Thiết kế bộ nguồn một chiều 24V10A

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

2

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

LỜI MỞ ĐẦU 4

PHẦN I: LÍ THUYẾT 5

1.1 Tổng quan về nguồn một chiều 5

1.1.1 Khái niệm 5

1.2 Biến áp nguồn, chỉnh lưu và lọc nguồn 5

1.2.1 Biến áp nguồn 5

1.2.2 Chỉnh lưu 6

1.2.3 Lọc nguồn 8

1.3 Ổn định điện áp 8

1.3.1 Khái niệm ổn áp 8

1.3.2 Phân loại ổn áp 8

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 của 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 và 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 toán cho khối 18

2.3.4 Khối lấy điện áp ra 19

KẾT LUẬN 21

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 24V-10A có bảo vệ dòng” 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: đã hướng dẫn 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 thầy để đề tài được hoàn thiện hơn

Sinh viên thực hiện

cổ điển thường dung biến áp, nên kích thước và trọng lượng của nó khá lớn Ngày nay người ta có xu hướng dung các mạch cấp nguồn không có biến áp

Sơ đồ khối:

Hình 1 Sơ đồ khối của mạch nguồn

1.2 Biến áp nguồn, chỉnh lưu và lọc nguồn

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 chiểu về một chiều

Để có công suất ra lớn 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 cao, ít phụ thuộc vào tải và độ gợn sóng của điện áp ra nhỏ

Có các loại chỉnh lưu như chỉnh lưu nửa chu kì, chỉnh lưu hình tia, chỉnh lưu cầu… trong đó chỉnh lưu cầu cho chất lượng điện áp tốt hơn cả

a) Chỉnh lưu một pha nửa chu kì

Chỉnh lưu môt pha nửa chu kì là sơ đồ đơn giản nhất, thực tế rất ít khi sử dụng Do chất lượng điện áp thấp: số lần đập mạch 1 lần, dòng ra nhấp nhô lớn

Hình 3 Sơ đồ chỉnh lưu một pha nửa chu kì

1.3 Ổn định điện áp

1.3.1 Khái niệm ổn áp

Là ổn định điện áp đầu ra không thay đổi khi điện áp đầu vào thay đổi Nhiệm

vụ ổn định điện áp một chiều ra tải khi điện áp và tần số điện lưới thay đổi, khi tải biến đổi rất thường gặp trong thực tế Điện trở ra của bộ nguồn cung cấp yêu cầu nhỏ, để hạn chế sự ghép ký sinh giữa các tầng, giữa các thiết bị cùng chung nguồn chỉnh lưu Việc ổn định điện áp xoay chiều có nhiều hạn chế nhất là khi điện lưới thay đổi nhiều Dùng bộ ổn áp một chiều bằng phương pháp điện tử được sử dụng phổ biến hơn đặc biệt khi công suất tải ra yêu cầu không lớn và tải tiêu thụ trực tiếp điện áp một chiều

1.3.2 Phân loại ổn áp

+ Ổn áp tham số (ổn áp dùng diode zenner)

+ Ổn áp xung: là ổn áp dựa trên nguyên lý hồi tiếp (nguyên lý bù), trong đó phần tử diều chỉnh làm việc ở chế độ xung Ổn áp xung có những ưu điểm vượt trội so với ổn áp tuyến tính

+ Ổn áp tuyến tính : Trong phạm vi của đồ án này chúng ta chỉ xét đến mạch

ổn áp có hồi tiếp với nguyên tắc thực hiện các sơ đồ ổn áp có hồi tiếp, phân loại và một số loại IC ổn áp tuyến tính

Nguyên tắc mạch ổn áp tuyến tính: Để nâng cao chất lượng ổn định, người ta dùng bộ ổn áp kiểu bù tuyến tính Nguyên tắc làm việc của các sơ đồ ổn định có hồi tiếp được biểu diễn như sau:

Trong mạch này, một phần điện áp (dòng điện) ra được đưa về so sánh với một giá trị chuẩn Kết quả so sánh được khuếch đại lên và đưa đến phần tử điều khiển Phần tử điều khiển thay đổi tham số làm cho điện áp (dòng điện) ra trên nó thay đổi theo xu hướng tiệm cận đến giá trị chuẩn

Tùy theo phương pháp cấu trúc, các sơ đồ ổn định có hồi tiếp được chia thành hai loại cơ bản: ổn định song song và ổn định nối tiếp Do sơ đồ nối tiếp có tổn hao ít hơn sơ đồ song song nên hiệu suất cao hơn và nó được dùng phổ biến hơn

Ưu điểm của sơ đồ song song là không gây nguy hiểm khi quá tải vì nó ngắn mạch đầu ra Sơ đồ nối tiếp yêu cầu phải có thiết bị bảo vệ vì khi quá tải ,dòng qua phần tử điều chỉnh và qua bộ điều chỉnh sẽ quá lớn gây nên hỏng phần từ điều chỉnh hoặc biến áp

1.3.3 Bộ ổn áp tuyến tính IC

Để thu nhỏ kích thước cũng như chuẩn hóa các tham số của các bộ ổn áp một chiều kiểu bù tuyến tính người ta chế tạo chúng dưới dạng vi mạch, nhờ đó việc sử dụng cũng dễ dàng hơn Các bộ IC ổn áp trên thực tế cũng bao gồm các thành phần tử chính là bộ tạo điện áp chuẩn, bộ khuếch đại tín hiệu sai lệch, transistor điều chỉnh, bộ hạn dòng

Các IC ổn áp thường đảm bảo dòng ra khoảng từ 100mA đến 1.5A điện áp tới 50V, công suất tiêu tán khoảng 500-800mW Hiện nay người ta cũng chế tạo các IC ổn

