Đồ án mạch tương tự - THIẾT KẾ MẠCH ỔN ÁP DÙNG IC ỔN ÁP ĐẦU VÀO 15VAC ĐẦU RA 6 VDC VÀ 12VDC – 1A

Chia sẻ: Nguyen Huuu | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:18

Thêm vào BST

Báo xấu

578
lượt xem 161
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ngày nay, với sự phát triển ngày càng mạnh về lĩnh vực khoa học kỹ thuật các thiết bị điện tử đang được ứng dụng rộng rãi 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 nghững vấn đề quan trọng nhất quyết định đến sự làm việc ổn định của hệ thống.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án mạch tương tự - THIẾT KẾ MẠCH ỔN ÁP DÙNG IC ỔN ÁP ĐẦU VÀO 15VAC ĐẦU RA 6 VDC VÀ 12VDC – 1A

MỤC LỤC Phần I 1
Đồ án mạch tương tự THIẾT KẾ MẠCH ỔN ÁP DÙNG IC ỔN ÁP ĐẦU VÀO 15VAC ĐẦU RA 6 VDC VÀ 12VDC – 1A MỞ ĐẦU Ngày nay, với sự phát triển ngày càng mạnh về lĩnh vực khoa học kỹ thuật các thiết bị điện tử đang được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kinh tế, xã hội cũng như trong đời sống. Trong tất cả các thiết b ị điện tử vấn đề nguồn cung cấp là một trong nghững vấn đề quan trọng nhất quyết định đến sự làm việc ổn định của hệ thống. Hầu hết các thi ết bị điện tử đều sử dụng các nguồn điện một chiều được ổn áp v ới đ ộ chính xác và ổn định cao. Hiện nay, kỹ thuật chế tạo các nguồn đi ện ổn áp cũng đang là một khía cạnh được nghiên cứu phát triển với mục đích tạo ra các khối có công suất lớn, độ ổn định, chính xác cao, kích th ước nhỏ. Từ những ứng dụng thực tế của nguồn điện ổn áp một chiều và dựa vào nhứng kiến thức đã học được em đã thực hiên đề tài: “Thiết kế mach ổn áp điện áp vao 15VAC , điện áp ra 6 – 12 VDC, dòng đi ện 1A s ử dụng các IC ổn áp”. Qua đó, em có thể tìm hiểu kĩ hơn về nguyên lý hoạt động của các mạch nguồn đồng thời có thêm kiến thức trong thi ết k ế các mạch tương tự. Sinh viên 2
Nguyễn Văn Hữu I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. 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 lấy từ nguồn xoay chiều của lưới điện thông qua quá trình bi ến đ ổi được thực hiện trong nguồn một chiều. Yêu cầu đối với nguồn một chiều là điện áp ra ít ph ụ thu ộc vào điện áp mạng, của tải và nhiệt độ. Để đạt được yêu cầu đó cần phải dùng các mạch ổn đình (ổn áp, ổn dòng). Các mạch cung cấp nguồn cổ điển thường dùng biến áp nên kích th ước và trọng lượng khá lớn. Ngày nay, người ta có xu hướng dùng các mạch cung cấp nguồn không có biến áp. 2. Biến áp Biến áp nguồn có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chi ều của m ạng 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 thành một chiều. 3
