Đang tải... (xem toàn văn)
luận văn về thiết kế mạch nguồn cung cấp điện một chiều
đồ áN MÔN HọC Thiết kế mạch điện tử tơng tự Đề bài: Thiết kế mạch nguồn cung cấp điện một chiều . 1 1. nhiệm vụ thiết kế Thiết kế mạch nguồn cung cấp điệnmột chiều , có ổn áp thông số -Địên áp vào Uvào = 220v/50Hz -Điện áp chỉnh lu +20v -Dòng tải it max=150mA -Diôt ổn áp có thông số U z=12v i z=20,5mA -Hệ số ổn áp 3% 2. Trình tự thiết kế : A.Nguyên tắc thiết kế , sơ đồ khối . *Nguyên tắc thiết kế : Trớc hết hệ thống mạch nguồn cung cấp nhờ biến áp nguồn AC biến đổi điện áp xoay chiều 220v của mạng điện thành điện áp xoaychiều có trị số cần thiết đối với mạch chỉnh lu .Qua mạch chỉnh lu điện áp xoay chiều đợc biến đổi thành điện áp một chiều .Từ đó tạo ra mức điện DC, qua bộ ổn áp thành điện áp một chiều +20v ổn định . Từ nguyên tắc thiết kế , ta có sơ đồ khối toàn mạch nh sau: Biến Chỉnh ổn áp AC áp (có hồi tiếp) DC U 2 Lu Bộ lọc Hình 1: Sơ đồ khối mạch nguồn cung cấp điện một chiều Nguồn một chiều có nhiệm vụ cung cấp năng lợng một chiều cho các mạch và thiết bị điện tử hoạt động . Năng lợng một chiều của nó đợc Lấy từ dòng điện xoay chiều của lới điện thông qua một quá trình biến đổi đợc thực hiện trong nguồn một chiều . 2 B.Chức năng từng khối. 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 lu và ngăn cách mạch chỉnh lu với mạng điệnvề một chiều . 1.1 Cấu tạo : Biến áp nguồn gồm hai cuộn dây, có số vòng khác nhau quấn trên một lõi chung bằng thép kỹ thuật (tôn silIC). Các cuộn dây thờng bằng đồng bọc men cách điện,có điện trở nhỏ . Lõi gồm nhiều lá thép mỏng hình khung hoặc Ei , Ghép sát và cách điện với nhau để truyền tải từ thông .Loại El cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp cuốn lồng vào nhau trên phần lõi chính ở giữa . hình khung hình Ei 1.2 Nguyên lý hoạt động Hoạt động của biến áp nguồn dựa trên hiện tợng cảm ứng điện từ . Cuộn sơ cấp nối với nguồn điện xoay chiều 110v 220v.Cuộn thứ cấp ,đợc nối với tải tiêu thụ .Dòng điện xoay chiều trong cuộn sơ cấp làm phát sinh một từ trờng biến thiên trong lõi từ . Từ thông biến thiên của từ trờng đó qua cuộn thứ cấp (cùng cuốn trên lõi chung ) tạo ra một suất điệnđộng cảm ứng trong cuộn thứ cấp và gây ra một dòng điệncảm ứng chạy trong cuộn thứ cấp cung cấp cho tải , Dòng điệnnày có cùng tần số với dòng điện ở cuộn sơ cấp . -Số vòng dây , điện áp , dòng đợc tính theo tỉ lệ: 1 2 2 1 2 1 i i U U N N == N 1= số vòng dây cuộn sơ cấp. N 2 số vòng dây cuộn thứ cấp U 1 điện áp hiệu dụng cuộn sơ câp U 2 điện áp hiệu dụng cuộn thứ cấp i 1 dòng điện hiệu dụng cuộn sơ cấp i 2 dòng điện