Thiết kế mạch nguồn một chiều

PHẦN I:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

I. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ NGUỒN MỘT 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.

Sơ đồ khối của một bộ nguồn hoàn chỉnh được biểu diễn như sau:

Hình 1.1: Sơ đồ khối của một bộ nguồn hoàn chỉnh

Chức năng của các khối như sau:

- Biến áp để biến đổi điện áp xoay chiều U1 thành điện áp xoay chiều

U2 có giá trị thích hợp với yêu cầu. Trong một số trường hợp có thể dùng trực

tiếp U1 mà không cần biến áp.

- Mạch chỉnh lưu có nhiệm vụ chuyển điện áp xoay chiều U2 thành

điện áp một chiều không bằng phẳng UT (có giá trị thay đổi nhấp nhô). Sự

thay đổi này phụ thuộc vào từng dạng mạch chỉnh lưu.

BiÕn ¸pM¹ch

chØnh l u Bé läcæn ¸p mét

chiÒu (æn dßng)

U1 ~ U2 ~ UT UO1 UO2

IT

RT

Trương Văn QuyếtMSSV: 0851010060 Đồ Án 1

- Bộ lọc có nhiệm vụ san bằng điện áp một chiều dập mạch UT thành

điện áp một chiều UO1 ít nhấp nhô hơn.

- Bộ ổn áp một chiều (ổn dòng) có nhiệm vụ ổn định điện áp (dòng

điện) ở đầu ra của nó UO2 (IT) khi UO1 thay đổi theo sự mất ổn định của UO1

hay IT . Trong nhiều trường hợp nếu không có yêu cầu cao thì không cần bộ

ổn áp hay ổn dòng một chiều.

Tùy theo điều kiện và yêu cầu cụ thể mà bộ chỉnh lưu có thể mắc theo

những sơ đồ khác nhau và dùng các van chỉnh khác nhau. Bộ chỉnh lưu công

suất vừa và lớn thường dùng mạch chỉnh lưu ba pha. Dưới đây chúng ta sẽ đi

khảo sát từng khối nêu trên trong bộ nguồn một chiều.

II. BIẾN ÁP NGUỒN VÀ CHỈNH LƯU

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 1.2: Biến áp nguồn

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.

Thiết kế mạch nguôn DC ổn áp có điện áp ra thay đổi 0-15v, 3A 1


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 (tỷ số giữa công suất ra và công suất

hữu ích ở đầu vào) cao, ít phụ thuộc vào tải và độ gợn sóng của điện áp ra

nhỏ.

Sau đây ta sẽ xét về sơ đồ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ và sơ đồ chỉnh lưu

cầu.

a. Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ:

Đặc điểm của mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ là trong cả hai nửa chu kì

của điện áp xoay chiều đều có dòng điện chạy qua tải. Có hai loại sơ đồ chỉnh

lưu hai nửa chu kỳ: sơ đồ cân bằng và sơ đồ cầu.

D1

D2

Ct R

Ur

Uv

a. Sơ đồ cân bằng

b. Đồ thị thời gian của điện áp ra

Hình 1.3: Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ

Điện áp cực đại khi không tải:

Trong đó Un là điện áp ngưỡng của diode, U2 điện áp trên cuộn thứ cấp

của biến áp.

Thiết kế mạch nguôn DC ổn áp có điện áp ra thay đổi 0-15v, 3A

Ur

0 t

Không có Ct

Có Ct

2


Điện áp ngược đặt lên diode (trong trường hợp C t 0): Ung = U2hd.

b. Mạch chỉnh lưu cầu:

Sơ đồ cầu thường được dùng trong trường hợp điện áp xoay chiều tương đối

lớn. Tuy cùng là sơ đồ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ nhưng nó ưu việt hơn sơ đồ

cân bằng ở chỗ cuộn thứ cấp được sử dụng toàn bộ trong hai nửa chu kỳ của

điện áp vào và điện áp ngược đặt lên điôt trong trường hợp này chỉ bằng một

nửa điện áp ngược đặt lên trong sơ đồ cân bằng. Điện áp ra cực đại khi không

tải: nghĩa là nhỏ hơn chút ít so với điện áp ra trong sơ đồ cân

bằng, vì ở đây luôn luôn có hai điốt mắc nối tiếp.