Trong ®ã: n1 : lµ sè vßng d©y cña cuén s¬ cÊp. n2 : lµ sè vßng d©y cña cuén thø cÊp. U1 : §iÖn ¸p xoay chiÒu ®Æt ë ®Çu vµo cuén s¬ cÊp. U2 : §iÖn ¸p xoay chiÒu ë ®Çu ra cña cuén thø cÊp. Nguyªn t¾c lµm viÖc cña biÕn ¸p nh sau: Khi ®Çu vµo s¬ cÊp cña biÕn ¸p ta ®Æt mét ®IÖn ¸p xoay chiÒu U1 = U líi lµ tÝn hiÖu h×nh sin (f = 50Hz), trong lâi thÐp xuÊt hiÖn mét tõ trêng biÕn thiªn theo quy luËt h×nh sin gièng nh ®Çu vµo (f = 50Hz). Tõ th«ng biÕn thiªn nµy c¶m øng sang bªn cuén d©y thø cÊp mét ®iÖn ¸p xoay chiÒu còng ë d¹ng h×nh sin víi f = 50Hz. MÆt kh¸c, quan hÖ vÒ biªn ®é cña ®iÖn ¸p ®Çu ra vµ ®Çu vµo cña biÕn ¸p lµ tû lÖ thuËn víi tû sè vßng d©y n1 vµ n2: U 1 n1 = U 2 n2 Do ®ã, biÕn ¸p cã kh¶ n¨ng h¹ ¸p khi n1 > n2. 3. Chỉnh lưu Các phần tử tích cực dùng để chỉnh lưu là các ph ần tử có dặc tuy ến Volt – Ampe không đối xứng sao cho dong điện đi qua nó ch ỉ đi theo m ột chiều. Người ta thường dùng chỉnh lưu Silic, để công suất nh ở hoặc trung bình có thể chỉnh lưu dùng Selen. Để có công suất ra lớn (>100W) và có thể điều chỉnh điện áp tùy ý, ngươi ta dùng Thyristor để chỉnh lưu. 4
Trong chØnh lu b»ng diode, c¸c m¹ch chØnh l u thêng ®îc dïng lµ: • M¹ch chØnh lu nöa chu kú. • M¹ch chØnh lu hai nöa chu kú: +M¹ch chØnh lu c©n b»ng. +M¹ch chØnh lu cÇu. • M¹ch chØnh lu béi ¸p. Ta chØ quan t©m tíi m¹ch chØnh l u cÇu. Ph¬ng ph¸p chØnh lu cÇu cã rÊt nhiÒu u ®iÓm h¬n so víi c¸c ph ¬ng ph¸p kh¸c ®ã lµ tÝnh æn ®Þnh cña ®iÖn ¸p ra sau chØnh l u,®iÖn ¸p ngîc tèi ®a mµ mçi ®ièt ph¶i chÞu ®ùng chØ b»ng 1/2 so víi chØnh l u nöa chu kú vµ ®é gîn sãng cña ph¬ng ph¸p chØnh lu nµy còng gi¶m ®i 2 lÇn so víi chØnh lu nöa chu kú. Nguyªn lý cña m¹ch chØnh lu cÇu: Trong tõng nöa chu kú cña ®iÖn ¸p thø cÊp U 2 ,mét cÆp van cã An«t d¬ng nhÊt vµ Kat«t ©m nhÊt më cho dßng mét chiÒu qua vµ cÆp van cßn l¹i kho¸ vµ chÞu mét ®iÖn ¸p ng îc cùc ®¹i b»ng biªn ®é U2m . Khi t 0 < t < t1 : D1 vµ D3 th«ng, D2 vµ D4 t¾t, Ura = Uvao. Khi t1 < t < t 2 : D2 vµ D4 th«ng, D1 vµ D3 t¾t, Ura = Uvao. Nh vËy, trong c¶ hai nöa chu kú, ta lu«n cã Ura > 0,tuy nhiªn Ura = Uvao chØ lµ lÊy lý tëng, thùc tÕ Ura = √2 Uvao – 1,4V. §iÖn ¸p 5
ra gi¶m 1,4V so víi ®iÖn ¸p vµo do sôt ¸p tæng céng trªn hai ®ièt th«ng trong mçi nöa chu kú. §èi víi hai §ièt t¾t trong mçi nöa chu kú, do ®iÖn ¸p ®Ønh tèi ®a ph©n bè ngîc ®Òu trªn hai ®i«t do ®ã ®iÖn ¸p ng îc chØ cßn mét nöa. Gi¶n ®å thêi gian thÓ hiÖn qu¸ tr×nh trªn: ViÖc chän gi¸ trÞ tèi ®a vÒ dßng vµ ®iÖn ¸p ng îc mµ di«t ph¶i chÞu ®ùng phô thuéc vµo dßng vµ ¸p mµ m¹ch æn ¸p ph¶i chÞu ®ùng, cung cÊp cho t¶i. 3. MẠCH LỌC Trong các mạch chỉnh lưu nói trên điện áp hay dong ra tải tuy có c ực tính không đổi, nhưng giá trị của chúng thay đổi theo th ời gian m ột chu kỳ gọi là sự đập mạch của điện áp hay dòng điện sau chỉnh lưu. Hệ số đập mach tính theo công thức: ˆ Ut Kp = U Trong đó: Kp – hệ số đập mạch ˆ U t - là biên độ sóng hài lớn nhất của Ut hay It U - là giá trị trung bình của Ut hay It 6
Kp càng nhỏ thì chất lượng của mạch càng cao. Người ta đã tính toán rằng khi chỉnh lưu nửa chu kỳ thì K p = 1,58 còn khi chỉnh lưu hai nửa chu kỳ thì Kp = 0,667. Trong thực tế thường gặp các khâu lọc: 3.1 Khâu lọc RC Khâu lọc RC là khâu lọc thông thấp. Nhờ có tụ điện mắc song song với tải mà điện áp ra ít nhấp nhô hơn. Do sự phóng nạp của tụ điện qua các nửa chu kì và do các sóng hài bậc cao được rẽ qua mạch C xuống điểm chung, dòng ra tái ch ỉ còn dòng một chiều lãn một ít sóng hài bậc thấp. Hệ số đập mạch của bộ lọc: NghÜa lµ t¸c dông läc cµng râ rÖt khi C vµ R t cµng lín . Víi nh÷ng bé läc trong c«ng nghiÖp thêng dïng tô ho¸ cã gÝa trÞ tõ vµi µ ®Õn hµng ngµn µ . Giản đồ thời gian: 7
