Thiết kế khối nguồn một chiều ổn áp có điện áp ra 5v ổn định

Thiết kế khối nguồn một chiều ổn áp có điện áp ra 5v ổn định

Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Khái niệm nguồn 1 chiều

Nguồn một chiều có nhiệm vụ cung cấp năng lượng một chiều cho các mạch và các thiết bị điện tử hoạt động Năng lượng một chiều của

nó tổng quát được lấy từ nguồn xoay chiều của lưới điện thông qua một quá trình biến đổi được thực hiện trong nguồn một chiều

Yêu cầu đối với loại nguồn này là điện áp ra ít phụ thuộc vào điện

áp mạng, của tại và nhiệt độ Để đạt được yêu cầu đó cần phải dùng các mạch ổn định (ổn áp, ổn dòng) Các mạch cấp nguồn cổ điển thường dùng biến áp, nên kích thước và trọng lượng của nó khá lớn Ngày nay người ta có xu hướng dùng các mạch cấp nguồn không có biến áp

Trong các mạch điện tử của các thiết bị như Radio -Cassette, Âmlpy,

Ti vi mầu, Đầu VCD v v… chúng sử dụng nguồn một chiều DC ở các mức điện áp khác nhau, nhưng ở ngoài zắc cắm của các thiết bị này lại cắm trực tiếp vào nguồn điện AC 220V 50Hz, như vậy các thiết bị điện

tử cần có một bộ phận để chuyển đổi từ nguồn xoay chiều ra điện áp một chiều , cung cấp cho các mạch trên, bộ phận chuyển đổi bao gồm :

• Biến áp nguồn : Hạ thế từ 220V xuống các điện áp thấp hơn như 6V, 9V, 12V, 24V v v …

• Mạch chỉnh lưu : Đổi điện AC thành DC

• Mạch lọc Lọc gợn xoay chiều sau chỉnh lưu cho nguồn DC phẳng hơn

• Mạch ổn áp : Giữ một điện áp cố định cung cấp cho tải tiêu thụ

Sơ đồ tổng quát của mạch cấp nguồn.

1.2 Biến áp nguồn và chỉnh lưu

1.2.1 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 1.1 Biến áp nguồn

1.2.2 Chỉnh lưu

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 bán chu kỳ

Mạch chỉnh lưu bán chu kỳ sử dụng một Diode mắc nối tiếp với tải tiêu thụ, ở chu kỳ dương => Diode được phân cực thuận do đó có dòng điện

đi qua diode và đi qua tải, ở chu kỳ âm , Diode bị phân cực ngược do

đó không có dòng qua tải

Hinh1.2 Dạng điện áp đầu ra của mạch chỉnh lưu bán chu kỳ.

Mạch chỉnh lưu cả chu kỳ

Mạch chỉnh lưu cả chu kỳ thường dùng 4 Diode mắc theo hình cầu (còn gọi là mạch chỉnh lưu cầu) như hình dưới.

Hinh1.3:Mạch chỉnh lưu cả chu kỳ

• Ở chu kỳ dương ( đầu dây phía trên dương, phía dưới âm) dòng điện đi qua diode D1 => qua Rtải => qua diode D4 về đầu dây âm

• Ở chu kỳ âm, điện áp trên cuộn thứ cấp đảo chiều ( đầu dây ở trên

âm, ở dưới dương) dòng điện đi qua D2 => qua Rtải => qua D3 về đầu dây âm

• Như vậy cả hai chu kỳ đều có dòng điện chạy qua tải

Mạch chỉnh lưu nhân 2

Hinh1.4: Sơ đồ mạch nguồn chỉnh lưu nhân 2

• Để trở thành mạch chỉnh lưu nhân 2 ta phải dùng hai tụ hoá cùng trị số mắc nối tiếp, sau đó đấu 1 đầu của điện áp xoau chiều vào điểm giữa hai tụ => ta sẽ thu được điện áp tăng gấp 2 lần.

