ngõ vào Chọn R25 = 100kΩ , R24 =4,7kΩ Xét mạch vi sai thứ hai: Trong mạch thứ hai này ta có... động trong một đơn vị thời gian (giờ) gọi là tần số tác động Chƣơng 2: Mô phỏng và thiết kế mạch nguồn có bảo vệ SV: LÊ VĂN KIỂM (MSSV: 407190025 | LỚP: D07DTA1) Page 13 ĐỒ ÁN THẾT MẠCH ĐIỆN TỬ 2010 2.1 Nhiệm vụ các khối của mach nguồn  Sơ đồ tổng quát: SV: LÊ VĂN KIỂM (MSSV: 407190025 | LỚP: D07DTA1) Page 14 ĐỒ ÁN THẾT MẠCH ĐIỆN TỬ 2010 - Ghi chú: Trong thực tế các điện trở luôn có sai số và các giá... KIỂM (MSSV: 407190025 | LỚP: D07DTA1) Page 19 ĐỒ ÁN THẾT MẠCH ĐIỆN TỬ 2010 Khối này có nhiệm vụ khi áp cung cấp từ nguồn ngoài vào có giá trị vượt mức cho phép thì mạch xẽ bị đóng để bảo vệ thiết bị Trong mạch bao gồm hai phần, phần thứ nhất là một mạch khuếch đại không đảo  Được tính bởi công thức Vout Vin (1 R16 ) R21 Phần thứ hai là một mạch khuếch đại visai có độ khuếch đại ∞ (theo lý thuyết)... D07DTA1) Page 20 ĐỒ ÁN THẾT MẠCH ĐIỆN TỬ 2010 định Giả sử khi xảy ra quá áp chân V+ có áp vào lớn hơn chân V- dẫn đến ngõ ra điều khiển relay hoạt động và ngắt mạch  Phân tích mạch: Xét mạch vi sai thứ nhất: Trong mạch vi sai khuếch đại đảo thứ nhất ta có ngõ ra Uout1 Vcc và ta chọn R20 = 100k mục đích tăng trở kháng ngõ vào Chọn R21 = 100kΩ , R16 =4,7kΩ Xét mạch vi sai thứ hai: Trong mạch thứ hai này ta... 2.1.2 Khối ổn áp: Khối ổn áp có nhiệm vụ tạo ra một điện áp ổn định do mình tùy chỉnh như trong thiết kế mach là từ 3-12V và phải chịu được dòng điên như trong thiết kế là 3A Trong mạch ổn áp này bao gồm hai bộ phận: Uout = Uin(1+ ) (trong đó Uin :áp vào từ chân V+, Uout : áp ra của opam - Thứ nhất: là sử dụng mạch op-amp để tạo ra môt điên áp ổn định được thông qua con diode zener và dùng biến trở RV3... đúng như thiết kế dòng ra là Iout = Ic2 = 3A tại R33 = 0 Ω Trong đó có : Vcc = 16V Vce2 = 4V SV: LÊ VĂN KIỂM (MSSV: 407190025 | LỚP: D07DTA1) Page 16 ĐỒ ÁN THẾT MẠCH ĐIỆN TỬ 2010 (trong mạch ta xử dụng trasistor TIP 3055 do nhà sản xuất: Vce2 =4v ,Ic= 4A, βmin= 20,βmax =70 ) => R8 = Ic2.(Vcc - VCE2) =38Ω Để mạch co ngõ ra URA = 12V ta xét: VBE1 + VBE2 =1.4V Vậy => Uout - 1,4 - UR9 - 12V = 0 Trong mạch. .. mạch thứ hai này ta có thể quy định đặt cho mạch bảo vệ ơ mức quá áp là bao nhiêu vol giả sử khi áp ngõ vào Vcc tăng lên thêm 1 vol khi đó Vcc = 17 v thì ta xẽ định áp cho zenner là Vzenner = 17 v Khi tại tại mạch vi sai thứ hai V+ V- => ngõ ra Uout2 = 0 v Trong board mạch ta sử dụng cho tất cả các khối bảo vệ chung một relay có: 12V-1 00Ω lên ta phải thiết kế cho ngõ ra cuối cùng là 12v và có dòng IRL1=