Đồ án Thiết kế mạch nguồn ổn áp có điện áp ra 12V-5A có bảo vệ dòng

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế mạch nguồn ổn áp có điện áp ra 12V-5A có bảo vệ dòng MỤC LỤC Trang Mục lục ……1 LỜI MỞ ĐẦU 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 canhj 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 12V-5A có bảo vệ dòng” để qua đó tìm hiểu kĩ hơn về nguyên lí hoạt động của các mạch nguồn đòng thời củng cố them 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 : Hà Tất Thắng đã hướng dẫn em hoàn thành đề tài này. Do khả năng kiến thức bản than 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. Phần I: ĐO VÀ KIỂM TRA LINH KIỆN I.Transistor Ta kiểm tra dấu pin của que đo đồng đồng hồ bằng điode ( giả sử que đen + pin, que đỏ - pin) Kiểm tra trans npn hay pnp: Transistor khi hoạt động có thể hư hỏng do nhiều nguyên nhân, như hỏng do nhiệt độ, độ ẩm, do điện áp nguồn tăng cao hoặc do chất lượng của bản thân Transistor, để kiểm tra Transistor bạn hãy nhớ cấu tạo của chúng. Kiểm tra Transistor ngược NPN tương tự kiểm tra hai Diode đấu chung cực Anôt, điểm chung là cực B, nếu đo từ B sang C và B sang E ( que đen vào B ) thì tương đương như đo hai diode thuận chiều => kim lên , tất cả các trường hợp đo khác kim không lên. Kiểm tra Transistor thuận PNP tương tự kiểm tra hai Diode đấu chung cực Katôt, điểm chung là cực B của Transistor, nếu đo từ B sang C và B sang E ( que đỏ vào B ) thì tương đương như đo hai diode thuận chiều => kim lên , tất cả các trường hợp đo khác kim không lên. Đo xác định chân B, E và C: Để đồng hồ thang x1Ω , đặt cố định một que đo vào từng chân , que kia chuyển sang hai chân còn lại, nếu kim lên = nhau thì chân có que đặt cố định là chân B( nếu que đồng hồ cố định là que đen thì là Transistor ngược (npn), là que đỏ thì là Transistor thuận (pnp)) 2 chân còn lại là C và E. Kiểm tra chân C,E: + Với transistor npn ta đặt que đen đồng hồ vào 1 trong 2 chân, que đỏ vào chân còn lại. Can nhiễu chân có que đen nếu trường hợp có điện trở (kim đồng hồ lên) thì chân đặt vào que đen là chân C, chân còn lại là E. + Với transistor pnp ta làm ngược lại với các que và các bước thực hiện tương tự. Khi can nhiễu kim đồng hồ lên thì chân đặt vào que đỏ là chân E, chân còn lại là C. Trái với các điều trên là Transistor bị hỏng. Transistor có thể bị hỏng ở các trường hợp . * Đo thuận chiều từ B sang E hoặc từ B sang C => kim không lên là transistor đứt BE hoặc đứt BC * Đo từ B sang E hoặc từ B sang C kim lên cả hai chiều là chập hay dò BE hoặc BC. * Đo giữa C và E kim lên là bị chập CE. II.Thrysistor -Đo kiểm tra Thyristor Kiểm tra dâu pin của que đo đồng hồ bằng điode (giả sử que đen là + pin, que đỏ là – pin) Xác định chân A, G, K: Đặt que đen và que đỏ đồng hồ vào 2 chân bất kỳ của thrysistor, trường hợp nào kim lên thì chân đặt vào que đen là chân G, chân đặt vào que đỏ là chân K, chân còn lại là A. Đặt động hồ thang x1Ω , đặt que đen vào Anot, que đỏ vào Katot ban đầu kim không lên , sau đó can nhiễu => thấy đồng hồ lên kim , sau đó dừng can nhiễu => đồng hồ vẫn lên kim => như vậy là Thyristor tốt. III. Điode, điện trở, tụ điện Diode Ký hiệu diode thường: Kiểm tra diode: Đặt đồng hồ ở thang x 1Ω , đặt hai que đo vào hai đầu Diode, nếu : Đo chiều thuận que đen vào Anôt, que đỏ vào Katôt => kim lên, đảo chiều đo kim không lên là => Diode tốt Nếu đo cả