hiệu dụng cuộn thứ cấp 3 1.3 Các dạng tín hiệu vào ra . _Tín hiệu vào ra đều là tín hiệu điện áp xoay chiều theo dạng hình sin.Chúng đồng pha với nhau và khác nhau về biên độ điện áp . ( hình 2) U 1 MAX T/4 T/2 3T/4 -U 1MAX U 2MAX -U 2MAX hình 2:Dạng điện áp vào và ra của ổn áp -Nội trở của biến áp có độ lớn : R ba =R tc + (R sc /n 2 ) -Theo thực tế , nhà thiết kế thờng dùng công thức xác định điện trở trong của biến áp với nguồn chỉnh lu công suất nhỏ . 1.4 Ưu nh ợc điểm Ưu điểm : +Đợc dùng để tăng giảm hiệu điện thế của dòng điện xoay chiều .Tạo ra những hiệu điện thế lớn nhỏ tuỳ từng lới điện công nghiệp . +Cách ly về phơng diện điện một chiều giữâ các mạch nằm trớc và sau biến áp(Hay dùng trong kỹ nghệ điện tử ) +Thích phối trở kháng -đó là tác dụng biến đổi trở kháng của biến áp .Nhằm thoả mãn nguồn và gánh thích phối trở kháng với nhau . +Trong trờng hợp tăng áp để truyền tải dòng điện đi xa . Nhợc điểm :+Trong kỹ nghệ điện tử ngày nay , nguồn cung cấp đẫ dần đợc thay thế bằng các mạch điện tử để thay thế cho nguồn biến áp có kích thớc , thể tích và trọng lợng khá lớn ,sự ổn định lại không cao. 4 2.chỉnh lu Chỉnh lu là một bộ nắm điện (đèn điện tử hai cực , một hoặc nhiều điốt bán dẫn )để biến đổi điện áp xoay chiều U 2 thành điện áp nhâp nhô một chiều U 1 , sau đó nhờ bộ lọc nguồn ta có đợc điện áp một chiều . Ơ đây chỉ nghiên cứu bộ chỉnh lu bán dẫn . 2.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc : -Khi để dùng cho dòng có công suất nhỏ ngời ta dùng chỉnh lu làm bằng SIClIC, Selen. -Khi để dùng cho dòng có công suất lớn hoặc dòng có thể điềuchỉnh điện áp theo ý muốn ngời ta dùng Thyristor. -Phổ biến thờng nhà thiết kế dùng sơ đồ chỉnh lu cầu hơn là sơ đồ chỉnh lu nửa sóng và toàn sóng , nên mạch nguồn này ta dùng sơ đồ cầu . 1uF BRIDGE 1to1 1k Hình 2 : Sơ đồ cầu cóbộ lọc bằng tụ 2.2 Ưu điểm : Sơ đồ cầu thờng dùng trong trờng hợp điện áp xoay chiều tơng đối lớn . Tuy cũng là sơ đồ chỉnh lu toàn sóng nhng nó u việt hơn sơ đồ cân bằng ở chỗ cuộn thứ cấp đợc sử dụng toàn bộ trong hai nửa chu kỳ điện áp vào và điện áp ngợc đặt lên điốt trong trờng hợp này chỉ bằng một nửa điện áp ngợc đặt lên trong sơ đồ cân bằng . Điện áp ra cực đại khi không tải . : r = 2 -2 n Nghĩa là nhỏ hơn chút ít so với điện áp ra trong sơ đồ cân bằng .Vì ở đây luôn luôn có hai điôt mắc nối tiếp . 2.3Dạng điện áp vào và ra : U 2 U L T/4 T/2 3T/4 T 5T/4 5 Hình 3: đồ thị điện áp bộ chỉnh lu. Khi biên độ điện áp vào đủ lớn , đặc tuyến điốt của mạch chỉnh lu thờng là một đờng gấp khúc . i D a b U D 3.Bộ lọc : Sau khi có dòng điện không bằng phẳng nhờ chỉnh lu , bộ lọc có tác dụng san bằng điện áp một chiều đập mạch U 1 thành một chiều U 01 ít nhấp nhô hơn . 