Ct RUrUv

Hình 1.4: Mạch chỉnh lưu cầu

Ta thấy rằng trong từng nửa chu kỳ của điện áp thứ cấp , một cặp

điốt có anôt dương nhất và katốt âm nhất mở, cho dòng một chiều qua , cặp

điốt còn lại khóa và chịu một điện áp ngược cực đại bằng biên độ . Ví dụ

tương ứng với nửa chu kỳ dương của , cặp điốt Đ1Đ3 mở, Đ2Đ4 khóa. Rõ

ràng điện áp ngược đặt lên van lúc khóa có giá trị bằng một nửa so với trường

hợp sơ đồ chỉnh lưu cân bằng đã xét trên, đây là ưu điểm quan trọng nhất của

sơ đồ cầu. Ngoài ra, kết cấu thứ cấp của biến áp nguồn đơn giản hơn.

Trong sơ đồ 1.4, nếu nối đất điểm giữa biến áp và mắc thêm tải ta có

mạch chỉnh lưu có điện áp ra hai cực tính. Đây thực chất là hai mạch chỉnh

lưu cân bằng.



Ct R

+Ur

Uv

Ct R-Ur

Hình 1.5: Chỉnh lưu điện áp ra hai cực tính

III. LỌC CÁC THÀNH PHẦN XOAY CHIỀU CỦA DÒNG ĐIỆN RA TẢI

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:

Trong đó là thành phần một chiều và là

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 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 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.


Kp = Biên độ sóng hài lớn nhất của it (hay ut)

Giá trị trung bình của it (hay ut)

4


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. 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.

C Rt Ur

Hình 1.6: 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:

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 đến vài nghìn (tụ hóa).

2. Lọc bằng cuộn cảm L

Mạch lọc bằng cuộn cảm L được biểu diễn như sau

Rt Ur

L

Hình 1.7: Lọc bằng cuộn cảm



Cuộn cảm L được mắc nối tiếp với tải Rt nên khi dòng điện it ra tải biến

thiên đập mạch, trong cuộn L sẽ xuất hiện sức điện động tự cảm chống lại. Do

đó làm giảm các sóng hài (nhất là các sóng hài bậc cao). 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 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:

Nghĩa là tác dụng lọc của cuộn L càng tăng khi Rt càng nhỏ (tải tiêu

thụ dòng điện lớn). Vì vậy bộ lọc này thích hợp với mạch chỉnh lưu công suất

vừa và lớn. Giá trị của cuộn cảm L càng lớn thì tác dụng càng tăng, tuy nhiên

cũng không nên dùng L quá lớn, vì khi điện trở một chiều của cuộn L lớn, sụt

áp một chiều trên nó tăng và hiệu suất của bộ chỉnh lưu giảm.

3. Bộ lọc hình L ngược và hình

Các bộ lọc này sử dụng tổng hợp tác dụng của cuộn cảm L và tụ C để

lọc, do đó các sóng hài càng giảm nhỏ và dòng điện ra tải (hay điện áp trên

tải) càng ít nhấp nhô. Để tăng tác dụng lọc có thể mắc nối tiếp 2 hay 3 mắt lọc

hình với nhau. Khi đó dòng điện và điện áp ra tải gần như bằng phẳng hoàn

toàn.

Rt Ur

L

C

Hình 1.8: Lọc hình L ngược



Rt Ur

L

C1 C2

Hình 1.9: Lọc hình

Trong một số trường hợp để tiết kiệm và giảm kích thước, trọng lượng

của bộ lọc ta có thể thay cuộn cảm L bằng R trong mắt lọc hình L ngược hay

hình . Lúc đó R gây sụt áp cả thành phần một chiều trên nó dẫn tới hiệu suất

và chất lượng của bộ lọc thấp hơn dùng cuộn L. Thường người ta chọn giá trị

R sụt áp một chiều trên nó bằng (10 - 20)%U0 khoảng vài đến vài .