Trong sơ đồ này do tụ nối song song với tải nên điện áp ra ít nhấp nhô hơn. Do sự nạp và phóng của tụ mà các sóng hài bậc cao sẽ bị mất đi. Dòng điện hay điện áp ra chỉ còn thành phần một chiều và một lượng nhỏ sóng hài bậc thấp. Công thức tính độ lớn của tụ thông qua độ gợn sóng cho phép: Tchl C loc ≈ 3Rt K gs Trong đó: Clọc: Giá trị của lọc Tchl: chu kì của gợn sóng. Rt : Giá trị trở tải tương đương. Kgs: Độ nhấp nháy (%) Tác dụng của tụ tăng khi C và Rt tăng. 3.2 Khâu lọc LC Khâu lọc LC như sau: 8
Khâu lọc LC gồm cuộn dây L mắc nối tiếp với tải R t nên khi dòng điện it ra tải biến thiên đập mạch, trong cuộn L sẽ xuất hiện s ức điện động tự cảm. Do đó làm giảm các sóng hài bậc cao. Về mặt điện kháng các sóng hài bậc n có tần số cao sẽ bị chặn càng nhiều. Nên thành phần ra tải chỉ có dòng một chiều và một lượng nhỏ sóng hài bậc thấp. HÖ sè ®Ëp m¹ch cña bé läc dïng cuén c¶m lµ: Rt Kp= 3ωL NghÜa lµ t¸c dông cña m¹ch läc cµng t¨ng khi R t cµng nhá. V× vËy m¹ch läc nµy thÝch hîp víi m¹ch chØnh l u c«ng suÊt võa vµ lín. Gi¸ trÞ cuén cµng lín th× t¸c dông chÆn cµng t¨ng, tuy nhiªn gi¸ trÞ L còng kh«ng ®îc qu¸ lín dÉn ®Õn hiÖu suÊt bé chØnh lu gi¶m. . 3.3 Khâu lọc hình L và hình Π C¸c bé läc nµy sö dông tæng hîp t¸c dông cña cuén L vµ tô ®iÖn C ®Ó läc, do ®ã c¸c sãng hµi còng bÞ gi¶m nhá vµ dßng ra t¶I còng Ýt nhÊp nh«. §Ó t¨ng t¸c dông läc cã thÓ m¾c nèi tiÕp 2 hay 3 m¾t läc h×nh ∏ víi nhau . Khi ®ã dßng ®iÖn vµ ®iÖn vµ ®iÖn ¸p ra t¶I gÇn nh b»ng ph¼ng hoµn toµn. 9
Khâu lọc hình L Khâu lọc hình ∏ Trong một số trường hợp để tiết kiệm và giảm kích th ước, trọng lượng của bộ lọc ta có thể thay cuộn cảm L bằng R trong khâu l ọc hình L ngược hay hình ∏ . Lúc đó R gây sụt áp cả thành phần một chiều trên nó dẫn tới hiệu suất cà chất lượng bộ lọc thấp hơn dùng cuộn L. Th ường người ta chọn giá trị R sụt áp một chiều trên nó bằng (10 ÷ 20)% U0 khoảng vài Ω đến vài k Ω . Khâu lọc cộng hưởng 3.4 Bộ lọc cộng hưởng dùng mạch cộng hưởng song song L kCk mắc nối tiếp với tải Rt nhờ vậy sẽ chặn sóng hài có tần số bằng tần số cộng hưởng của nó. Ngoài tụ C2 còn có tác dụng lọc thêm. Các bộ lọc công hưởng 10
Bộ lọc cộng hưởng dùng mạch conongj hưởng nói tiếp L kCk mắc song song với tải R1. Ở tần số cộng hưởng nối tiếp của mạch L kCk trở kháng của nó rất nhỏ nên nó ngắn mạch các sóng hài có tần số gần bằng tân số cộng hưởng. Ngoài ra cuộn cảm L có tác dụng lọc thêm. ỔN ÁP 4. Các mạch ổn áp có nhiệm vụ giữ cho điện áp ra hoặc dòng điện ra của một thiết bị cung cấp không đổi khi điện áp vào thay đổi cũng như khi tải hoặc nhiệt độ thay đổi. Thông thường các mạch ổn áp có tác dụng gi ảm U và giảm tạp âm do đó dùng mạch ổn định có th ể gi ảm nh ỏ kích th ước của thiết bị cung cấp nhờ tiết kiệm được các tụ điện và điện