3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động : Bộ lọc rất đa dạng ( lọc bằng tụ điện , bằng cuộn cảm , bằng cộng hởng ) song ta đi vào nghiên cứu bộ lọc bằng tụ điện . Tụ điện đem nối song song với tải điện .Tụ nạp và phóng cứ 2 1 chu kỳ một lần cộng các sóng bậc cao làm dòng điện ra là một chiều cộng sóng hài bậc thấp . Bằng cách đó có thể giảm đ- ợc độ gợn sóng của điện áp ra . Khi điện trở tải R lớn thì C có thể đợc nạp tới giá trị đỉnh của điện áp xoay chiều : u r 2 -U n Lúc này ta có mạch chỉnh lu giá trj đỉnh khác với mạch chỉnh lu giá trị trung bình .Điện áp ngợc đặt trên đíôt lớn gâp 2 so với trờng hợp không có bộ lọc . C R Hình 4 : bộ lọc bằng tụ điện Hệ số đập mạch của bộ lọc : K P =biên độ sóng hài lớn nhất của i t (hayU t ) Giá trị trung bình của i t (hayU t ) Thực nghiệm cho thấy K P = t CR 2 K P càng nhỏ thì chất lợng lọc càng cao .Trị số tụ C cỡ vài àF ữvài nghìn àF 3.2 Dạng điện áp vào và ra : U L 6 t U V t T/2 T 3T/4 -Đầu chu kỳ dơng ,tụ nạp đủ điện áp vào .Khi bộ lọc để điện áp vào giảm thấp hơn mức này thì một cặp điôt phân cực ngợc .Do tải nên điện áp giảm từ từ .Ơ đỉnh nào đó ngay trớc đỉnh điện áp vào nhờ điện áp vào , cặp điốt đợc phân cực thuận .Tụ lại trở về vị trí cố định ban đầu . 4 ổn áp Các mạch ổn định 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 nh khi tải hoặc nhiệt độ thay đổi . Thông thờng các mạch ổn định có tác dụng giảm ũ và giảm tạp âm do đó dùng mạch ổn định có thể giảm nhỏ kích thớc của thiết bị cung câp nhờ tiệt kiệm đợc các tụ điện và điện cảm lọc . 4.1 Mạch ổn áp dùng điốt Zener Các mạch chỉnh lu có tụ lọc C t không có tính chất ổn áp một chiều , vì trở kháng đối với thành phần một chiều của tụ rất lớn . Trong trờng hợp này dùng điôt Zener rất có lợi . Ngoài ra dùng điôt Zener còn có lợi hơn dùng các khâu lọc thông thờng .Vì điện trở trong của mạch nhỏ và bằng điện trở động r z của điốt Zener . Hiệu quả ổn áp của điốt đợc thể hiện tại đoạn đặc Hình5 : điot Zener tuyến ứng với u <-U z . Lúc này với lợng biến đổi dòng điện i khá lớn thì U biến thiên rất ít . 4.2 Mạch ổn áp dùng điôt Zener kết hợp với Tranzito . Sơ đồ ổn áp dùng điôt Zener đã xét trong mục 4.1 thờng có công suất tổn hao khá lớn . P th =Iz.U z Khi yêu cầu dòng ra tải lớn , phải chọn điốt có dòng lớn .Diốt Zener chỉ thích hợp với các bộ chỉnh lu công suất nhỏ .Có thể dùng các mạch ổn áp Zener có tầng ra là một mạch lặp emitơ để ổn áp cho các mạch chỉnh lu công suất lớn hơn . 