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 đính tạo ra các khối nguồn có công suất lớn, độ ổn định, chính xác cao, kích thước nhỏ. Từ tầm quan trọng trong ứng dụng thực tế của nguồn điện một chiều ổn áp và củng cố lại những kiến thức được học và áp dụng thực hành trong thực tế, nên em đã chọn đề tài: “Thiết kế mạch nguồn ổn áp có điện áp ra 24V10A có bảo vệ dòng
ĐỒ ÁN I ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH NGUỒN 24V – 10A CÓ BẢO VỆ NGẮN MẠCH Hà Nội, 5/2016 MỤC LỤC MỤC LỤC .2 LỜI MỞ ĐẦU PHẦN I: LÍ THUYẾT .5 1.1 Tổng quan nguồn chiều 1.1.1 Khái niệm 1.2 Biến áp nguồn, chỉnh lưu lọc nguồn 1.2.1 Biến áp nguồn 1.2.2 Chỉnh lưu 1.2.3 Lọc nguồn 1.3 Ổn định điện áp 1.3.1 Khái niệm ổn áp .8 1.3.2 Phân loại ổn áp 1.3.3 Bộ ổn áp tuyến tính IC .9 PHẦN II: THIẾT KẾ 10 2.1 Lựa chọn phương pháp thiết kế 10 2.1.1 Biến áp 10 2.1.2 Mạch chỉnh lưu 10 2.1.3 Bộ lọc nguồn 10 2.1.4 Khối bảo vệ dòng 10 2.1.5 Khối ổn áp 10 2.2 Sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý 11 2.2.1 Sơ đồ khối khối nguồn 11 2.2.2 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo linh kiện 11 2.2.2.1 IC LM7824 11 2.2.2.2 Transistor công suất TIP2955 13 2.2.3 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 15 2.3.1 Biến áp 16 2.3.2 Khối chỉnh lưu lọc nguồn 16 2.3.3 Khối bảo vệ dòng 17 2.3.3.1 Nguyên lý bảo vệ dòng 17 2.3.3.2 Tính tốn cho khối 18 2.3.4 Khối lấy điện áp 19 KẾT LUẬN 21 LỜI MỞ ĐẦU Ngày với tiến khoa học công nghệ, thiết bị điện tử ứng dụng ngày rộng rãi hầu hết lĩnh vực kinh tếxã hội đời sống Trong tất thiết bị điện tử vấn đề nguồn cung cấp vấn đề quan trọng định đến làm việc ổn định hệ thống Hầu hết thiết bị điện tử sử dụng nguồn điện chiều ổn áp với độ xác ổn định cao Hiện kỹ thuật chế tạo nguồn điện ổn áp khía cạnh nghiên cứu phát triển với mục đính tạo khối nguồn có cơng suất lớn, độ ổn định, xác cao, kích thước nhỏ Từ tầm quan trọng ứng dụng thực tế nguồn điện chiều ổn áp củng cố lại kiến thức học áp dụng thực hành thực tế, nên em chọn đề tài: “Thiết kế mạch nguồn ổn áp có điện áp 24V-10A có bảo vệ dòng” để qua tìm hiểu kĩ nguyên lí hoạt động mạch nguồn đồng thời củng cố thêm kĩ thiết kế mạch điện tương tự Trong trình thực đề tài em xin chân thành cảm ơn thầy giáo: hướng dẫn em hoàn thành đề tài Do khả kiến thức thân hạn chế, đề tài chắn khơng tránh thiếu sót, em mong nhận đóng góp ý kiến thầy để đề tài hoàn thiện Sinh viên thực PHẦN I: LÍ THUYẾT 1.1 Tổng quan nguồn chiều 1.1.1 Khái niệm Nguồn chiều có nhiệm vụ cung cấp lượng chiều cho mạch thiết bị điện tử hoạt động Năng lượng chiều tổng quan lấy từ nguồn xoay chiều lưới điện thơng qua q trình biến đổi thực nguồn chiều Yêu cầu loại nguồn điện áp phụ thuộc vào điện áp mạng Để đạt yêu cầu cần phải dùng mạch ổn định Các mạch cấp nguồn cổ điển thường dung biến áp, nên kích thước trọng lượng lớn Ngày người ta có xu hướng dung mạch cấp nguồn khơng có biến áp Sơ đồ khối: Hình Sơ đồ khối mạch nguồn 1.2 Biến áp nguồn, chỉnh lưu lọc nguồn 1.2.1 Biến áp nguồn Biến áp nguồn làm nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều mạng điện thành điện áp xoay chiều có trị số cần thiết mạch chỉnh lưu ngăn cách mạch chỉnh lưu với mạng điện xoay chiểu chiều Hình Biến áp 1.2.2 Chỉnh lưu Các phần tử tích cực dùng để chỉnh lưu phần tử có đặc tuyến V-A khơng đối xứng cho dòng điện qua qua chiều Người ta thường dùng chỉnh lưu Silic, để có cơng suất nhỏ trung bình dùng chỉnh lưu Selen Để có cơng suất lớn điều chỉnh điện áp tùy ý, người ta dùng Thyristor để chỉnh lưu Các sơ đồ chỉnh lưu thường gặp chỉnh lưu nửa chu kỳ, sơ đồ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ, sơ đồ chỉnh lưu cầu mà sơ đồ chỉnh lưu cầu có nhiều ưu điểm Mạch chỉnh lưu phải có hiệu suất cao, phụ thuộc vào tải độ gợn sóng điện áp nhỏ Có loại chỉnh lưu chỉnh lưu nửa chu kì, chỉnh lưu hình tia, chỉnh lưu cầu… chỉnh lưu cầu cho chất lượng điện áp tốt a) Chỉnh lưu pha nửa chu kì Chỉnh lưu mơt pha nửa chu kì sơ đồ đơn giản nhất, thực tế sử dụng Do chất lượng điện áp thấp: số lần đập mạch lần, dòng nhấp nhơ lớn Hình Sơ đồ chỉnh lưu pha nửa chu kì b) Chỉnh lưu hình tia Chỉnh lưu hình tia thực chất ghép chỉnh lưu pha nửa chu kì, cho chất lượng điện áp tốt hơn: đập mạch lần chu kỳ Hình Sơ đồ chỉnh lưu hình tia c) Chỉnh lưu cầu Chỉnh lưu cầu sử dụng bốn diode, cho chất lượng điện áp tốt so với hai phương pháp trên: đập mạch lần chu kỳ Hình Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1.2.3 Lọc nguồn Lọc tụ điện Do phóng nạp tụ qua nửa chu kỳ sóng hài rẽ qua mạch C xuống điểm chung, dòng điện tải thành phần chiều lượng nhỏ sóng hài bậc thấp Nghĩa tác dụng lọc rõ rệt C Rt lớn Với chỉnh lưu dòng điện cơng nghiệp giá trị tụ C thường có giá trị từ vài uF đến vài nghìn uF 1.3 Ổn định điện áp 1.3.1 Khái niệm ổn áp Là ổn định điện áp đầu không thay đổi điện áp đầu vào thay đổi Nhiệm vụ ổn định điện áp chiều tải điện áp tần số điện lưới thay đổi, tải biến đổi thường gặp thực tế Điện trở nguồn cung cấp yêu cầu nhỏ, để hạn chế ghép ký sinh tầng, thiết bị chung nguồn chỉnh lưu Việc ổn định điện áp xoay chiều có nhiều hạn chế điện lưới thay đổi nhiều Dùng ổn áp chiều phương pháp điện tử sử dụng phổ biến đặc biệt công suất tải yêu cầu không lớn tải tiêu thụ trực tiếp điện áp chiều 1.3.2 Phân loại ổn áp + Ổn áp tham số (ổn áp dùng diode zenner) + Ổn áp xung: ổn áp dựa nguyên lý hồi tiếp (nguyên lý bù), phần tử diều chỉnh làm việc chế độ xung Ổn áp xung có ưu điểm vượt trội so với ổn áp tuyến tính + Ổn áp tuyến tính : Trong phạm vi đồ án xét đến mạch ổn áp có hồi tiếp với nguyên tắc thực sơ đồ ổn áp có hồi tiếp, phân loại số loại IC ổn áp tuyến tính Nguyên tắc mạch ổn áp tuyến tính: Để nâng cao chất lượng ổn định, người ta dùng ổn áp kiểu bù tuyến tính Nguyên tắc làm việc sơ đồ ổn định có hồi tiếp biểu diễn sau: Phần tử điều khiển Ur Bộ khuếch đại Nguồn chuẩn Bộ so sánh Ur’ Trong mạch này, phần điện áp (dòng điện) đưa so sánh với giá trị chuẩn Kết so sánh khuếch đại lên đưa đến phần tử điều khiển Phần tử điều khiển thay đổi tham số làm cho điện áp (dòng điện) thay đổi theo xu hướng tiệm cận đến giá trị