• Ở mạch trên, khi công tắc K mở, mạch trở về dạng chỉnh lưu

thông thường

Khi công tắc K đóng, mạch trở thành mạch chỉnh lưu nhân 2, và kết quả là ta thu được điện áp ra tăng gấp 2 lần

1.3 Lọc các thành phần xoay chiều

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:

=

1 1

cossin

n

n n

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 i t 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

Trong mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ thành phần một chiều I0

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 KP của bộ lọc:

KP càng nhỏ thì chất lượng của bộ lọc càng cao.

Người ta đã tính toán rằng khi chỉnh lưu nửa chu kỳ KP = 1,58, khi chỉnh lưu hai nửa chu kì KP = 0,667

Để thực hiện nhiệm vụ lọc nói trên, các bộ lọc sau đây thường được dùng

1.3.1 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

Hình 1.5 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

=

Biên độ sóng hài lớn nhất của it (hay ut)Giá trị trung bình của it (hay ut)

Nghĩa là tác dụng lọc càng rõ rệt khi C và Rt càng lớn (Rt 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 µF đến vài nghìn F

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 I0 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

một chiều của cuộn L lớn, sụt áp một chiều trên nó tăng và hiệu suất của bộ chỉnh lưu giảm.

• Như sơ đồ trên thì dòng cực đại qua Dz bằng sụt áp trên R1 chia cho giá trị R1 , gọi dòng điện này là I1 ta có

I1 = (110 – 33 ) / 7500 = 77 / 7500 ~ 10mAThông thường ta nên để dòng ngược qua Dz ≤ 25 mA

Hình 1.7: Mạch ổn áp có Transistor khuyếch đại

• Ở mạch trên điện áp tại điểm A có thể thay đổi và còn gợn xoay chiều nhưng điện áp tại điểm B không thay đổi và tương đối

phẳng

• Nguyên lý ổn áp : Thông qua điện trở R1 và Dz gim cố định điện

áp chân B của Transistor Q1, giả sử khi điện áp chân

E đèn Q1 giảm => khi đó điện áp UBE tăng => dòng qua đèn Q1 tăng => làm điện áp chân E của đèn tăng , và ngược lại …

• Mạch ổn áp trên đơn giản và hiệu quả nên được sử dụng rất rộng dãi và người ta đã sản xuất các loại IC họ LA78 để thay thế cho

mạch ổn áp trên, IC LA78 có sơ đồ mạch như phần mạch có mầu xanh của sơ đồ trên.

IC ổn áp họ 78 được dùng rộng rãi trong các bộ nguồn , như Bộ

nguồn của đầu VCD, trong Ti vi mầu, trong máy tính…

Hình1.8 :Ứng dụng của IC ổn áp LA7805 và LA7808 trong bộ nguồn

đầu VCD

1.4.2 Mạch ổn áp tuyến tính (có hồi tiếp)

– Sơ đồ khối của mạch ổn áp có hồi tiếp

Hình 1.9 :Sơ đồ khối của mạch ổn áp có hồi tiếp

* Một số đặc điểm của mạch ổn áp có hồi tiếp :

• Cung cấp điện áp một chiều ở đầu ra không đổi trong hai trường hợp điện áp đầu vào thay đổi hoặc dòng tiêu thụ của tải thay đổi, tuy nhiên sự thay đổi này phải có giới hạn

• Cho điện áp một chiều đầu ra có chất lượng cao, giảm thiểu được hiện tượng gợn xoay chiều

* Nguyên tắc hoạt động của mạch

• Mạch lấy mẫu sẽ theo dõi điện áp đầu ra thông qua một cầu phân

áp tạo ra ( Ulm : áp lấy mẫu)

• Mạch tạo áp chuẩn => gim lấy một mức điện áp cố định (Uc : áp chuẩn )