4. Bộ lọc cộng hưởng

Hình 1.10.a biểu diễn bộ lọc cộng hưởng dùng mạch cộng hưởng song

song LkCk mắc nối tiếp với tải Rt nhờ vậy sẽ chặn sóng hài có tần số bằng tần

số cộng hưởng của nó. Ngoài ra tụ C1 còn có tác dụng lọc thêm.

Rt

L

Ck C2Rt

Lk

Ck

L

(a) (b)

Hình 1.10: Các bộ lọc cộng hưởng

Hình 1.10.b biểu diễn bộ lọc cộng hưởng dùng mạch cộng hưởng nối

tiếp LkCk mắc song song với tải Rt. Ở tần số cộng hưởng nối tiếp của mạch

LkCk trở kháng của nó rất nhỏ nên nó ngắn mạch các sóng hài có tần số bằng

hay gần bằng tần số cộng hưởng. Ngoài ra cuộn L còn có tác dụng lọc thêm.



IV. ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP

Nhiệm vụ ổn định điện áp (gọi tắt là ổn áp) một chiều ra tải khi điện áp

và tần số điện lưới thay đổi, khi tải biến đổi (nhất là đối với bán dẫn) 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 áp

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 ra tải yêu cầu không lớn và

tải tiêu thụ trực tiếp điện áp một chiều.

Các dạng bộ ổn áp trên thực tế được chia làm ba loại chính: ổn áp kiểu tham số (ổn áp dùng điốt Zener), ổn áp kiểu bù tuyến tính (mạch ổn áp có hồi tiếp) và ổn áp xung.

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.

1. Nguyên tắc mạch ổn áp có hồi tiếp

Để nâng cao chất lượng ổn định, người ta dùng bộ ổn áp kiểu bù tuyến tính (còn gọi là ổn áp so sánh hoặc ổn áp có hồi tiếp). Nguyên tắc làm việc của các sơ đồ ổn định có hồi tiếp được biểu diễn như sau

Hình 1.11: Sơ đồ khối minh họa nguyên tắc làm việc của các

mạch ổn định có hồi tiếp

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


PHẦN TỬ ĐIỀU KHIỂN

BỘ KHUẾCH ĐẠI

BỘ SO SÁNH NGUỒN CHUẨN

(Điện áp một chiều chưa ổn định)

®Þnh)

U’rUr

8


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.

Hình sau minh họa phương pháp lấy tín hiệu đưa về mạch so sánh khi

ổn áp và ổn dòng.

Hình 1.12: Cách lấy tín hiệu đưa về bộ so sánh

a. Khi ổn áp b. Khi ổn dòng.

Có thể thấy rằng, tất cả các nguồn áp (Ri <<) và nguồn dòng (Ri >>)

được thực hiện theo phương pháp hồi tiếp, đều là những mạch ổn áp hoặc ổn

dòng. Tuy nhiên do yêu cầu về mặt công suất nên, nên trong các sơ đồ ổn áp

hoặc ổn dòng còn có thêm một bộ khuếch đại công suất mắc trong mạch hồi

tiếp.

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.

Sơ đồ khối bộ ổn áp kiểu song song được cho ở hình 1.13.a, nguyên lý

làm việc của loại sơ đồ này như sau: Phần tử điều chỉnh D điều tiết dòng điện

trong giới hạn cần thiết qua đó điều chỉnh giảm áp trên điện trở Rd theo xu

hướng bù lại: U2 = U1 - URd , do đó điện áp ra tải được giữ không đổi. Bộ tạo

điện áp chuẩn đưa Ech vào so sánh với điện áp ra U2 ở bộ so sánh và độ sai

lệch giữa chúng được khuếch đại nhờ khối khuếch đại Y. Điện áp ra của Y sẽ

khống chế phần tử điều chỉnh D. Sự biến đổi dòng điện từ 0 Itmax sẽ gây nên

sự biến đổi tương ứng dòng điện qua phần tử điều chỉnh từ Itmax 0.


