Bài giảng nguồn điện, Thiết kế bộ nguồn ổn áp

TRƯỜNG ĐH GIAO THÔNG VẬN TẢI

Khoa Điện – Điện tử
Bộ mơn Kỹ thuật điện tử

Ths. Phạm Thanh Huyền

EBOOKBKMT.COM
Copyright © Wondershare Software


Chương 1: Tổng quan chung
1.1. Mở đầu
• Vị trí của bộ nguồn trong hệ thống
• Các loại bộ nguồn sử dụng trong điện tử công nghiệp

1.2. Nguyên tắc hoạt động của các bộ nguồn ổn áp
• Bộ nguồn ổn áp tuyến tính (liên tục)
• Bộ nguồn ổn áp đóng ngắt (chuyển mạch)

Chương 2: Các bộ biến đổi DC/DC
2.1. Nguyên tắc chung của biến đổi DC/DC
2.2. Các loại mạch cơ bản
2.3. Một số sơ đồ thực tế
Copyright © Wondershare Software


Chương 3: Thiết kế bộ nguồn ổn áp đóng ngắt
điều chế độ rộng xung
3.1. Khái quát chung
• Yêu cầu của bộ nguồn ổn áp đóng ngắt (chuyển mạch)

• Phân loại nguồn ổn áp đóng ngắt

3.2. Thiết kế các khối cơ bản
3.3. Tính tốn cơng suất cho bộ nguồn
3.4. Mơ phỏng trên máy tính

Copyright © Wondershare Software


Hình thức đánh giá học phần: Vấn đáp
1. Một câu hỏi lý thuyết – 3 điểm
2. Bảo vệ thiết kế mạch – 7 điểm
a. Trình bày trên sơ đồ mạch ngun lý, tính tốn bằng lý thuyết – 2 điểm
b. Thiết kế và đo thử mạch bằng phần mềm trước khi làm mạch thực tế.
Đo thử mạch bằng máy hiện sóng và đồng hồ vạn năng – 4 điểm.
c. Hiệu chỉnh mạch – 1 điểm
Lý thuyết trả lời riêng còn bảo vệ mạch theo nhóm.
Mỗi nhóm tối đa có 5 sinh viên
Mạch thực tế có thể xây dựng trên bảng mạch cắm hoặc làm mạch in.

Copyright © Wondershare Software


1.1. Mở đầu

Nguồn điện là thiết bị để tạo ra và duy trì hiệu điện thế
và dịng điện trong mạch.
• Vị trí của bộ nguồn trong hệ thống điện
 Mọi thiết bị điện đều phải được cấp điện để hoạt động được.
 Bộ nguồn có nhiệm vụ cung cấp năng lượng điện cho hệ thống

điện làm việc.
 Chất lượng của bộ nguồn sẽ quyết định việc hệ thống hoạt
động ổn định hay không cả về phần cứng lẫn phần mềm.
 Bộ nguồn còn cung cấp năng lượng điện cho các phần phụ trợ
của hệ thống như quạt mát, điều hòa khơng khí ….

Copyright © Wondershare Software


1.1. Mở đầu
• Các loại bộ nguồn một chiều sử dụng trong điện tử công nghiệp
Pin, Acquy: đây là các bộ nguồn có bản chất một chiều nhưng bị suy giảm trong
quá trình hoạt động nên chỉ dùng trong trường hợp dự phòng.
Bộ nguồn chỉnh lưu: đây là loại bộ nguồn tạo ra năng lượng một chiều từ năng
lượng xoay chiều của nguồn điện lưới 220VAC - 50Hz. Có 2 loại là:
Nguồn tuyến tính là loại ổn định điện áp bằng phần tử tuyến tính.
Nguồn chuyển mạch là loại ổn định điện áp bằng phần tử chuyển mạch.
220VAC
50Hz

Bộ nguồn
chỉnh lưu
HỆ THỐNG
ĐIỆN TỬ
Pin
Acquy
Copyright © Wondershare Software


Pin:

 Pin (Battery) là một thiết bị lưu trữ năng lượng dưới dạng hoá
năng. Khi ta dùng, năng lượng này sẽ dần chuyển đổi thành điện
năng.
 Pin là nguồn cung cấp năng lượng hoạt động cho hầu như tất cả
các thiết bị cầm tay hiện nay vì nó có những ưu điểm như nhỏ,
nhẹ, cung cấp điện áp ổn định.
 Điện áp của pin đo bằng vôn (V). Khi ta cho hai vật liệu dẫn điện
khác nhau như đồng, kẽm, ...vào trong một dung dịch điện phân
như muối, kiềm, Axit... Ta sẽ được một cặp điện cực với điện áp
hai cực phụ thuộc vào các vật liệu tạo ra.
 Dung lượng của pin đo bằng miliAmpe giờ (mAh). Pin có mAh
càng lớn càng có khả năng cung cấp dịng trong một khoảng thời
gian càng lâu. Trong kỹ thuật, chỉ số này nói lên nội trở của Pin,
Pin có số mAh càng lớn, nội trở càng nhỏ. Pin có nội trở càng nhỏ
thì khả năng chịu tải càng cao, tức là pin có thể cung cấp một dịng
điện càng lớn.
Copyright © Wondershare Software


Pin (tiếp):
 Người ta có thể mắc nối tiếp, song song hoặc phối hợp cả hai để
tạo ra những khối Pin có điện áp và dung lượng cao hơn.

1,5V

1,5V

1,5V

1,5V

+
6V
-

1,5V

1,5V

1,5V

1,5V

+
1,5V
-

 Chỉ nên mắc các pin cùng loại với nhau.
 Không nên mắc pin mới và pin cũ với nhau.
Copyright © Wondershare Software


Pin Vơn-ta
Nguồn điện hố học được chế tạo
đầu tiên và duy trì dịng điện được
khá lâu là pin Vơnta (1975)
Cấu tạo:
- Cực dương: thanh đồng (Cu)
- Cực âm: thanh kẽm (Zn)
- Dung dịch điện phân: H2SO4 loãng

Hiệu điện thế điện hóa giữa thanh kẽm và dung dịch:

U1 = -0,74V

 Hiệu điện thế điện hóa giữa thanh đồng và dung dịch:

U2 = 0,34V

 Giữa hai cực của pin Volta có hiệu điện thế xác định:

U = U2 – U1 = 1,1V

Copyright © Wondershare Software


Pin Vơn-ta
Mơ phỏng hoạt động của Pin Vơn-ta

Copyright © Wondershare Software


Pin Gavani
Cấu tạo:
 Thanh đồng (Cu) nhúng vào dung dịch CuSO 4
 Thanh kẽm (Zn) nhúng vào dung dịch ZnSO4.
 Nối hai dung dịch bằng một cầu muối
 Nối hai thanh kim loại bằng một dây dẫn điện qua một
điện kế .

Copyright © Wondershare Software


Pin Leclanchee (pin khô)
Cấu tạo:
 Cực dương: thỏi than được bọc mangan điôxit
(MnO2) và graphit.
 Cực âm: lớp vỏ kẽm (Zn).
 Dung dịch điện phân: dung dịch muối amôni
clorua (NH4Cl).
 Suất điện động: Khoảng 1,5V.
Đây là loại pin rất phổ biến hiện nay.
Pin cacbon kẽm (ZinC) 1,5V là loại rẻ tiền, thích hợp
cho các ứng dụng tiêu thụ dịng nhỏ như đồ
chơi trẻ em, đèn pin ….
Sự chuyển động của
electron trong pin
ZinC

Copyright © Wondershare Software


Pin Leclanchee (pin khô)
Pin kiềm (Alkaline) 1,5V là loại pin có tuổi thọ
cao hơn loại ZinC, thường được sử dụng
cho các thiết bị tiêu thụ dòng nhỏ như điều
khiển tivi, điều hòa, đồng hồ ….
Pin oxit bạc (Silver oxide) 1,5V: là loại pin dùng
cho các thiết bị tiêu thụ điện năng ít, chúng
có kích thước nhỏ gọn và khơng chảy nước

khi hết pin như loại ZinC. Thường được sử
dụng trong đồng hồ, bo mạch máy tính (pin
CMOS) …

Copyright © Wondershare Software


Pin sạc
 Pin sạc (hay acquy) là loại pin có thể tái sử dụng nhiều lần
bằng cách đặt vào bộ sạc và cắm điện để sạc lại. Pin sạc
hiện nay trên thị trường chủ yếu là ba loại sử dụng các chất
hóa học khác nhau như NiCd, NiMH và Lithium.
 Khi sạc, Pin sạc sẽ được cung cấp điện để đảo ngược các
phản ứng hóa học nhằm khơi phục lại trạng thái ban đầu
của pin.