7 ZENER ZENER NPN P ZENER R a, điện áp cố định b, điện áp ra thay đổi . Hình 6: Sơ đồ ổn áp dùng điôt Zener với mạch lặp emito ở đầu ra, Vì R i +r z nên mạch ổn áp loại này có điện áp ra ít phụ thuộc vào tải .Ngoài ra , do dòng qua điôt Zener nhỏ nên có thể chọn trị số của điện trở R lớn để tăng hệ số ổn áp . (biểu thức về G) mà tổn hao trên R không tăng . Với sơ đồ hình 6b ,có thể Lấy ra điện áp U r là một phần của U z qua chiết áp P (Trong sơ đồ nguyên lý toàn mạch ta gọi là VR để tránh nhầm với công suất ) .Nếu chọn điện trở chiết ap P < r BE thì điện trở trong của mạch tăng không đáng kể . Phần tử điũu khiển của ổn áp để làm thay đổi tham số cho điện áp ra trên nó theo xu h ớng tiệm cận tới giá trị chuẩn ,ta dùng trazito công suất .Hồi tiếp âm buộc điện áp của khuyếch đại thuật toán phải đủ lớn để bù lại cho sự sụt điện áp tại bazơ -emitơ.Độ sụt áp đó thờng hơn 0,7 V.Mặt khác chuyển tiếp colecto bazơ phân cực ngợc đối với hoạt động tuyến tính . Bắt buộc ta phải có điện áp vào không ổn định phải lớn hơn điện áp khi ra đã ổn dịnh . 4.3 Mạch ổn áp có hồi tiếp . Nguyên tắc thực hiện các sơ đồ ổn áp có hồi tiếp : Trong mạch này ,một phần điện áp ra đợc đa về so sánh với một giá trị chuẩn .Kết quả so sánh đợc khuyếch đại lên và đa đến phần tử điềukhiển .Phần tử điềukhiển thay đổi tham số làm cho điện áp ra trên nó thay đổi theo xu hớng tiệm cận dần đến giá trị chuẩn . U ra Phần tử điều khiển U ra (điện áp một chiều cha ổn định) Bộ khuyếch đại Nguồn Bộ so Chuẩn Sánh Hình 7:sơ đồ khối minh hoạ nguyên tắc làm việc của mạch ổn áp có hồi tiếp Để thoả mãn các yêu cầu cao hơn về mặt ổn áp ,ổn dòng cũng nh công suất ra , ngời ta dùng các mạch ổn định có hồi tiếp . Nguyên tắc làm việc của các sơ đồ ổn định có hồi tiếpđ ợc biểu diễn ngay trên sơ đồ khối hình 7. 8 1k 1K 1k 1k 1k Hình 8 a và b minh hoạ phơng pháp Lấy tín hiệu đa về mạch so sánh khi khi ổn áp (a) và ổn dòng (b) a,khi ổn áp b,khi ổn dòng hình 8; Cách Lấy tín hiệu đa về bộ so sánh Tất cả các nguồn ap (R i <<)và nguồn dòng (R i >> ) đợc thực hiện theo phơng pháp hồi tiếp . đều là những mạch ổn áp hoặc ổn dòng . Tuy nhiên do yêu cầu về mặt công suất nên trong các sơ đồ về ổn áp và ổn dòng còn có thêm một bộ khuyếch đại công suất mắc trong mạch hồi tiếp . Các sơ đồ ổn định có hồi tiếp đợc chía thành hai loại cơ bản :ổn định song song và ổn định nối tiếp . Theo đề bài , ta dùng hồi tiếp ổn định nối tiếp . 4.4 Phần khuyếch đại Tín hiệu đi ra từ bộ so sánh vào bộ khuyếch đại .Khi trở ra chúng là những tín hiệu đợc da vào bộ điềukhiển để điềuchỉnh điện áp ra theo yêu cầu thiết kế . Khuyếch đại có rất nhiều dạng (tranzito EC,BC ).Song ở mạch này ta dùng IC kết hợp cho cả phần khuyếch đại và phần so sánh .Ta dùng IC LM348. 