Rt U’r

R

RtĐiện áp

đưa về bộ so sánh

Điện áp đưa về bộ so sánh

a. b.

9


Hình 1.13: a. Sơ đồ khối bộ ổn áp mắc song song

b. Sơ đồ khối bộ ổn áp mắc nối tiếp

Hình 1.13.b biểu thị sơ đồ khối bộ ổn áp bù mắc nối tiếp, trong đó phần

tử điều chỉnh D được mắc nối tiếp với tải, do đó dòng điện chạy qua tải cũng

gần bằng dòng điện chạy qua D. Nguyên lý họat động của bộ ổn áp dựa trên

sự biến đổi điện trở trong của phần tử điều chỉnh D theo mức độ sai lệch của

điện áp ra (sau khi đã được so sánh và khuếch đại). Ví dụ do nguyên nhân nào

đó làm cho U2 biến đổi, qua mạch so sánh và khuếch đại Y tín hiệu sai lệch sẽ

tác động vào phần tử điều chỉnh D làm cho điện trở của nó biến đổi theo

chiều hướng là Uđc trên hai cực của D bù lại sự biến đổi của U1. Khi đó ta có

U2 = U1 - Uđc do có sự biến đổi cùng chiều giữa U1 và Uđc , U2 sẽ ổn định hơn.

Trong hai sơ đồ trên, phần tử điều chỉnh gây ra tổn hao chủ yếu về

năng lượng trong bộ ổn áp và làm cho hiệu suất của bộ ổn áp không vượt quá

được 60%.

Trong sơ đồ mắc song song, công suất tổn hao chủ yếu xác định bằng

công suất tổn hao trên Rd và trên phần tử điều chỉnh D là:

Trong sơ đồ mắc nối tiếp, công suất tổn hao chi do phần tử điều chỉnh

quyết định:


D

Y

Ech

U1 RtU2

Udc

D Y

Ech

U1 Rt

It

U2

Id

a. b.

10


Vậy sơ đồ nối tiếp có tổn hao ít hơn sơ đồ song song một lượng là U tId

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 chỉnh lưu sẽ quá lớn gây nên hỏng

phần tử điều chỉnh hoặc biến áp.

2. Bộ ổn áp tuyến tính IC

Để thu nhỏ kích thước cũng như chuẩn hóa các 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 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 - 800 mW. Hiện nay người ta

cũng chế tạo các IC ổn áp cho dòng tới 10A. Các loại IC ổn áp điển hình

thường dùng là : serial 78xx hay 79xx, LM 105, LM 309, A 723, LM323,

LM 317, LM 337…

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.v.v. mà người ta chế tạo ra nhiều loại khác

nhau.



PHẦN II

THIẾT KẾ NGUỒN MỘT CHIỀU ỔN ÁP CÓ ĐIỆN

ÁP RA THAY ĐỔI TỪ 0 -15V

I. 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:

- Điện áp vào 220VAV - 50Hz.

- Điện áp ra 0 - 15VDC.

- Dòng điện ra tải 3A.

- Công suất cực đại 45W.

II. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁP THIẾT KẾ

Dựa vào các tiêu chuẩn kỹ thuật của khối nguồn như trên ta lựa chọn

phương áp thiết kế cho từng khối của bộ nguồn và từ đó đưa ra sơ đồ nguyên

lý của bộ nguồn:

1. Biến áp

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

50Hz) và công suất cực đại của nguồn là 45W (15VDC - 3A) nên ta sử dụng

một biến áp có điện áp vào 220V và điện áp ra 15V, dòng ra 3A.

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.


BiÕn ¸pM¹ch

chØnh l u Bé läcæn ¸p mét

chiÒu (æn dßng)

U1 ~ U2 ~ UT UO1 UO2

IT

RT

12


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 UO1 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.