hai chiều kim lên = 0Ω => là Diode bị chập. Nếu đo thuận chiều mà kim không lên => là Diode bị đứt. Các loại Diode : Diode ổn áp, Diode thu quang, Diode phát quang, Diode biến dung, Diode xung, Diode tách sóng, Diode nắn điện. Điode nắn điện được phân biệt bởi vạch dấu trên điode; đầu có vạch mang dấu âm, đầu còn lại dấu dương. Ta thường xác định que âm, dương của đồng hồ vạn năng bằng điode. Điện trở. Ký hiệu: Với điện trở thường ta có thể đọc vạch trên điện trở hoặc dùng đồng hồ vạn năng (đồng hồ số) để xác đinh. Trở 4 vạch: vạch 1 là hàng chục, vạch 2 là hàng đơn vị, vạch 3 là bội số của cơ số 10, vạch 4 là sai số. Trở 5 vạch: vạch 1 là hàng trăm, vạch 2 hàng chục, vạch 3 hàng đơn vị, vạch 4 là bội số của cơ số 10, vạch 5 là sai số. Tụ điện: Dùng thang điện trở để đo kiểm tra tụ điện Ta có thể dùng thang điện trở để kiểm tra độ phóng nạp và hư hỏng của tụ điện, khi đo tụ điện nếu là tụ gốm ta dùng thang đo x1 KΩ, nếu là tụ hóa ta dùng thang đo x1 Ω hoặc x10 Ω. Dùng thang đo x1K Ω để kiểm tra tụ gốm Phần II: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN MỘT CHIỀU 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 quan 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. Các mạch cấp nguồn 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. Biến áp nguồn, chỉnh lưu và lọc nguồn. 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. 2. Chỉnh lưu và lọc nguồn Các phần tử tích cực dùng để chỉnh lưu là các phần tử có đặc tuyến V-A không đối xứng sao cho dòng điện đi qua nó chỉ đi qua nó 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 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. Lọc bằng tụ điện: Do sự phóng nạp tụ qua các nửa chu kỳ và do các song 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. Nghĩa là tác dụng lọc càng rõ rệt khi C và Rt càng lớn. Với bộ chỉnh lưu dòng điện công nghiệp giá trị tụ C thường có giá trị từ vài uF đến vài nghìn uF. Ổn định điện áp. Khái niệm ổn áp Khái niệm : 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. Phân loại ổn áp: + Ổn áp tham số ( ổn áp dùng điode 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 như sau: + 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. Phần tử điều khiển Ur U’r Bộ khuếch đại (điện áp một chiều chưa ổn định) Nguồn chuẩn Bộ so sánh 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. 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 sau lệch, transistor điều chỉnh, bộ hạn dòng. Các IC ổn áp thường đảm bảo dòng ra khoảng từ 100 mA 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 điều chỉnh thường dùng là 78xx, 79xx, LM309, uA723, LM323, LM317… Tùy thuộc vào tham số kỹ thuật như điện áp ra, dòng ra, hệ só 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. Phần III: THIẾT KẾ NGUỒN ỔN ÁP CÓ ĐIỆN ÁP RA 12V-5A 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. 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 12Vdc-5A, công suất cực đại là 60W nên ta sử dụng một biến áp có điện áp vào 220V và điện áp ra 15V, dòng ra 5A. Mạch chỉnh lưu và bộ lọc nguồn 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. 