4.5 Sơ l ợc về IC LM348 -Là bộ khuyếch đại thuật toán có hệ số khuyếch đại lớn và ứng dụng phổ biến trong thiết kế mạch .IC LM348 nằm trong nhóm các khuyếch đại thuật toán loại BiPOLAR có 14 chân loại DiP,nhng cũng có thể đợc sử dụng hai đầu vào vi sai và một đầu ra chung .Nó đợc tính tơng đơng với IC U741với hệ số khuyếch đại K >0 Phạm vị điện áp cung cấp 10 đến 18V Điện áp vào tối đa 24V Tổn hao nguồn 500mW Điều kiện kiểm tra Vs-5V Điện áp vòng lúc mở 96dB Dòng định thiên hiện thời 30nA Tốc độ đáp ứng 0,6(V/às),às Mức thay đổi điện áp 28V hoặc 14V Nhiệt độ lý tởng 25 0 C 9 Vee -12V Vcc +12V 10. kHz Vin + - VE 2.6V DC DLP DP DE DLN Q1 Q2 + - VLN 25V + - VLP 25V + - VC 2.6V + - VB 0V + - HLIM 1K IEE 10.16E-6 + - GCM 2.574E-9 + - GA 137.7E-6 BB + - BGND V(7)*.5+V(6)*.5 + C1 4.664pF + C2 20pF RP 18.11K RO2 150 RO1 150 REE 19.69Meg RE2 2.74K RE1 2.74K RC2 7.957K R2 100k RC1 7.957K RI 10k RF 100k RL 25k Hình 9: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch cấu trúc bên trong của bộ khuyếch đại thuật toán LM348. C.Xây dựng sơ đồ nguyên lý toàn mạch Mạch nguồn cung cấp điện một chiều ,có ổn áp thông số -Điện áp vào U vào =220v/50Hz -Điện áp sau chỉnh lu +20v -Dòng tải i t max =150mA -Điốt ổn áp có thông số U z =12v Iz=20,5mA -Hệ số ổn áp :3% Căn cứ vào những cơ sở trên , ta có sơ đồ nguyên lý toàn mạch của mạch nguồn cung cấp điện một chiều . 10 [...]... (v) -Điện áp sau chỉnh lu( đề bài ) : UAmax =+20(V) -Điện áp vào chỉnh lu : Uvào đ = UAmax + 2Uđ = 20 + 1,4 = 21,4(v) -Chọn điôt chỉnh lu : DF005 50V 1A Si pkg:D-70 -Điện áp thứ cấp hiệu dụng của máy biến áp : U2 hd = Ud = 21,4 =15,132 2 2 -Điện áp ngợc cực đại trên điốt khoá =Uvàođ = 21,4V -Điện áp ngợc cực đại trên tụ C = U2hd =15V -Hệ số ổn áp đối với điện áp một chiều = hệ số lọc điện áp xoay chiều. .. hoạt động của mạch : -Điện áp vào 220V/50Hz vào biến áp ,sang đến cuộn thứ cấp thành điện áp xoay chiều có giá trị thích hợp -Dòng ra này nhờ chỉnh lu toàn sóng của điốt cầu thành các nửa chu kỳ chỉ có ở phần dơng trong dao động hình sin -Dòng điện mới mấp mô đi qua bộ lọc đợc san bằng các nửa chu kỳ sao cho gần đợc nh dòng không đổi một chiều Khi một đôi điôt mở ,tụ lọc đợc lọc tới đỉnh điện áp ra... Pba = 1,1.10/220 =0,05 A =50mA U Đờng kính cuộn dây sơ cấp :d=0,02 50 = 0,14 mm Đờng kính cuộn dây thứ cấp : d= 0,02 220 = 0,3 mm Kết luận : để mắc mạch điện cung cấp điện một chiều có AC-220v/50Hz ; DC (12Vữ 18V) cần các linh kiện sau : Lõi sắt biến áp