4. Khối ổn áp

Theo yêu cầu thiết kế mạch ổn áp có điện áp ra thay đổi từ 0V đến

15V nên ta sử dụng một IC ổn áp thông dụng là LM317. Do LM317 chỉ cho

điện áp ra trong dải 1.2V - 35V (với cách mắc thông thường) nên ta phải sử

dụng một cách mắc phối hợp nhằm điều chỉnh điện áp ra về mức 0V bằng

cách dùng một khối mạch để tạo ra điện áp âm.

a. Nguyên lý khối mạch ổn áp có điện áp thay đổi

Tổng quát về IC LM317

LM 317 là một IC ổn áp thông

dụng được ứng dụng nhiều trong thực

tế với các ưu điểm như điện áp ra ổn

định cũng như cách điều chỉnh điện

áp ra khá đơn giản (chỉ cần thay đổi

giá trị một phân áp).

Một số đặc điểm thông số kỹ

thuật cơ bản của LM 317 như sau:

1,2V ≤ UOUT ≤ 35V.

IOUT MAX = 1,5A.

3V ≤ UIN - UOUT ≤ 40V.

IADJ = (50 100) A.

10 mA ≤ IOUT ≤ IMAX

Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của

LM317 được trình bày như sau:


Hình 2.2: IC ổn áp LM317


Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý IC LM317

Mạch sử dụng IC LM317, với cách mắc thông thường (như hình 2.4)

điện áp ra chỉ nằm trong khoảng 1,2V đến 35V.

3

1

2

ADJ

OUTIN

LM317

0,1uFC1 R1

R2

+

10uFC2

Hình 2.4: Sơ đồ ổn áp dùng LM317

Điện áp ra có thể điều chỉnh được nhờ thay đổi phân áp R1 , R2 . Dòng

điện ra tại chân ADJ có giá trị rất nhỏ (50 - 100A). Điện áp trên R1 là 1,25V.

Khi đó điện áp ra được tính theo công thức:

Do IADJ có giá trị rất nhỏ nên có thể tính gần đúng Ura như sau:

Phương pháp điều chỉnh Ur về mức điện áp 0V:



Để có thể điều chỉnh Ur về mức 0V ta sử dụng cách mắc mạch phối

hợp như sau:

3

1

2

ADJ

OUTIN

LM317

0,1uFC1 R1

R2

U1

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý chỉnh mức điện áp ra về mức 0V.

Nguyên lý chỉnh Ur về mức 0V như sau:

Từ sơ đồ nguyên lý ta có:

Nếu ta có giá trị U1 ≤ -1,25V thì khi đó ta có thể điều chỉnh được điên

áp Ur về mức 0V.

b. Nguyên lý của khối tạo điện áp âm

Nguồn âm có thể được tạo ra đơn giản bằng cách sử dụng một cuộn

biến áp có đầu ra âm và dương. Nhưng ở đây ta sẽ tạo ra một nguồn âm bằng

cách dùng các nguồn dương có sẵn.

Việc tạo ra điện áp âm từ các nguồn điện áp dương có sẵn dựa trên

nguyên lý của một nguồn xung cơ bản sử dụng sự phóng và nạp của các tụ

điện theo chu kỳ nhờ tác dụng của một xung vuông được tạo ra từ một khối

mạch tạo xung.

Sơ đồ khối mạch như sau:



LM78121

2

3

GND

+12VIN

+

C6 C7

8

37

2

6 5

4

1

VCC

OUT

GND

DISC

RST

CNTLTHR

TRIG

LM555

R1

R2

+C1

C2

+

1000uF

C3

+ 1000uFC4

1N4007D1

1N4007

D2

2

1

3

GND

-5VIN

LM7905

12V

C5

DC IN

DC OUT (-5V)

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý của mạch tạo điện áp âm

Trong đó: Các IC LM7812, LM555, và R1 , R2 , C1 , C2 có tác dụng tạo

ra một xung vuông có tần số được xác định theo R1 , R2 , C1 và biên độ khoảng

7,4V (theo đặc tính của IC555). Khối tạo xung xuông này có thể được thay

bằng bất kỳ một mạch tạo xung vuông khác (ví dụ như mạch đa hài dao động,

mạch dao động dùng mạch di pha ...)