• Mạch so sánh sẽ so sánh hai điện áp lấy mẫu Ulm và áp chuẩn Uc

để tạo thành điện áp điều khiển

• Mạch khuếch đại sửa sai sẽ khuếch đại áp điều khiển, sau đó đưa

về điều chỉnh sự hoạt động của đèn công xuất theo hướng ngược lại, nếu điện áp ra tăng => thông qua mạch hồi tiếp điều chỉnh => đèn công xuất dẫn giảm =>điện áp ra giảm xuống Ngược lại nếu điện áp ra giảm => thông qua mạch hồi tiếp điều chỉnh => đèn công xuất lại dẫn tăng => và điện áp ra tăng lên =>> kết quả điện

áp đầu ra không thay đổi

Chương 2 THIẾT KẾ NGUỒN MỘT CHIỀU ỔN ÁP CÓ ĐIỆN ÁP

RA 5V CỐ ĐỊNH

Sơ đồ khối của khối nguồn:

Hình 2.1 Sơ đồ khối của một bộ nguồn hoàn chỉnh

Các tiêu chuẩn kỹ thuật của khối nguồn:

* Các tiêu chuẩn kỹ thuật của khối nguồn:

- Điện áp vào 220VAC/ 9VAC

- Điện áp ra 5 Vdc

- Dòng điện ra tải 1A.(hoặc hơn nếu mắc them transistor)

- Công suất cực đại 5 W

2.1 Biến áp

Biến áp Mạch

chỉnh lưu Bộ lọc

Ổn áp một chiều(ổn dòng)

I T

R T

Ở đây do nguồn ổn áp được sử dụng ở lưới điện xoay chiều (220V/9V - 50Hz) và công suất cực đại của nguồn là 5W (5VD C - 1A) nên ta sử dụng một biến áp có điện áp vào 220V qua biế n á p biế n đổ i cò n 9V và điện áp ra 5V, dòng ra 1A

2.2 Mạch chỉnh lưu

Do những ưu điểm của mạch chỉnh lưu cầu như điện áp ra ít nhấp nháy, điện áp ngược mà điôt phải chịu nhỏ hơn so với phương pháp cân bằng nên ta sẽ chọn bộ chỉnh lưu cầu

2.3 Bộ lọc nguồn

Bộ lọc có nhiệm vụ san bằng điện áp một chiều dập mạch UT thu được sau khối chỉnh lưu thành điện áp một chiều UO 1 ít nhấp nhô hơn Với những đặc điểm của phương pháp lọc bằng tụ điện như tính đơn giản cũng như chất lượng lọc khá cao nên ở đây ta sẽ sử dụng phương pháp lọc này cho khối nguồn.

2.4 Khối ổn áp

Theo yêu cầu thiết kế mạch ổn áp có điện áp ra thay đổi từ 0V đến 5V nên ta sử dụng một IC ổn áp thông dụng là LM7805 Do LM7805 chỉ cho điện áp ra trong dải 4.7V – 5.25V (với cách mắc thông thường)

Chương 3 TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ KĨ THUẬT VÀ LẮP RÁP

MẠCH THỰC TẾ 3.1 Khối biến áp

Hình 3.1 Biến áp nguồn

- Điện áp ra của mạch là 5V và chọn Uv m i n = 9 V (tối thiểu là lớn hơn 3V) và thêm phần dự phòng độ gợn sóng của tụ lọc, Cl ọ c, mặt khác phải cộng thêm một lượng điện áp rơi trên 2 diode chỉnh lưu, do

đó điện áp trên cuộn thứ cấp là:

U2 = 9 + 0,7.2 = 10,4(V)

• Khi Ul ư ớ i m i n = 200V (giá trị hiệu dụng) thì:

2 , 27 4 , 10

2 200 2

2 2

1 2

U

U U

U n

1 2 240

1

2 1

n

n U

● Ta có dòng điện ra trên cuộn thứ cấp của máy biến áp:

I2 = 1A ● Do đó công suất mà biến áp cung cấp là:

13

=14,44 (W)

● Dòng điện trên cuộn sơ cấp là:

037 , 0 27

1 27

- Do đó ta lựa chọn thiết diện của lõi biến áp là 4 cm2 và dùng các lá thép Tôn-Silic mà không phải là một khối thép đặc để tránh dòng Fuco chạy trên đó, gây tỏa nhiệt

* Tính đường kính dây cuốn biến áp theo chỉ tiêu mật độ dòng 1A/mm2:

- Cuộn sơ cấp: I1 = 0,037A

037 , 0

mm

A =0,037 (mm2) ⇒Đường kính dây cuốn biến áp trên cuộn sơ cấp:

0 = 0,217 (mm)

- Cuộn thứ cấp: I2 = 1A

1 /

1

1 /

2

mm A mm A

I

⇒Đường kính dâp cuốn biến áp trên cuộn thứ cấp:

128 , 1

1 2

Π

= Π

= S

* Tính số vòng dây của cuộn biến áp:

● Dựa vào tỷ số: Vòng Volt(U(n)) = S(cm5 2)

1 1 ( 5 2)

cm S U

n =

⇒

● Xét khi Ul ư ớ i m a x = 240V thì số vòng dây trên cuôn sơ cấp là:

300 4

5 240 ) (

5

2

cm S

● Số vòng dây trên cuộn thứ cấp là:

11 27

1

2 = n =

* Vậy ta lựa chọn biến áp có các đặc tính sau:

- Diện tích tiết diện lõi biến áp: S = 4 cm2

- Đường kính dây cuốn biến áp:

+ Sơ cấp : d1 = 0,217 mm + Thứ cấp: d2 = 1,128 mm

- Số vòng dây cuốn biến áp:

+ Sơ cấp : n1 = 300 vòng + Thứ cấp: n2 = 11 vòng

3.2 Khối chỉnh lưu

Khi điện áp lưới có giá trị lớn nhất Ul ư ớ i m a x = 240 V, điện áp ngược đặt lên diode chỉnh lưu:

57 , 12 27

1 2 240 2

1

2 1

=

n

n U U

Dòng điện lớn nhất qua diode: ID = I2 = 1A

Hệ số gợn sóng (khi Ct = 0) W = 0,49

Tần số của điện áp ra bộ chỉnh lưu: 100Hz

Do đó ta lựa chọn diode chỉnh lưu loại: 1N4007

3.3 Khối lọc nguồn

- Sau khi qua khối chỉnh lưu cầu thì tụ lọc cũng phải đảm bảo chịu được điện áp lớn nhất là 13V Do đó ta chọn một tụ lọc có Um a x = 15V

- Để xác định điện dung của tụ ta dựa vào độ gợn sóng sau khối

chỉnh lưu:

gs t

CL L

K R

T C

1

=

CL CL

I

U R

● Khi đó: 0 , 013

05 , 0 5 3

01 , 0

=

gs t

CL L

K R

+ Với IC 7805: được dùng rất nhiều trong các mạch điện điều khiển dùng để cấp nguồn ổn định cho mạch Với ưu điểm là dễ ghép nối, dễ thiết kế với chi phí thấp, nguồn đầu ra ổn định, nhược điểm của nó là công suất đầu ra khá thấp và hoạt động không ổn định khi có nhiễu bên ngoài Hoạt động được ở dải nhiệt độ là 0÷125oC

Hì nh 3.2 Hì nh ả nh củ a IC 7805

+ IC 7805 có 3 chân cho ta kết nối với nó:

● Chân 1 là nguồn đầu vào, chân 2 là GND, chân 3 là chân lấy điện

+ Đảm bảo thông số: Vi – V0 > 3V Thông số này phải luôn đảm bảo khi cấp nguồn cho IC 7805 Tức là điện áp cấp vào cho 7805 phải nằm trong khoảng 8V đến 40V Nếu dưới 8V thì mạch ổn áp không còn tác dụng Thông thường người ta không bao giờ cấp nguồn 8V vào cả mà người ta phải cấp nguồn lớn hơn ít nhất là gấp đôi nguồn đầu ra để tránh trường hợp sụt áp đầu vào sinh ra nguồn đầu ra không ổn định trong thời gian ngắn

+ Đảm bảo tản nhiệt tốt cho IC 7805 khi chạy với tải Khi công suất tăng lên thì do 7805 là linh kiện bán dẫn công suất nên rất nóng khi tải lớn Để tránh hỏng linh kiện và cho linh kiện hoạt động trong nhiệt

độ bình thường thì phải tản nhiệt tốt

+ Đèn báo nguồn:

● Để tín hiệu nguồn cho các điện áp ra ta dùng các Led đỏ : Ur = 5V dùng Led Để tránh dòng qua Led lớn gây cháy Led ta dùng các điện trỏ hạn dòng, ta chọ n R1=R2

7 , 1 5 2

1

1

I

U U

R

3.5 Transistor tăng dòng ra tải

Để tăng dòng ra cho nguồn ta sử dụng cách mắc như sau:

Hình 3.3 IC ổn áp dùng thêm transistor ngoài để tăng dòng sử dụng

Để dòng ra là 3A ta phải sử dụng một transistor có khả năng chịu được dòng lớn hơn hoặc bằng 3A Ở đây ta sẽ sử dụng transistor TIP42C để kéo dòng vì dong ra của LM7805 tối đa là 1A

Sơ đồ mạch ghép nối các khối và mô phỏng bằng Proteus

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý của mạch nguồn DC ổn áp có điện áp ra

5V

* Cá c linh kiệ n dù ng trong mạ ch:

- Biến áp 220VAC/ 9VAC

3.6 Kế t quả đề tà i

3.6.1 Nguyên tắ c hoạ t độ ng củ a mạ ch

- Trên đây là mạch nguồn ổn áp 5V khá đơn giản sử dụng IC 7805 Công suất đầu ra khá thấp Mạch được sử dụng nhiều trong các mạch

điều khiển, mạch cung cấp nguồn cho các mạch tín hiệu… Mạch chỉ xoay quanh chức năng ổn định điện áp của IC 7805.

- Cấ u tạ o và nguyên lý hoạ t độ ng củ a IC 7805 như đã trì nh bà y

- Thà nh phầ n lọ c nguồ n và lọ c nhiễ u:

+ Trong mạ ch, chú ng ta dù ng tụ hó a lớ n C1 tạ o ổ n á p trên đườ ng nguồ n DC, đây là dạ ng ổ n á p thụ độ ng, chú ng ta dù ng IC ổ n á p 7805 để có mứ c á p ra 5V có độ ổ n đị nh rấ t tố t, đây là dạ ng ổ n á p tí ch cự c.Trên ngả ra của mạch cần phải gắn thêm tụ hóa để tránh hiện tượng phát sinh dao động tự kích, khi mạch ổn áp trong IC bị dao động, ta sẽ thấy mức điện áp DC trên ngã ra chập chờn lúc lên lúc xuống Trường hợp đường nguồn 5V này dùng cấp điện cho mạch điện làm việc ở tần

số cao, khi đó cần phải gắn thêm tụ C3 Công dụng của các loại tụ nhỏ này là lọc các tín hiệu ở tần số cao rất tốt, trong khi đó do cấu trúc bên trong của các tụ hóa lớn có tiềm ẩn tính ống dây, cuộn cảm nên không lọc tốt các dòng điện tín hiệu tần số cao nhiễm trên đường nguồn Ngoài ra trong mạch chúng ta còn sử dụng thêm các đèn LED đỏ, xanh dùng để chỉ thị