THIẾT KẾ MẠCH NGUỒN 12V- 3A

THIẾT KẾ MẠCH NGUỒN 12V- 3A

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

SV LÊ VĂN KIỂM

407190025

D07DTA1

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:

Chương 1: lý thuyết cơ bản

Chương 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

Chương 1: lý thuyết cơ bản

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 NP, UP, IP, ΦP và NS, US, IS, ΦS 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)

( Từ thông cảm ứng trong lõi thép máy biến thế)

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

dcm = V

m - 0.7V Ðiện thế trung bình ngõ ra:

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 Vng.max (để không bị đánh thủng)

- Công suất tiêu hao cưc đại cho phép Pmax

- Dòng điện thuận cực đại cho phép Imax

- Tần số cực đại cho phép của tín hiệu xoay chiều fmax.

Mạch có dạng sau:

 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 lưu toàn sóng

Điện thế đỉnh: VLm= Vi-2VD= Vi-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

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

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: IZ max iZ I Z min , vZ = VZ = constant

 VZ: Điện áp Zener

 IZmax: Dòng phân cực nghịch tối đa của Diode Zener

 IZmin: Dòng phân cực nghịch tối thiểu để vZ = VZ,

thường IZmin = 0.1 IZmax

 PZmax = VZIZmax: Công suất tối đa tiêu tán trên Diode Zener

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): IZmax iZ IZmin , vZ = VZ

<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 (vS) và tải (iL) cho trước, để chọn được Ri cần

I I I I , thường chọn IZmin=0.1IZmax

Và: IZmax ILmax , IZmin = 0.1IZmax ILmin => IZmax 10ILmin

Thiết kế làm theo thứ tự ngược lại để xác định IZmax của Diode zener và Ri

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 điện này dùng để tìm ra hiệu số, hoặc sai số giữa 2 điện áp mà mỗi điện áp có thể được nhân với một vài hằng số nào đó Các hằng số này xác định nhờ các điện trở

- Tổng trở vi sai Zin (giữa 2 chân đầu vào) = R1 + R2

 Hệ số khuếch đại vi sai

Nếu R1 = R2 và Rf = Rg,

Vout = A(V2 − V1) và A = Rf / R1

Mạch khuếch đại đảo:

Dùng để đổi dấu và khuếch đại một điện áp (nhân với một số âm)

Zin = Rin (vì V − là một điểm đất ảo)

Một điện trở thứ ba, có trị số , được thêm vào giữa đầu vào không đảo và đất mặc dù đôi khi không cần thiết lắm, nhưng

nó sẽ giảm thiểu sai số do dòng định thiên đầu vào

Mạch khuếch đại không đảo:

Dùng để khuếch đại một điện áp (nhân với một hằng số lớn hơn 1):

(thực ra, tổng trở bản thân của đầu vào op-amp có giá trị từ 1

MΩ đến 10 TΩ Trong nhiều trường hợp tổng trở đầu vào có thể được xem như cao hơn, do ảnh hưởng của mạch hồi tiếp.)

Một điện trở thứ ba, có giá trị bằng , được thêm vào giữa nguồn

tín hiệu vào Vin và đầu vào không đảo trong khi thực ra không cần thiết, nhưng

nó sẽ làm giảm thiểu những sai số do dòng điện định thiên đầu vào

Nguyên lí làm việc

Sự làm việc của loại rơle này dựa trên nguyên lí điện từ Xét một rơle như hình bên dưới Khi cho dòng điện i đi vào cuộn dây của nam châm điện thì nắp sẽ chịu một lực hút F Lực hút điện từ đặt vào nắp:

Khi dòng điện i ≤ Itv (dòng trở về) thì lực lò xo Flò xo > F (lực điện từ) và rơ

le nhả

Tỉ số:

d

tv tv

Khoảng thời gian từ lúc dòng điện i bắt đầu lớn hơn Itđ đến lúc chấm dứt

sự hoạt động của rơle gọi là thời gian tác động ttđ

Số lần tác động trong một đơn vị thời gian (giờ) gọi là tần số tác động

Chương 2: Mô phỏng và thiết kế mạch nguồn có bảo vệ

: khe hở i: dòng điện

K : là hệ sô

Pđk : công suất điều khiển

Ptđ : công suất tác động của rơle

2.1 Nhiệm vụ các khối của mach nguồn

 Sơ đồ tổng quát:

- Ghi chú: Trong thực tế các điện trở luôn có sai số và các giá trị điện trở mà

ta tính được không phải cái nào cũng có bán trên thị trường do đó 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 Vin = 18v vậy ta có:

VCC = 0,9.18 = 16v

Trong sơ đồ thiết kế khối chỉnh lưu bao gồm sử dụng 1 diode cầu và hai

tụ điện C1 và C2 Trong mạch diode cầu có nhiệm vụ biến đổi dòng xoay chiều xang dòng một chiều Sau khi biến đổi thu được áp ra có dạng nhấp nhô, do vậy ta phải sử dụng tụ C2 có tác dụng làm giảm độ nhấp nhô theo nguyên tắc