áp cho dòng tới 10A Các loại IC ổn áp điều chỉnh thường dùng là 78xx, 79xx,

LM309, LM323, LM317…

Tùy thuộc vào tham số kỹ thuật như điện áp ra, dòng ra, hệ số ổn định điện áp, khả năng điều chỉnh điện áp ra, dải nhiệt độ làm việc, nguồn cung cấp độ ổn định theo thời gian… mà người ta chế tạo ra nhiều loại khác nhau

10

PHẦN II: THIẾT KẾ

2.1 Lựa chọn phương pháp thiết kế

Dựa vào các tiêu chuẩn kỹ thuật của khối nguồn như trên ta lựa chọn phương pháp thiết kế cho từng khối của bộ nguồn và từ đó đưa ra sơ đồ nguyên lý của bộ nguồn

2.1.1 Biến áp

Ở đây do nguồn ổn áp được sử dụng ở lưới điện xoay chiều 220V-50Hz và điện

áp (dòng điện) ra là 24VDC-10A, công suất cực đại là 240W nên ta sử dụng một biến

áp có điện áp vào 220V và điện áp ra 28V, dòng ra 10A

2.1.2 Mạch chỉnh lưu

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

2.1.3 Bộ lọc nguồn

Bộ lọc có nhiệm vụ san bằng điện áp một chiều dập mạch Ur thu được sau khối chỉnh lưu thành điện áp một chiều 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

2.1.4 Khối bảo vệ dòng

Có nhiệm vụ bảo vệ mạch trong trường hợp dòng vào tăng Ta sẽ sử dụng các tính chất của 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 ra 24V-10A nên ta sử dụng một IC

ổn áp thông dụng là LM7824 Do LM7824 chỉ cho điện áp vào trong dải 26,5V -39V (với cách mắc thông thường) và điện áp ra 24V, dòng ra 5.0mA-1.0A nên ta sẽ sử dụng thêm transistor công suất để gánh dòng

2.2 Sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý

2.2.1 Sơ đồ khối của khối nguồn

U1~

Các tiêu chuẩn kỹ thuật của khối nguồn:

+ Biện áp 220/28V-10A AC-50Hz

+ Điện áp ra 24V DC

+ Dòng điện ra tải 10A

2.2.2 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo linh kiện

12

Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của LM7824:

Đồ thị tuyến tính IC LM7824

2.2.2.2 Transistor công suất TIP2955

Bảng kèm theo Transistor TIP2955:

14

Đồ thị tuyến tính Transistor TIP2955:

2.2.3 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn

Sơ đồ nguyên lý:

2.3 Tính toán linh kiện

2.3.2 Khối chỉnh lưu và lọc nguồn

Khi điện áp lưới có giá trị lớn nhất Dòng lớn nhất qua diode là 10A Do đó ta lựa chọn cầu 12A

Chọn tụ C1

C1 = ∆Uv.fp.RtUvmax = 12.5×100×2.6539 =11773µF

Trong đó:

Uvmax = 39V

∆UV = Uvmax – Uvmin = 39 – 26.5 = 12.5V

fp = 2f = 2.50 = 100Hz

Rt = UvminItmax = 26.510 =2.65Ω (Trường hợp xấu nhất)

Sau khi qua khối chỉnh lưu cầu thì tụ lọc cũng phải đảm bảo chịu được điện áp lớn nhất

Để transistor Q5 thông thì UEQ5 > UBQ5

Vậy Itải.R3 > 0.7V => R3 > Itải0.7 = 0.710 = 0.07Ω => Ta chọn R3 = 0.12Ω Công suất trở là P = 𝐼2.R => PR3=12W

Chọn trở R5 = 3300Ω

2.3.4 Khối lấy điện áp ra

Do dòng ra là 10A ta phải sử dụng transistor có khả năng chịu được dòng lớn hơn hoặc bằng 10A Ở đây ta sẽ sử dụng transistor công suất TIP2955 để kéo dòng, vì dòng ra lớn nhất ở LM7824 là 1A

+ Chọn R1

R1 = Ube

I−Icβ =

7 1−20÷10015 = 8÷28 => Chọn R1 bằng 13Ω

Trong đó:

Ube sụt áp trên bazo – emite transistor

20

I phần dòng cho đi qua IC ổn áp

Ic phần dòng cho đi qua transistor

β là hệ số khuếch đại của transistor

+ Chọn tụ C3 bằng 0.5µF (thường chọn như thế)

+ Chọn tụ C2 trong khoảng 0.1 đến 1µF => chọn bằng 1µF

KẾT LUẬN

Trong thời gian thực hiện đề tài, với sự chỉ bảo giúp đỡ tận tình của thầy, đến nay đề tài: “thiết kế nguồn ổn áp 24V-10A có bảo vệ dòng” đã được hoàn thành Chúng em đã cố gắng vận dụng những kiến thức đã được học để giải quyết những yêu cầu của đề tài Tuy nhiên do thời gian và kiến thức còn hạn chế trong nhiều vấn đề nên trong quá trình thực hiện vẫn còn những thiếu xót hạn chế Chúng em rất mong nhận được ý kiến và góp ý của các thầy cô trong khoa về ý tưởng thiết kế cũng như mô hình sản phẩm của chúng em để sản phẩm được hoàn thiện hơn Cuối cùng chúng em xin cảm ơn thầy đã tạo điều kiện tốt nhất để chúng em có thể hoàn thành đề tài trong thời gian sớm nhất

22

Tài liệu tham khảo:

+ Giáo trình điện tử tương tự - Nguyễn Trinh Đường, Lê Hải Sâm + Giáo trình điện tử công suât – Trần Trọng Minh

+ Giáo trình thiết kế điện tử công suất – Phạm Quốc Hải