chuẩn Tùy theo phương pháp cấu trúc, sơ đồ ổn định có hồi tiếp chia thành hai loại bản: ổn định song song ổn định nối tiếp Do sơ đồ nối tiếp có tổn hao sơ đồ song song nên hiệu suất cao dùng phổ biến Ưu điểm sơ đồ song song không gây nguy hiểm tải ngắn mạch đầu Sơ đồ nối tiếp u cầu phải có thiết bị bảo vệ tải ,dòng qua phần tử điều chỉnh qua điều chỉnh lớn gây nên hỏng phần từ điều chỉnh biến áp 1.3.3 Bộ ổn áp tuyến tính IC Để thu nhỏ kích thước chuẩn hóa tham số ổn áp chiều kiểu bù tuyến tính người ta chế tạo chúng dạng vi mạch, nhờ việc sử dụng dễ dàng Các IC ổn áp thực tế bao gồm thành phần tử tạo điện áp chuẩn, khuếch đại tín hiệu sai lệch, transistor điều chỉnh, hạn dòng Các IC ổn áp thường đảm bảo dòng khoảng từ 100mA đến 1.5A điện áp tới 50V, công suất tiêu tán khoảng 500-800mW Hiện người ta chế tạo IC ổn áp cho dòng tới 10A Các loại IC ổn áp điều chỉnh thường dùng 78xx, 79xx, LM309, LM323, LM317… Tùy thuộc vào tham số kỹ thuật điện áp ra, dòng ra, hệ số ổn định điện áp, khả điều chỉnh điện áp ra, dải nhiệt độ làm việc, nguồn cung cấp độ ổn định theo thời gian… mà người ta chế tạo nhiều loại khác PHẦN II: THIẾT KẾ 2.1 Lựa chọn phương pháp thiết kế Dựa vào tiêu chuẩn kỹ thuật khối nguồn ta lựa chọn phương pháp thiết kế cho khối nguồn từ đưa sơ đồ nguyên lý nguồn 2.1.1 Biến áp Ở nguồn ổn áp sử dụng lưới điện xoay chiều 220V-50Hz điện áp (dòng điện) 24VDC-10A, cơng suất cực đại 240W nên ta sử dụng biến áp có điện áp vào 220V điện áp 28V, dòng 10A 2.1.2 Mạch chỉnh lưu Do ưu điểm mạch chỉnh lưu cầu điện áp nhấp nháy, điện áp ngược mà diode phải chịu nhỏ so với phương pháp cân nên ta chọn chỉnh lưu cầu 2.1.3 Bộ lọc nguồn Bộ lọc có nhiệm vụ san điện áp chiều dập mạch Ur thu sau khối chỉnh lưu thành điện áp chiều nhấp nhơ Với đặc điểm phương pháp lọc tụ điện tính đơn giản chất lượng lọc cao nên ta sử dụng phương pháp lọc cho khối nguồn 2.1.4 Khối bảo vệ dòng Có nhiệm vụ bảo vệ mạch trường hợp dòng vào tăng Ta sử dụng tính chất thysistor, transistor, diode để tạo nên khối bảo vệ dòng phù hợp 2.1.5 Khối ổn áp Theo yêu cầu thiết kế mạch ổn áp có điện áp 24V-10A nên ta sử dụng IC ổn áp thông dụng LM7824 Do LM7824 cho điện áp vào dải 26,5V -39V (với cách mắc thông thường) điện áp 24V, dòng 5.0mA-1.0A nên ta sử dụng thêm transistor cơng suất để gánh dòng 10 2.2 Sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý 2.2.1 Sơ đồ khối khối nguồn U1~ Biến áp Bộ bảo vệ dòng Chỉnh lưu Ổn áp chiều Các tiêu chuẩn kỹ thuật khối nguồn: + Biện áp 220/28V-10A AC-50Hz + Điện áp 24V DC + Dòng điện tải 10A 2.2.2 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo linh kiện 2.2.2.1 IC LM7824 Một số đặc điểm thông số kỹ thuật LM7824 sau: + Vin = 39V + Vout = 24V + Ioutmax = 1A + 5.0mA ≤ Iout ≤ Imax Bảng kèm theo IC: 11 R Sơ đồ nguyên lý cấu tạo LM7824: Đồ thị tuyến tính IC LM7824 12 2.2.2.2 Transistor cơng suất TIP2955 Bảng kèm theo Transistor TIP2955: 13 Đồ thị tuyến tính Transistor TIP2955: 14 2.2.3 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn Sơ đồ ngun lý: 2.3 Tính tốn