cảm lọc. Mạch ổn áp dùng diode Zener 4.1 Hiệu quả của diode Zener được thể hiện tại đoạn đặc tuyến ứng với u < -Uz, lúc này với lượng biến đổi dòng điện ∆ I khá lớn thì ∆ U biến thiên rất ít. Các diode zener có U z ≈ 8V thường có điện trở động r z nhỏ nhất nghĩa là chúng ổn áp tốt nhất. Các diode có U z < 8V thì rz rất lớn nên không thể dung để ổn áp được, còn các diode có U z > 8V thì có tăng nhưng vẫn nhỏ nên vẫn có thể dùng làm ổn áp được nhưng hiệu quả ổn áp không cao. Vì thế khi cần ổn định điện áp lớn, nên chọn nhi ều diode có Uz = 8V mắc nối tiếp hơn là chọn một diode với Uz lớn. Đặc tuyến Volt-Ampe và sơ đồ ổn áp một chiều dùng diode zener Theo sơ đồ ta có: Ur’ = Uz (Uz là điện áp qua diode zener). Hệ số ổn áp G đối với ổn áp một chiều cũng đồng thời là hệ số lọc đối với điện áp xoay chiều và được xác định như sau: 11
Hệ số ổn áp tương đối: Mạch ổn áp loại này chỉ được dùng khi yêu cầu công suất ra nhỏ, vì yêu cầu hiệu suất của nó thấp (η ≈ 50%) và công suất tổn hao trên R và rz lớn. 4.2 Mạch ổn áp dùng diode zener với mạch lặp emito ở đầu ra Sơ đồ mạch ổn áp dùng diode zener đã xét thường có công suất tổn hao khá lớ n Pth = Iz.Uz Khi yêu cầu dòng ra tải lớn, phải chọn diode có dòng lớn. Diode zener chỉ thích nghi với các bộ chỉnh lưu công suất nhỏ. Để ổn áp cho các mạch ch ỉnh l ưu có công suất lớn có thể dùng các mạch ổn áp zener có tầng ra là một mạch lặp emitơ. Sơ đồ hình vẽ: Sơ đồ này dùng cho trường hợp điện áp ra cố định trong các sơ đồ này điode Ie It zener nên dòng qua các diode zener là: I bo ≈ nhỏ hơn qua dòng tải = Bn Bn Bn lần (Bn là hệ số khuếch đại dòng điện một chiều của transistor mắc emitor chung). Do đó có thể dùng diode zener có dòng nh ỏ cho các bộ ch ỉnh l ưu có công suất tương đối lớn. Điện áp chỉnh lưu được xác định theo công thức: U’r = Uz – U BE Với UBE (0,6 ÷ 0,7) V. Điện trở trong của sơ đồ điện trở ra của mạch lặp emitor khi coi R và r z là điện trở phân áp bazơ. Ta có: 12
rBE Ri = β + 1 Trong đó, rBE là điện trở vào của transistor, ∂Ic β= là h ệ s ố UCE = const ∂Ib khuếch đại của dòng xoay chiều. Vì Ri < rz, nên mạch ổn áp loại này có điện áp ra ít phụ thuộc vào tải. Ngoài ra do dong qua diode zener nhỏ nên có thể chọn trị số của đi ện trở R l ớn đ ể tăng hệ số ổn áp mà tổn hao trên R không tăng. Với sơ đồ này có thể lấy ra điện áp U’ r, là một phần cua Uz qua chiết áp P. Nếu chọn điện trở chiết áp P nhỏ hơn rBE thì điện trở của mạch tăng không đáng kể. 4.2 Mạch ổn áp có hồi tiếp Nguyên tắc thực hiện các sơ đồ ổn áp có hồi tiếp, phân loại. Để thỏa mãn yêu cầu cao hơn về mặt ổn áp, ổn dòng, cũng như công suất ra. Người ta dùng mạch ổn định có hồi tiếp. 13