điện dung càng lớn áp ra càng ít thay đổi sự nhấp nhô của sóng xẽ ít hơn Còn

C1 là tụ có tác dụng lọc nhiễu cao tần

Do khi thiết kế mạch có áp ra lớn 12v và có dòng Imax = 3A nên ta chọn diode sử dụng chịu dòng lớn hơn 3A, ta chọn điot GBU6B là loại điot cầu mắc với các thông số 6A-100V các gia trị tụ ta cho tụ sứ không phân cực C1=

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 để định áp (đây là áp vào Uin mà

ta muốn cho ra la bao nhiêu vol nhưng chỉ cho phép trong giới hạn áp của zenner) trên op-amp

- Thứ hai: sau khi có dòng điện ra nhưng do dong khong dủ lớn lên ta sử dụng hại con transitor Q1 và Q2 ghép nối theo kiều darlington

(trong mạch ta xử dụng trasistor TIP 3055 do nhà sản xuất: Vce2 =4v ,Ic= 4A, βmin= 20,βmax =70 )

(1 )

out

U R R

=

1 2

15

1 R

R

Chọn R1 = 100kΩ và R2 = 470Ω

2.1.2 Khối bảo vệ quá 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:

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 gép liên tầng với nhau, mạch vi sai thứ nhất dung để so sánh giá trị điện áp rơi trên điện trở R8 (là điện trở ra của relay) Mạch vi sai thứ 2 gồm có một diode zener để tạo ra điện áp chuẩn,VR1 dùng

để điều chỉnh điện áp cố định trên chân V- của opam và thông qua biến trở này

ta có thể điều chỉnh được công suất cho phép của mạch bằng cách điều chỉnh điện áp rơi trên chân V-

Phân tích mạch visai thứ nhất:

Trên lý thuyết Vout = ∞ nhưng thực tế Vout ≤ Vcc giá trị đầu vào khi qua chỉnh lưu

 Khi cường độ dòng điện đạt max 3 ampe thì ta có

IMAX = 3A.R8 = 0,5.3 =1.5v (cho R8=0,5)

10kΩ để không gây sụt áp trên 2 đi ốt zener Gía trị điện trở R6 =3.3kΩ hai điện trở R4,R5 mục đích tăng trở kháng đầu vào của mạch vi sai va ta chọn R4= R5 =15kΩ

 Diode D6 dùng đê cho dòng chạy theo một chiều, và không ảnh hưởng đến các khối bảo vệ khác

Ở đây sử dụng rơ le loại 12V-100Ω nên ta thiết kế điện áp Vout2=12V (ngõ ra đến relay)

 VE3 = 12 + VD6 = 12+0.7=12.7V

VB3 = VE3+VBE3 = 12.7+0.7= 13.4V

IRL1 =IC3= = 0.12 A = 120 mA

IB3=

 Theo như thiết kế điều kiện Icmax >120mA ta chon transistor 2N3904

( Icmax = 200mA tai Ic =100mA Vce =1.0v, và HFE = β = 30 )

Tương ứng với dòng qua transitor Q 3 hay I C3

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 16

 Nguyên tắc hoạt động của mạch:

- Xét phần thứ nhất trong mạch này tại ngõ ra một điện áp tùy ý sao cho tương ưng với diode zener trong miền điện áp làm việc Tại ngõ vào Vin

được phân áp bởi R20, và R19 có nhiêm vụ là chia áp cho diode zener D3

- Trong mạch thứ hai ta sử dụng một mạch khuếch đại sử dụng một diode zener định áp sao cho áp chan V-

luôn lớn hơn chân V+ một mức nhất

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 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-100Ω lên ta phải thiết kế cho ngõ ra cuối cùng là 12v và có dòng

 Theo như thiết kế điều kiện Icmax >120mA ta chon transistor 2N3904

( Icmax = 200mA tai Ic =100mA Vce =1.0v, và HFE = β = 30 )

Khi nguôn 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 thiên áp sao cho áp vào tại chân V+

luôn nhỏ hơn chân V- môt điên áp nhất định do ta cho phép Khi điện Vcc đủ 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 thể quy định đặt cho mạch bảo vệ ơ mức quá áp là bao nhiêu vol giả sử khi áp ngõ vào Vcc giảm xuống thêm 1 vol khi

đó Vcc = 15 v thì ta xẽ định áp cho zenner là Vzenner = 15 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-100Ω lên ta phải thiết kế cho ngõ ra cuối cùng là 12v và có dòng

 Theo như thiết kế điều kiện Icmax >120mA ta chon transistor 2N3904

( Icmax = 200mA tai Ic =100mA Vce =1.0v, và HFE = β = 30 )

Tài liệu tham khảo:

o Wikipedia.com

o Dư Quang Bình (DH Đà Nẵng)

o Một số tác giả khác