Tìm hiểu và thiết kế mạch tạo nguồn DC (3,7V; 5V; 12V; 24V)

Tìm hiểu và thiết kế mạch tạo nguồn DC (3,7V; 5V; 12V; 24V)

Nguyễn Ngọc Hợp – Võ Đức Vương – Vũ Huy Hoàng 2


Lời nói đầu

Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và công nghệ, các
thiết bị điện tử đang được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong hầu hết 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 nguồn
một chiều được ổn áp với độ chính xác và ổn định cao. Hiện nay kỹ thuật chế tạo
các nguồn ổn áp cũng đang là một khía cạnh đang được nghiên cứu phát triển với
mục đích tạo ra các khối nguồn công suất lớn, độ ổn định, chính xác cao, kích
thước nhỏ (các nguồn xung).
Từ tầm quan trọng trong ứng dụng thực tế của nguồn một chiều ổn áp và
dựa vào kiến thức đã học cũng như tự tìm hiểu thêm, nhóm em xin trình bày đề
tài :”Tìm hiểu và thiết kế mạch tạo nguồn DC (3,7V; 5V; 12V; 24V)”. Để qua
đó tìm hiểu kỹ hơn về nguyên lý hoạt động của các mạch nguồn đồng thời củng
cố thêm kỹ năng trong thiết kế các mạch điện tương tự.
Trong quá trình thực hiện đồ án chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo
TS. Nguyễn Hoàng Nam đã tận tình giúp chúng em hoàn thành đề tài này.
Do khả năng kiến thức còn hạn chế, thực hiện đề tài chắc chắn sẽ không
tránh được những thiếu sót, nhóm em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến
của thầy cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn.

Nhóm sinh viên thực hiện
Tìm hiểu và thiết kế mạch tạo nguồn DC (3,7V; 5V; 12V; 24V)

Nguyễn Ngọc Hợp – Võ Đức Vương – Vũ Huy Hoàng 3

Mục lục

Lời nói đầu 2
CHƢƠNG 1: TÌM HIỂU CHUNG
1.1 Khái niệm chung về nguồn một chiều 4
1.2. Biến áp nguồn và chỉnh lƣu 4
1.2.1. Biến áp nguồn 4
1.2.2. Chỉnh lưu 5
1.3. Bộ lọc một chiều 6
1.4. Ổn định điện áp 8
CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH NGUỒN DC
(3,7V; 5V; 12V; 24V)
2.1. Tiêu chuẩn kỹ thuật của khối nguồn 9
2.2. Phƣơng án thiết kế 9
2.2.1. Biến áp và chỉnh lưu 9
2.2.2. Lọc nguồn 9
2.2.3. Tạo điện áp 24V 10
2.2.4. Tạo điện áp 12V và 5V 10
2.2.5. Tạo điện áp 3,7V 11
2.2.6. Danh mục linh kiện 14
CHƢƠNG 3: KẾT LUẬN
3.1. Tổng hợp kết quả 15
TÀI LIỆU THAM KHẢO 16


Tìm hiểu và thiết kế mạch tạo nguồn DC (3,7V; 5V; 12V; 24V)

Nguyễn Ngọc Hợp – Võ Đức Vương – Vũ Huy Hoàng 4

CHƢƠNG 1: TÌM HIỂU CHUNG
1.1 Khái niệm chung về nguồn một chiều
Nguồn một chiều có nhiệm vụ cung cấp năng lượng một chiều cho 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 điện áp mạng, của
tải và nhiệt độ. Để đạt được yêu cầu đó cần phải dùng các mạch ổn định điện áp.
Sơ đồ khối của một bộ nguồn hoàn chỉnh được biểu diễn như trên hình 1.1:

Hình 1.1: Sơ đồ khối một bộ nguồn ổn áp
Chức năng của các khối:
- Biến áp để biến đổi điện áp xoay chiều U
1
thành điện áp xoay chiều U
2

có
giá trị thích hợp với yêu cầu. Trong một số trường hợp có thể không cần dùng
biến áp.
- Mạch chỉnh lưu có nhiệm vụ chuyển điện áp xoay chiều U
2
thành điện áp
một chiều U
T
(có giá trị thay đổi nhấp nhô). Sự thay đổi này tùy thuộc tưng dạng
mạch chỉnh lưu.
- Bộ lọc có nhiệm vụ san bằng điện áp một chiều đập mạch U
T

thành điện
áp một chiều U
01
ít nhấp nhô hơn.
- Bộ ổn áp một chiều có nhiệm vụ ổn định điện áp ở đầu ra của nó U
02
khi
U
01
thay đổi. Trong trường hợp không có yêu cầu cao thì không cần bộ ổn áp một
chiều.
Tùy theo điều kiện cà yêu cầu cụ thể mà bộ chỉnh lưu có thể mắc theo
những sơ đồ khác nhau và dùng các van chỉnh khác nhau.

1.2. Biến áp nguồn và chỉnh lƣu
1.2.1. 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 nguồn và
ngăn cách mạch chỉnh lưu với mạng điện xoay chiều về mạch một chiều.
Biến áp
Chỉnh lưu
Lọc
Ổn áp1 chiều
Tải
U
1
U
2
U
T

U
01
U
02
Tìm hiểu và thiết kế mạch tạo nguồn DC (3,7V; 5V; 12V; 24V)

Nguyễn Ngọc Hợp – Võ Đức Vương – Vũ Huy Hoàng 5

1.2.2. Chỉnh lƣu
Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành
năng lượng dòng điện một chiều.
Chỉnh lưu là thiết bị điện tử công suất được sử dụng rộng rãi nhất trong
thực tế. Sơ đồ cấu trúc thường gặp của mạch chỉnh như hình 1.2:

Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu
Trong đó:
- BA: Biến áp. Tùy vào yêu cầu mà có thể là tăng áp hay giảm áp.
- MV: Mạch van. Các van ván dẫn được mắc theo nguyên tắc để tiến hành
quá trình chỉnh lưu.
- LSB: Lọc san bằng.
Trên hình 1.3 là một số mạch chỉnh lưu thường gặp trong thực tế:

Hình 1.3: Một số sơ đồ chỉnh lưu trong thực tế
a) tia 1 pha, b) tia 1 pha có điểm giữa
c) tia 3 pha, d) cầu 1 pha
e) cầu 3 pha, g) tia 6 pha
Tìm hiểu và thiết kế mạch tạo nguồn DC (3,7V; 5V; 12V; 24V)

Nguyễn Ngọc Hợp – Võ Đức Vương – Vũ Huy Hoàng 6

Bảng 1.1: Tham số chính của các mạch chỉnh lưu cơ bản

1.3. Bộ lọc một chiều
Trong các mạch chỉnh lưu ở trên điện áp ra tải mới có cực tính không đổi,
nhưng giá trị của điện áp ra thay đổi theo chu kỳ, gọi là sự đập mạch (gợn sóng)
của điện áp sau chỉnh lưu.
Người ta định nghĩa hệ số đập mạch K
đm
của điện áp.


=
ê  ó     

á   ì  



Hình 1.4: Sơ đồ khối bộ lọc
Hiệu quả của khâu lọc được đánh giá qua hệ số san bằng:


=





Hệ số san bằng càng lớn thì điện áp ra càng ổn định, càng ít nhấp nhô, chất
lượng bộ lọc càng tốt.
Lọc
K
đmv
K
đmr
Tìm hiểu và thiết kế mạch tạo nguồn DC (3,7V; 5V; 12V; 24V)

Nguyễn Ngọc Hợp – Võ Đức Vương – Vũ Huy Hoàng 7

Một số bộ lọc thường gặp là lọc điện cảm L, lọc điện dung C, lọc LC và lọc
hình π có sơ đồ như trên hình 1.5:

Hình 1.5: Các sơ đồ bộ lọc san phẳng cơ bản
a) lọc điện cảm, b) lọc LC
c) lọc điện dung, d) lọc hình π (lọc CLC)
- Lọc điện cảm:
Giá trị điện cảm lọc cần để có hệ số K
sb
cần thiết là:
 =


2
1



1



[]
Lọc điện cảm phù hợp với tải công suất lớn, vì công suất càng lớn thì điện
trở tải R
t
càng nhỏ, sẽ càng dễ dàng thực hiện điều kiện lọc tốt nhất là X
L
>>R
t.