Sơ đồ khối minh họa nguyên tắc làm việc mạch ổn áp có hồi tiếp Trong mạch này có một phần điện áp (dòng điện ) ra được đua v ề so sánh v ới 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 đi ện áp (dòng đi ện) ra trên nó thay đổi theo xu hướng tiệm cận đến giá trị chuẩn. Ổn áp xung 4.3 Hiệu suất của mạch ổn áp lien tục phụ thuộc nhiều vào công suất tổn hao P th của transistor công suất. Có thể giảm P th nếu cho transistor làm việc ở chế độ khác. Cũng giống như trong mạch ổn áp liên tục, điện áp vào m ạch ổn áp ph ải luôn luôn lớn hơn điện áp một chiều ở đầu ra. Ổn áp xung đặc biệt có ý nghĩa khi cần lấy ra điện áp nh ỏ t ừ m ột đi ện áp vào lớn với hiệu suất cao hoặc khi điện áp vào thay đổi nhiều (độ gợn sóng lớn). Khi mở, Transistor khóa dẫn năng lượng từ nguồn vào đến một phần tử tích lũy năng lượng (thường là cuộn cảm và tụ điện). Trong thời gian transistor khá ngắt thì phần tử tích lũy cung cấp năng lượng cho mạch sao cho trên tải luôn luôn có điện áp cao. Tấn số đóng mở của khóa thường nằm trong phạm vi (16 ÷ 50) kHz để tránh nhiễu âm thanh. Trong khu vực tần số này dụng cuộn cảm có lõi ferit là thích hợp. Tần số càng cao thì phần tử tích lũy năng lượng có kích th ước càng nh ỏ, nhưng hiệu suất giảm do tổn hao trong thời gian đóng mở tăng. Ổn áp xung cho hiệu suất cao và có dãy ổn định điện áp rộng, nhưng tốc độ điều khiển thấp, điện áp ra có độ gợn sóng lớn (vài %o đến vài %). Bộ ổn áp IC tuyến tính 4.4 14
Để thu nhỏ kích thước cũng như chuẩn hóa các tham số của các b ộ ổn áp m ột chiều kiểu bù tuyến tính người tac hế tạo chúng dưới dạng vi mạch, nhờ đó việc sử dụng cũng dễ dàng hơn. Các bộ IC ổn áp trrn thực tê 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 0,1 ÷ 1,5 A điện áp dưới 50V, công suất tiêu tán khoảng 500 ÷ 800 mW. Hiện nay người ta cũng chế tạo các IC ổn áp cho dòng dưới 10A. Các loại IC ổn áp điển hình thường dùng là: serial 78xx hay 79xx, LM 105, LM 309, µ A 723, LM323, LM317… Tùy thuộc vào tham số kỹ thuật như điện áp ra, dòng ra, hệ số ổn đinh điên áp, khả năng điều chỉnh điện áp, dải nhiệt độ làm việc, nguồn cung cấp, độ ổn định theo thời gian….mà người ta chế tạo ra nhiều loại khác nhau. Họ 78xx là họ cho ổn định điện áp đầu ra là dương. Còn xx là giá trị điện áp đầu ra nhứ 5V, 6V…78xx là loại dòng IC dùng để ổn định đi ện áp d ương đầu ra với điều kiện đầu vào luôn luôn lớn hơn đầu ra 3V. Họ 79xx là họ ổn địn điện áp đầu ra là âm. Còn xx là giá trị đi ện áp đ ầu ra như: -5V, -6V… Như chúng ta đã biết: Mạch ổn áp dùng Diode Zener như trên có ưu điểm là đơn giản nhưng nhược điểm là cho dòng điện nhỏ ( ≤ 20mA ) . Đ ể có th ể t ạo ra một điện áp cố định nhưng cho dòng điện mạnh hơn nhi ều l ần người ta mắc thêm Transistor để khuyếch đại về dòng như sơ đồ dưới đây: 15
Ở mạch trên điện áp tại điểm 3 có thể thay đổi và còn gợn xoay chi ều nhưng điện áp tại điểm Rt không thay đổi và tương đối ph ẳng. Nguyên lý ổn áp : Thông qua điện trở R2 và D1 gim c ố đ ịnh đi ện áp chân Rt của Transistor Q1, giả sử khi điện áp chân E đèn Q1 gi ảm => khi đó điện áp UBE tăng => dòng qua đèn Q1 tăng => làm điện áp chân E của đèn ngược lại tăng , và ... Mạch ổn áp trên đơn giản và hiệu quả nên được sử dụng rất nhi ều và người ta đã sản xuất các loại IC họ LA78.. để thay th ế cho mạch ổn áp trên, IC LA78… Sơ đồ chân của IC 16
17
18