Khi đó tại chân số 3 (chân OUT) của IC 555 sẽ có một xung vuông có

biên độ là U0 = 7,4V . Khi xung vuông ở mức cao, dòng điện từ chân 3 nạp

vào tụ C3 rồi qua D1 xuống đất do đó tụ C3 được tích điện.

Khi chân số 3 ở mức thấp 0V, khi đó có thể xem cực (+) của tụ C 3

được nối xuống đất. Trước đó tụ C3 đã đươc tích điện U0 - 0,7 = 6,7V, do đó

lúc này tại cực (-) của tụ C3 sẽ có điện áp là - (U0 - 0,7) = - 6,7V, điện áp âm

này sẽ kéo dòng qua diode D2 làm cho tại catot của sẽ tồn tại một điện áp âm

có giá trị - (U0 - 0,7) + 0,7 = 6V nhờ có LM7905 điện áp này được giữ ổn

định ở mức -5V. Các tụ C4, C5 đóng vai trò là các tụ lọc.

Vậy ở đầu ra của mạch ta đã tạo ra được một điên áp âm có giá trị -

5V.



c. Cách tăng dòng điện ra tải

Do IC LM317 chỉ có thể cho dòng điện ra tải cực đại là 1,5A do đó để

có thể đạt được dòng ra tải là 3A ta có thể mắc thêm transistor điều chỉnh

phối hợp với IC ổn áp như sau:

3

1

2

ADJ

OUTIN

LM317U1

104C1 R1

R2

T

R3

DC OUT

-5V

U1

DC IN +C2

Hình 2.5: IC ổn áp dùng thêm transistor ngoài để tăng dòng sử dụng.

Từ sơ đồ ta có Ir = IC IE . Khi đó transistor trở thành phần tử chịu

dòng thay cho IC ổn áp. Do vậy chỉ cần chọn loại transistor có khả năng chịu

được dòng điện mong muốn (3A) và tính toán để phân cực cho transistor đó

hoạt động.



PHẦN III:

TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT VÀ

LẮP RÁP MẠCH THỰC TẾ

I. TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CHO TỪNG KHỐI MẠCH

1. Biến áp

Hình 3.1: Biến áp nguồn

Với chỉ tiêu Ura max = 15 V, theo đặc tính kỹ thuật của LM317 thì điện

áp vào IC cần thoả mãn 3V ≤ UIn - UOut ≤ 40V, do đó UIn = 18V, mặt khác

phải cộng thêm một lượng điện áp rơi trên hai diode chỉnh lưu, do đó điện áp

ra trên cuộn thứ cấp là U2 = UIn + 2 0,7 = 19,4 V.

Xét khi điện áp lưới có giá trị nhỏ nhất U lưới min = 200 V, và với điện áp

ra yêu cầu trên cuộn thứ cấp là 19,4V ta có:

Khi điện áp lưới có giá trị lớn nhất U lưới max = 240 V, điện áp ra lớn nhất

trên cuộn thứ cấp:

(V)

Ta có dòng điện ra trên khối nguồn cũng là dòng điện ra trên cuộn thứ

cấp của biến áp: Ira = I2 = 3A.

Do đó công suất lớn nhất mà biến áp cung cấp là:

P2 = U2 Ir = 23 3 = 69 W



Giả sử rằng tổn hao trên hai diode chỉnh lưu là 10% thì công suất thực

của biến áp là: W

Dòng điện chạy trên cuộn sơ cấp là: A

Để tính diện tích thiết diện của lõi biến áp ta dựa vào công thức:

(cm2)

(cm2)

Do đó ta lựa chọn diện tích tiết diện của lõi biến thế là 9 cm 2, và dùng

thép kỹ thuật Tôn - Silíc.