- Lọc điện dung:
Giá trị tụ điện được xác gần đúng theo công thức:
 =
1



1




[]
Lọc điện dung khó thực hiện với tải công suất lớn, vì R
t
càng nhỏ càng khó
thực hiện điều khiện lọc tốt X
C
<<R

t
do giá trị tụ C phải lớn. Do đó lọc tụ chỉ
dùng cho tải công suất nhỏ.
- Lọc LC:
Đây thực chất là kết hợp của hai loại lọc trên, do vậy để lọc hiệu quả vẫn
cần tuân theo nguyên tắc: X
L
>>R
t
; X
C
<<R
t
.
Tìm hiểu và thiết kế mạch tạo nguồn DC (3,7V; 5V; 12V; 24V)

Nguyễn Ngọc Hợp – Võ Đức Vương – Vũ Huy Hoàng 8

Ta có:
.  =


+ 1


2

1
2

- Lọc hình π (lọc CLC):
Đây là bộ lọc gồm 2 mắt lọc, lọc C và lọc LC mắc nối tiếp nhau.Hệ số san
bằng của bộ lọc bằng tích hệ số san bằng của từng mắt lọc.


= 

. 


Lọc CLC ứng dụng khi cần có K
sb
>50.

1.4. Ổn định điện áp
Có một số phương pháp ổn định điện áp một chiều sau:
- Sử dụng đi-ốt Zenner
- Sử dụng IC ổn áp cố định: 78xx, 79xx.
Với IC 78xx, điện áp ra cố định là dương xx.
Với IC 79xx, điện áp ra cố định là âm xx.
- Sử dụng IC ổn áp thay đổi được (mắc điện trở ngoài để thay đổi giá trị
điện áp ra): LM317,…
Tìm hiểu và thiết kế mạch tạo nguồn DC (3,7V; 5V; 12V; 24V)

Nguyễn Ngọc Hợp – Võ Đức Vương – Vũ Huy Hoàng 9

CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH NGUỒN DC
(3,7V; 5V; 12V; 24V)
2.1. Tiêu chuẩn kỹ thuật của khối nguồn
Các tiêu chuẩn kỹ thuật của khối nguồn:

- Điện áp vào: 220Vac – 50Hz.
- Điện áp ra: 4 mức 3,7Vdc ; 5Vdc ; 12Vdc ; 24Vdc.
- Dòng điện ra: 2A
2.2. Phƣơng án thiết kế
Dựa trên các yêu cầu kỹ thuật trên ta lựa chọn phương án thiết kế cho từng
khối của bộ nguồn:
2.2.1. Biến áp và chỉnh lƣu
Đầu vào là lưới điện xoay chiều dân dụng (220V – 50Hz) nên sử dụng biến
áp 220-24V, với dòng 3A.
Sử dụng mạch chỉnh lưu cầu, vì chỉnh lưu cầu có hệ số K
u
lớn và có độ đập
mạch nhỏ.
2.2.2. Lọc nguồn
Bộ lọc có nhiệm vụ san bằng điện áp một chiều đập mạch U
T
thu được sau
khối chỉnh lưu thành điện áp 1 chiều U
01
ít nhấp nhô hơn.
Vì mạch nguồn này là mạch công suất nhỏ nên sử dụng phương pháp lọc
điện dung C (với C=4700 F).