Dây sơ cấp Dây thứ cấp Điot chỉnh lu Tụ C Điot Zener Tranzito R1 R2 VR IC 20 X27 0,14 0,3 DF005 1N759 FCX649 LM348 5cm2 1980 vòng 189 vòng 50V 1A Si... yêu cầu về dòng điện và công suất -Nếu tranzito hoặc cuộn sơ cấp bị cháy thì bộ rung ngừng làm việc ngay vì mạch tạo sóng không hoạt động đợc *Ngày nay , hầu hết ngời ta có xu hớng dùng các mạch cung cấp khôngcó biến áp và ổn áp xung thay cho các mạch cung cấp cổ điểm nhằm tiết kiệm đợc tối đa năng lợng và tổn hao công suất không đáng có , thu nhỏ đợc khối lợng và kích thớc của toàn mạch 14 ... tải Emitơ tại lối ra để bù chỗ bất ổn ban đầu -Bộ phân áp nh đẫ nói ở trên để điện trở VR thay đổi để điềuchỉnh đợc mức điện áp một chiều đặt ở cửa vào của IC,rồi định mức một chiều tại lối ra của IC đồng thời định mức một chiều tại lối ra của Ura tuỳ vào lúc đó ta tăng hay giảm -Điốt Zener mắc nối tiếp với R1 trở thành bộ điện áp chuẩn cho dòng -Cuối cùng dòng trớc khi ra tải tiêu thụ sẽ qua tụ C2... điểm của mạch đã thiết kế : 1.u điểm : -Tận dụng đợc công suất biến áp Yêu cầu lọc thấp.Chất lợng ổn định cao Điện áp đặt lên điôt thấp -Sử dụng 1IC để kểt hợp đợc cả bộ khuyếch đại lẫn bộ so sánh -Điện áp ra một chiều có thể thay đổi tuỳ ý trong khoảng (12Vữ 18V) -Các linh kiện đều sẵn có trên thị trờng 2.Nhợc điểm : -Kích thớc và trọng lợng khá lớn do còn sử dụng biến áp -Biến áp đổi điện dễ bị... điôt mở ,tụ lọc đợc lọc tới đỉnh điện áp ra và sẽ duy trì cho tớilúc có dòng tải.Tụ phóng điện một phần giữa các đỉnh điện áp tạo các xung Khi điện áp ra sẽ ở trạng thái là điện áp gợn sóng -Hai con trở mắcnối tiếp với nhau R 2 và VR thành bộ phân áp đẩy lợng bất ổn của điện áp đầu ra hồi tiếp về và so sánh với điện áp chuẩn Những sai số về dấu và độ lớn của nó đ ợc IC LM348 phát hiện và khuyếch đại... Tiết diện mạch từ chính của lõi sắt : Sc =1,5.10W 4,7 cm2 Hệ số choán không gian =4,7/0,95 5 cm2 Ta chọn lõi 20 X27 -Dây cuốn : -Số vòng dây cuộn sơ cấp: n=45.(U/Sc) =45.(220/5) = 1980 (vòng) -Số vòng cuộn thứ cấp : n= 45.(20/5) = 180 (Vòng)+5% nội trở = 189(vòng) I trong cuộn sơ cấp : I=1,1 Pba = 1,1.10/220 =0,05 A =50mA U Đờng kính cuộn dây sơ cấp :d=0,02 50 = 0,14 mm Đờng kính cuộn dây thứ cấp :... Iz 20,5 10-3 -Chọn R1 0,4 K Điện trở động điot rz =0,4 100 =13,3 (K ) 3 -Dòng chạy trên nhánh hồi tiếp nhỏ hơn rất nhiều so với dòng tại Zt khoảng gần 10 lần : (VR +R2)min Ura mãx = 12 = 800 () =0,8K 12 IR2 (VR +R2)min 0,8 K 0,015 -Chọn VR =0,4 K R2 = 0,8 K -Điện áp ra cực tiểu :Ura min =Uz =12V -Điện áp ra cực đại Ura max =(VR +R2 ) Uz = 1,2 12 =18(V) R2 0,8 Vậy giá trị điện áp ra thay đổi trong khoảng