Tính đường kính dây cuốn biến áp theo chỉ tiêu mật độ dòng

3A/mm²

- Cuộn sơ cấp: I1 = 0,2 A

(mm2)

Đường kính dây cuốn biến áp trên cuộn sơ cấp:

(mm)

- Cuộn thứ cấp: I2 = 3A

(mm2)

Đường kính dây cuốn biến áp trên cuộn thứ cấp:

(mm)

Tính số vòng dây của biến áp:

Dựa vào tỉ số:

2

45

cmSUVol

nVong

Xét khi Ulưới max = 240 V thì số vòng dây trên cuộn sơ cấp là:

(vòng)

Số vòng dây trên cuộn thứ cấp là:

(vòng)



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

- Diện tích tiết diện lõi biến áp: S = 9 cm2

- Đường kính dây cuốn biến áp:

+ Sơ cấp : d1 = 0,3 mm + Thứ cấp: d2 = 1,128 mm

- Số vòng dây cuốn biến áp:

+ Sơ cấp : n1 = 1200 vòng + Thứ cấp: n2 = 80 vòng

2. Khối chỉnh lưu

Khi điện áp lưới có giá trị lớn nhất Ulưới max = 240 V, điện áp ngược đặt

lên diode chỉnh lưu:

(V)

Dòng điện lớn nhất qua diode: ID = I2 = 3A.

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: IN5408.

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 23 V. Do đó ta chọn một tụ lọc có Umax = 25 V.

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

lưu:

Chọn độ gợn sóng sau khối chỉnh lưu là Kgs = 5% = 0,05.

Chu kỳ chỉnh lưu: (s)

Điện trở tải tương đương:

Khi đó: (F)

Vậy ta chọn tụ lọc : 2200 F / 25V.



3. Khối phân áp lấy điên áp ra

3

1

2

ADJ

OUTIN

LM317U1

104C1

680R1

10KR2

-5V

DC OUT (0V : +15V)

U1

DC IN

Hình 3.2: Khối phân áp

Phân áp R1 và R2 có nhiệm vụ làm thay đổi điện áp ra theo sự biến

thiên của biến trở R2.

Từ sơ đồ ta có:

Khối tạo điên áp âm có nhiệm vụ tạo ra một điên áp âm U 1 = - 5V. Khi

đó để tạo ra một điên áp biên thiên từ 0 - 15 V thì:

Nếu chọn R1 = 560 thì ta có 1,68 K ≤ R2 ≤ 8,4 K. Như vậy ta có

thể chọn một biến trở 10K.



4. Khối tạo điên áp âm

Khối tạo điên áp âm được xây dựng trên cơ sở một nguồn xung cơ bản

cho điện áp ra là - 5V (do sử dụng IC ổn áp LM 7905) và dòng ra tải có thể

đạt đến 1A (theo đặc tính của IC LM555 và LM7905).

LM78121

2

3

GND

+12VIN

U2

+

100uFC5

104C6

8

37

2

6 5

4

1

VCC

OUT

GND

DISC

RST

CNTLTHR

TRIG

LM555

U31KR4

10KR5

+

1uFC7

103C8

+

1000uF

C9

+ 1000uFC10

1N4007D6

1N4007

D7

2

1

3

GND

-5VIN

LM7905U4

12V

-5V

104C11

DC IN

DC OUT (-5V)

Hình 3.3: Khối tạo điên áp âm.

Nguồn cung cấp: Ta sử dụng một nguồn ổn áp đơn giản với IC

LM7812 tạo ra một điên áp ổn định +12V, cung cấp cho IC tạo xung.

Khối tạo xung vuông: IC LM555 có nhiệm vụ tạo ra một xung

vuông có tần số và biên độ ổn định.

Tần số do LM555 tạo ra được tính theo công thức:

Nếu chọn RA = R4 = 1K, RB = R5 = 10K và C = 1 F thì tần số đóng mở

của tụ C9 là:

(Hz)

Nguyên lý hoạt động của mạch được giải thích như ở phần II và điện

áp ra luôn đạt -5V ổn định do sử dụng LM7905.



5. Transistor tăng dòng ra tải

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

3

1

2

ADJ

OUTIN

LM317U1

104C2

680R1

10KR2

B688T

2.2/0.5W

R3

DC OUT (0V : +15V)

-5V

U1

DC IN

Hình 3.4: IC ổn áp dùng thêm transistor ngoài để tăng dòng sử dụng.

Do 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 B688.