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. Khối bảo vệ dòng Có nhiệm vụ bảo vệ mạch trong trường hợp dòng vào tăng. Ta sẽ sử dụng các tính chất của thrysistor, transistor, diode để tạo nên khối bảo vệ dòng phù hợp. Khối ổn áp Theo yêu cầu thiết kế mạch ổn áp có điện áp ra 12V-5A nên ta sử dụng một IC ổn áp thông dụng là LM7812. Do LM7812 chỉ cho điện áp vào trong dải 14,5V -27V (với cách mắc thông thường) và điện áp ra 12V , dòng ra 5.0mA-1.0A nên ta sẽ sử dụng thêm 1 transistor công suất để gánh dòng. Sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý. Sơ đồ khối của khối nguồn Ổn áp một chiều Bộ bảo vệ dòng Mạch chỉnh lưu Biến áp It U1~ Uo1’ Uo2 Ut Rt Các tiêu chuẩn kỹ thuật của khối nguồn: + Biện áp 220/15V-5A AC-50Hz. + Điện áp ra 12V DC + Dòng điện ra tải 5A Sơ đồ nguyên lý . IC LM7812 Một số đặc điểm thông số kỹ thuật cơ bản của LM7812 như sau: + Vin = 35V + Vout = 12V + Isc = 0.23A + Ioutmax = 1A +5.0mA≤Iout≤Imax Bảng kèm theo IC: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của LM7812 : Đồ thị tuyến tính IC LM7812 Transistor công suất TIP42C: Bảng kèm theo Transistor TIP42C Đồ thị tuyến tính Transistor TIP42C: Transistor 2SC2335: Bảng kèm theo transistor 2SC2335: Đồ thị tuyến tính transistor 2SC2335: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn Sơ đồ nguyên lý: Mạch in linh kiện : Mạch in đi dây: . Tính toán linh kiện Biến áp Sử dụng biến áp 220V /15V-5A để cấp nguồn cho mạch. Khối chỉnh lưu và lọc nguồn Khi điện áp lưới có giá trị lớn nhất Umax=240V, dòng lớn nhất qua điode là 5A. Do đó ta lựa chọn cầu 6A Điện áp sau chỉnh lưu Ui=152 -1.4=19.8 V Sau khi qua khối chỉnh lưu cầu thì tụ lọc cũng phải đảm bảo chịu được điện áp lớn nhất là 24(V). =>Chọn tụ C1= 1000uF/35V Led 1 báo điện áp vào. Khối bảo vệ dòng * Nguyên lý bảo vệ dòng: Gọi dòng sau transistor T1 là U1, UET2 , UBT2 lần lượt là điện áp trên chân E và B của transistor T2, ta có: U1 - UDiode =UET2 U1 - UR* = U1 - Itải.R* = UBT2 Ta có các trường hợp sau: + Khi Itải ≤ Ibảo vệ : => UET2 < UBT2 =>Transistor T2 khóa, khối bảo vệ chưa hoạt động. + Khi Itải tăng => UBT2 giảm + Khi Itải > Ibảo vệ : => UET2 > UBT2 =>Transistor T2 thông, có dòng kích vào thrysistor hoạt động, dòng vào qua R2, qua thrysistor về chân mass, đồng thời transistor T1 bị khóa. Lúc này không có dòng cấp cho phần mạch sau khối bảo vệ nên tải và các linh kiện được bảo vệ. Tính toán cho khối: Ta có: U1 - UDiode =UET2 U1 - UR3 = U1 - Itải.R3 = UBT2 Để transistor T2 thông thì UET2 > UBT2 Vậy Itải.R3 > 0.7 V =>R3 > 0.7Itải = 0.75 = 0.14Ω =>Ta chọn R3 = 0.1 Ω Công suất trở là P=I2.R => PR3=2.5 W Chọn trở phân áp R4=R5=3300 Ω Khối lấy điện áp ra. Do dòng ra là 5A ta phải sử dụng một transistor có khả năng chịu được dòng lớn hơn hoặc bằng 5A. Ở đây ta sẽ sử dụng transistor công suất Tip42C để kéo dòng, vì dòng ra lớn nhất ở LM7812 là 1A. Điện áp vào khối lấy điện áp ra là: U2= Ung – 1.4 - UT1 - 0.1*Itải = 152 – 1.4 – 0.7 – 0.1*5 = 18.6 V Do có thêm tản nhiệt nên IC có khả năng cho dòng ra 1.5 A =>Dòng Ic qua transistor T3 là 3.5 A Sụt áp trên transistor Tip42C khi hoạt động là U= 3.1 V =>R7 = U2-12-UIc =18.6-12-3.13.5 = 1 Ω => chọn R7= 1 Ω 20W Tụ C2=470uF/16V Dùng LED 2 để báo hiệu điện áp đầu ra. KẾT LUẬN Trong thời gian thực hiện đề tài, với sự chỉ bảo giúp đỡ tận tình của thầy Hà Tất Thắng, đến nay đề tài: “thiết kế nguồn ổn áp 12V-5A 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 cảu chúng em để sản phẩm được hoàn thiện hơn. Cuối cùng chúng em xin cảm ơn quý thầy cô đã tạo điều kiện tốt nhất để chúng em có thể hoàn thành đề tài trong thời gian sớm nhất. Tài liệu tham khảo :