 Trong quá trình sử dụng pin sạc bị tiêu hao chất điện
phân và tạo gỉ sét trong pin nên khả năng sạc bị giảm
sút, do đó mỗi loại pin có số lần sạc giới hạn. Khi
không sử dụng pin sạc vẫn bị tiêu hao dần điện năng.
 Pin sạc sử dụng không đúng cách sẽ nhanh chóng bị
suy giảm dung lượng (chai pin)

Copyright © Wondershare Software


Pin sạc
Pin Nickel cadmium (NiCd) 1,2V: anode làm bằng Cadimium cịn cathode làm
bằng Nickel. Loại pin này có tuổi thọ tính theo số chu kì nạp/xả là dài nhất
(trên 1500 chu kì), nhưng có mật độ năng lượng thấp so với một số hóa chất

khác.
Cadmium độc cho hầu hết các dạng sống, vì vậy loại pin này dần bị thay thế
bởi các loại pin thân thiện với môi trường hơn.
Pin NiCd có thể tạo ra dịng điện mạnh và sạc trong thời gian ngắn ở điện áp
cao, nhưng chúng cũng có nhược điểm gọi là hiệu ứng nhớ. Khi một Pin
NiCd được sạc khi chưa xả hết, các tinh thể sẽ phát triển trong Pin, làm giảm
dung lượng Pin.

Copyright © Wondershare Software


Pin sạc (tiếp)
Pin Nickel metal hydride (NiMH) 1,2V: Giống như pin nickel-cadmium
(NiCd) nhưng có một hợp kim hấp thụ hydride cho anode thay vì
cadmium; do đó, nó ít độc hại hơn đối với mơi trường. Một pin
NiMH có thể có dung lượng hai đến ba lần so với một pin NiCd
cùng kích thước và hiệu ứng nhớ khơng lớn lắm. Có thể sạc loại
pin này bất cứ lúc nào chứ khơng cần đợi xả hết như pin NiCd.

Copyright © Wondershare Software


Pin sạc (tiếp)
Pin Lithium ion (Li-ion) điện áp 3,7V: là loại pin hóa học tương đối
mới cho một mật độ nạp rất cao từ 0.54 tới 0.72 MJ/kg, nghĩa là
một pin nhẹ có thể trữ được rất nhiều năng lượng và không bị chịu
bất cứ hiệu ứng nhớ nào.
Loại pin này thường được sử dụng cho Laptops, các điện thoại - máy
ảnh, một số MP3 players có thể sạc lại được và hầu hết các thiết bị
số xách tay khác

Copyright © Wondershare Software


Pin sạc (tiếp)
Pin Lithium – Polymer (Li-Po) điện áp 3,7V: là thế hệ pin mới và cũng
đắt tiền nhất nên chỉ xuất hiện trong các thiết bị PDA và điện thoại
di động cao cấp như iPhone. Pin Li-Po có chất điện phân dạng rắn
khác với điện phân lỏng như hầu hết các loại pin khác. Điều đó có
nghĩa nó có trọng lượng nhẹ và có khả năng lưu trữ năng lượng
nhiều hơn so với các loại pin khác và nhà sản xuất có thể chế tạo
pin Li-Po với bất kỳ hình dạng nào. Pin chỉ có chiều dày 2mm,
đựng trong túi Polymer và có dịng cung cấp tới 1200mAh.
 

Copyright © Wondershare Software


Bộ nguồn chỉnh lưu
Sơ đồ khối của bộ nguồn

220VAC
50Hz

 Biến áp: hạ áp điện áp từ lưới điện nguồn 220V/50Hz xuống còn điện áp cần
thiết cho điện áp dc được chuyển đổi tương ứng ở ngõ ra.
 Mạch chỉnh lưu: chỉnh lưu từ điện áp ac sang điện áp dc.
 Mạch lọc: lọc nhiễu xoay chiều đầu vào, san phẳng điện áp sau chỉnh lưu
 Mạch ổn áp: cố định điện áp dc ở ngõ ra.

Copyright © Wondershare Software


Bộ nguồn chỉnh lưu
Thơng số chính của bộ nguồn:

* Độ gợn sóng: là thơng số đánh giá độ bằng phẳng của điện áp ngõ ra. Do điện
áp ngõ ra không chỉ có thành phần dc mà vẫn cịn thành phần điện áp ac biến
thiên tùy thuộc vào chất lượng của mạch chỉnh lưu và lọc, vì vậy độ gợn sóng
được tính bằng cơng thức:

Vr ( rms )
r% 
100%
Vdc

T

1 2
Vr (rms) 
vr ( ac ) dt

T 0

Vr(rms): giá trị điện áp hiệu dụng của gợn sóng.

Vdc: giá trị điện áp trung bình một chiều ở đầu ra

Copyright © Wondershare Software