Từ sơ đồ trên ta thấy để phân cực cho transtor hoạt động thì sụt áp trên

điện trở R3 phải là 0,7 V, dòng qua nó là 0,3A (Dòng qua LM317). Do đó ta

chọn điện trở R3 như sau:

Ở đây ta sử dụng một điện trở có R3 = 2,2 , công suất P = 0,5 W.

6. Khối lọc điện áp ra

Để tăng độ ổn định cũng như để lọc các nhiễu của điện áp ra ta sử dụng

thêm một khối lọc điện áp ra gồm tụ C3 = 100F / 25V và C4 = 100 nF.

Sau khi tính toán chi tiết cho các khối ta tiến hành ghép nối các khối

với nhau thành sơ đồ nguyên lý như sau:




+

100uFC1

LM7812

1

2

3

GND

+12VIN

U2

+

100uFC5

104C6

8

37

2

6 5

4

1

VCC

OUT

GND

DISC

RST

CNTLTHR

TRIG

LM555

U3

1KR4

10KR5

+

1uFC7

103C8

+

1000uF

C9

+ 1000uFC10

1N4007D6

1N4007

D7

2

1

3

GND

-5VIN

LM7905U4

680R6

L

3

1

2

ADJ

OUTIN

LM317U1

104C2

104C4

560R1

10KR2

12V

-5V

AC IN (220V)

DC OUT (0V : +15V)

+

100uFC3

104C11

D1

D2

D3

D4

B688T

2,2 / 0,5W

R3

Bien ap

s¬

®å n

gu

yªn

lý n

gu

ån

m«t

ch

iÒu

æn

¸p

cã ®

iÖn

¸p

ra t

hay ®

æi (0

1

5V

)

3A


Sơ Đồ Layout

Sơ đồ mạch thực tế



a.Cấu tạo:nguồn xoay chiều, điot, tải b.Nguyên lí làm việc : - Nửa chu kì đầu ( nửa chu kì dương ), điot phân cực thuận nên dẫn điện, co dòng điện chạy qua tải có chiều từ A đến B.- Nửa chu kì sau ( nửa chu kì âm ), điot phân cực ngược, nên không dẫn điện, không có dòng điện chay qua tải.- Vậy qua 2 nửa chu kì dòng điện chay qua tải có một chiều duy nhất là chiều từ A đến B. 3. Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kì: a. Mạch chỉnh lưu hai điôt - Cấu tạo: gồm MBA có dây chung tính lấy ra điểm giữa, 2 điôt, tải tiêu thụ điện 1 chiều RL - Mạch điện: - Nguyên lý làm việc: + Ở bán kỳ dương, diode D1 phân cực thuận và dẫn điện trong lúc diode D2 phân cực nghịch nên dòng điện qua D1 qua tải có chiều từ A đến B và về nguồn.+ Ở bán kỳ âm, diode D2 phân cực thuận và dẫn điện trong lúc diode D1 phân cực nghịch nên dòng điện qua D2, qua tải có chiều từ A đến B và về nguồn.



+ Vậy qua 2 nửa chu kì dòng điện qua tải có chiều không đổi là chiều từ A đến B đó là dòng điện 1 chiều.b. Mach chỉnh lưu cầu ( dùng 4 điôt ) - Cấu tạo: gồm nguồn điện xoay chiều, 4 điôt, tải tiêu thụ điện 1 chiều.- Mạch điện: - Nguyên lí làm việc: + Ở bán kỳ dương của nguồn điện, D2 và D4 phân cực thuận và dẫn điện trong lúc D1 và D3 phân cực nghịch dòng điện qua D2, qua tải có chiều từ A đến B ,qua D4, về nguồn.+ Ở bán kỳ âm của nguồn điện, D1 và D3 phân cực thuận và dẫn điện trong lúc D2, D4 phân cực nghịch dòng điện qua D3, qua tải có chiều từ A đến B ,qua D1, về nguồn.+ Vây qua 2 nửa chu kì dòng điện qua tải co chiều không đổi là chiều từ A đến B đó là dòng điện 1 chiều.


Documents

Thiết kế mạch nguồn một chiều