linh kiện 15 2.3.1 Biến áp Sử dụng biến áp 220V/28V-10A để cấp nguồn cho mạch Hệ số cuộn máy biến áp 61.735H mô proteus 220 ) 28 K=( = 61.735H 2.3.2 Khối chỉnh lưu lọc nguồn Khi điện áp lưới có giá trị lớn Dòng lớn qua diode 10A Do ta lựa chọn cầu 12A Chọn tụ C1 C1 = Uvmax Uv.fp.Rt = 39 12.5ì100ì2.65 =11773àF Trong ú: Uvmax = 39V 16 ∆UV = Uvmax – Uvmin = 39 – 26.5 = 12.5V fp = 2f = 2.50 = 100Hz Rt = Uvmin Itmax = 26.5 10 =2.65Ω (Trường hợp xấu nhất) Sau qua khối chỉnh lưu cầu tụ lọc phải đảm bảo chịu điện áp lớn 2.3.3 Khối bảo vệ dòng 2.3.3.1 Nguyên lý bảo vệ dòng Gọi áp sau transistor Q4 U1, UEQ5, UBQ5 điện áp chân E B transistor Q5, ta có: U1 – Udiode = UEQ5 U1 – UR3 = U1 – Itải.R3 = UBQ5 Ta có trường hợp sau: + Khi Itải ≤ Ibảo vệ : => UEQ5 < UBQ5 =>Transistor Q5 khóa, khối bảo vệ chưa hoạt động + Khi Itải tăng => UBQ5 giảm 17 + Khi Itải > Ibảo vệ: => UEQ5 > UBQ5 =>Transistor Q5 thơng, có dòng kích vào thyristor hoạt động, dòng vào qua R4, qua thyristor chân mass, đồng thời transistor Q4 bị khóa Lúc khơng có dòng cấp cho phần mạch sau khối bảo vệ nên tải linh kiện bảo vệ 2.3.3.2 Tính tốn cho khối Ta có: U1 – Udiode =UEQ5 U1- UR3 = U1 – Itải.R3 = UBQ5 Để transistor Q5 thơng UEQ5 > UBQ5 Vậy Itải.R3 > 0.7V => R3 > 0.7 Itải = 0.7 10 = 0.07Ω => Ta chọn R3 = 0.12Ω Công suất trở P = 𝐼 R => PR3=12W Chọn trở R5 = 3300Ω 18 2.3.4 Khối lấy điện áp Do dòng 10A ta phải sử dụng transistor có khả chịu dòng lớn 10A Ở ta sử dụng transistor công suất TIP2955 để kéo dòng, dòng lớn LM7824 1A + Chọn R1 R1 = Ube Ic I− β = 15 20÷100 1− = 8÷28 => Chọn R1 13Ω Trong đó: Ube sụt áp bazo – emite transistor 19 I phần dòng cho qua IC ổn áp Ic phần dòng cho qua transistor β hệ số khuếch đại transistor + Chọn tụ C3 0.5µF (thường chọn thế) + Chọn tụ C2 khoảng 0.1 đến 1µF => chọn 1µF 20 KẾT LUẬN Trong thời gian thực đề tài, với bảo giúp đỡ tận tình thầy, đến đề tài: “thiết kế nguồn ổn áp 24V-10A có bảo vệ dòng” hồn thành Chúng em cố gắng vận dụng kiến thức học để giải yêu cầu đề tài Tuy nhiên thời gian kiến thức hạn chế nhiều vấn đề nên q trình thực thiếu xót hạn chế Chúng em mong nhận ý kiến góp ý thầy khoa ý tưởng thiết kế mơ hình sản phẩm chúng em để sản phẩm hoàn thiện Cuối chúng em xin cảm ơn thầy tạo điều kiện tốt để chúng em hồn thành đề tài thời gian sớm 21 Tài liệu tham khảo: + Giáo trình điện tử tương tự - Nguyễn Trinh Đường, Lê Hải Sâm + Giáo trình điện tử cơng st – Trần Trọng Minh + Giáo trình thiết kế điện tử công suất – Phạm Quốc Hải 22 ... THUYẾT 1.1 Tổng quan nguồn chiều 1.1.1 Khái niệm Nguồn chiều có nhiệm vụ cung cấp lượng chiều cho mạch thiết bị điện tử hoạt động Năng lượng chiều tổng quan lấy từ nguồn xoay chiều lưới điện thơng... dung mạch cấp nguồn khơng có biến áp Sơ đồ khối: Hình Sơ đồ khối mạch nguồn 1.2 Biến áp nguồn, chỉnh lưu lọc nguồn 1.2.1 Biến áp nguồn Biến áp nguồn làm nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều mạng... 1.1 Tổng quan nguồn chiều 1.1.1 Khái niệm 1.2 Biến áp nguồn, chỉnh lưu lọc nguồn 1.2.1 Biến áp nguồn 1.2.2 Chỉnh lưu 1.2.3 Lọc nguồn