Hình 2.1: Sơ đồ khối biến áp nguồn, chỉnh lưu cầu và lọc
BR1
KBU4A
C5
4700u
V1
VSINE

VA=220
FREQ=50Hz
TR1
TRAN-2P2S
Tìm hiểu và thiết kế mạch tạo nguồn DC (3,7V; 5V; 12V; 24V)

Nguyễn Ngọc Hợp – Võ Đức Vương – Vũ Huy Hoàng 10

2.2.3. Tạo điện áp 24V
Sơ đồ mạch ổn áp 24V được biểu diễn trên hình vẽ 2.2.

Hình 2.2: Sử dụng IC7824 tạo điện áp ổn định 24V
Điện áp ra sau mạch cầu chỉnh lưu và lọc nguồn có dạng nhấp nhô không
ổn định, ta sử dụng IC ổn áp 7824 để ổn định điện áp ở giá trị 24V.
Tụ điện C6 để lọc điện áp trước khi vào 7824, tụ điện C7 để lọc điện áp sau
khi qua 7824. Dòng vào không ổn định nên cần tụ có giá trị lớn C6 = 470 F,
dòng qua 7824 đã ổn định nên không cần tụ giá trị lớn C7=10 F.
Vì IC7824 chỉ có thể cấp dòng ra đạt giá trị 1A (theo lý thuyết, thực tế thấp
hơn nữa) nên phải khuếch đại dòng ra. Ở đây dùng transistor TIP42 để khuếch
đại dòng điện ra.
Giá trị điện trở R6 quyết định dòng đi qua 7824. Dòng I
B
của transistor
không đáng kể nên dòng qua 7824 xấp xỉ dòng qua R6. Hiệu điện thế hai đầu
điện trở R6 chính là hiệu điện thế U
EB
giữa hai chân transistor, U
EB
≈ 0,7V.
Sử dụng transistor để dẫn dòng, và 7824 để ổn định điện áp ra vì vậy không

cần dòng lớn đi qua 7824. Chọn dòng qua 7824 khoảng 0,3A, từ đó xác định giá
trị điện trở R6:
6 =



7824
=
0,7
0,3
= 2,33 
Chọn giá trị điện trở R6=2,2Ω, xác định lại được dòng qua 7824

7824
=


6
=
0,7
2,2
= 0,32 
2.2.4. Tạo điện áp 12V và 5V
Với điện áp 12V và 5V ta cũng sử dụng phương pháp tương tự như tạo điện
áp 24V, sơ đồ mạch được biểu diễn trên hình 2.3.
VI
1
VO
3
GND

2
U4
7824
C6
470u
C7
10u
Q3
TIP42
R6
2R2
Tìm hiểu và thiết kế mạch tạo nguồn DC (3,7V; 5V; 12V; 24V)

Nguyễn Ngọc Hợp – Võ Đức Vương – Vũ Huy Hoàng 11


Hình 2.3: Mạch tạo điện áp ổn định 12V và 5V
Ở đây, tụ điện C1 và C3 lọc điện áp trước khi vào IC, tụ điện C2 và C4 lọc
điện áp sau khi qua IC. Transistor TIP42 để khuếch đại dòng điện. Giá trị điện
trở R1 và R2 quyết định dòng qua IC ổn áp.
C1=C3=470 F, C2=C4=10 F, R1=R2=2,2Ω.
2.2.5. Tạo điện áp 3,7V
Theo yêu cầu thiết kế mạch ổn áp có điện áp ra là 3,7V, ta sử dụng IC ổn áp
LM317. Bằng cách điều chỉnh điện trở phụ mắc bên ngoài ta có thể dễ dàng tạo
điện áp ra trong một khoảng mong muốn cho phép.
LM317 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 khá đơn
giản (chỉ cần thêm 2 điện trở bên ngoài để đặt điện áp ra). LM317 là linh kiện ổn
áp bù nối tiếp cho điện áp ra ổn định hơn so với các loại IC ổn áp cố định khác.
Ngoài việc có hiệu suất cao hơn IC ổn áp cố định, loại IC này còn tích hợp khả

năng hạn dòng khi ngắn mạch, bảo vệ quá tải, quá nhiệt,…
Ký hiệu và hình dạng IC LM317 như hình vẽ 2.4:

Hình 2.4: IC LM317
Một số đặc điểm kỹ thuật cơ bản của LM317:
- 1,2V≤ Uout ≤ 35V
- I
outmax
=1,5A
VI
1
VO
3
GND
2
U1
7812
VI
1
VO
3
GND
2
U2
7805
Q1
TIP42
Q2
TIP42
C1

470u
C2
10u
R1
2R2
R2
2R2
C3
470u
C4
10u
R7
2R2
Tìm hiểu và thiết kế mạch tạo nguồn DC (3,7V; 5V; 12V; 24V)

Nguyễn Ngọc Hợp – Võ Đức Vương – Vũ Huy Hoàng 12

- 3V≤ Uin-Uout≤40V
- I
adj
=50÷100uA
- 10mA≤I
out
≤I
max

- T
vh
=0÷125
o

C
LM317 có cấu tạo 3 chân như hình vẽ, 2 chân ngoài là U
in
và U
out
còn chân
ở giữa là chân ADJ. Ngoài ra muốn điều chỉnh điện áp ra ta mắc nối thêm các
điện trở theo hình 2.5

Hình 2.5:Mạch tạo điện áp ổn định 3,7V
Điện áp ra được tính theo công thức


= 1,25 ×

1 +
4 + 5
3

+ 

×

4 + 5


Nhưng do I
adj
rất nhỏ (khoảng 50÷100uA) nên có thể tính gần đúng



= 1,25 ×

1 +
4 + 5
3


Chọn giá trị điện trở R3=220Ω, R4=330Ω, R5=100Ω ta thu được giá trị U
ra



= 1,25 ×

1 +
330 + 100
220

= 3,69 

Tổng hợp lại ta thu được toàn bộ sơ đồ mạch theo hình 2.6

VI
3
VO
2
ADJ
1
U3

LM317EMP
R3
220R
R4
330R
R5
100R
Tìm hiểu và thiết kế mạch tạo nguồn DC (3,7V; 5V; 12V; 24V)

Nguyễn Ngọc Hợp – Võ Đức Vương – Vũ Huy Hoàng 13



VI
1
VO
3
GND
2
U1
7812
VI
1
VO
3
GND
2
U2
7805
Q1

TIP42
Q2
TIP42
C1
470u
C2
10u
R1
2R2
R2
2R2
C3
470u
C4
10u
VI
3
VO
2
ADJ
1
U3
LM317EMP
BR1
KBU4A
C5
4700u
VI
1
VO

3
GND
2
U4
7824
C6
470u
C7
10u
Q3
TIP42
R6
2R2
R3
220R
R4
330R
R5
100R
TR1
TRAN-2P2S
Tìm hiểu và thiết kế mạch tạo nguồn DC (3,7V; 5V; 12V; 24V)

Nguyễn Ngọc Hợp – Võ Đức Vương – Vũ Huy Hoàng 14

2.2.6. Danh mục linh kiện
STT
Tên linh kiện
Số lượng
Đơn giá

Thành tiền
1
Điện trở
6

3.000
2
Tụ 4700 uF
1
10.000
10.000
3
Tụ 470 uF
3
3.000
9.000
4
Tụ 10 uF
3
2.000
6.000
5
Transistor TIP42
3
5.000
15.000
6
IC 7824
1
5.000

5.000
7
IC 7812
1
5.000
5.000
8
IC 7805
1
5.000
5.000
9
IC LM317
1
6.000
6.000
10
Biến áp
1
60.000
60.000
11
Cầu chỉnh lưu
1
3.000
3.000
12
Bảng mạch
1
30.000

30.000

Cộng
23

157.000


Tìm hiểu và thiết kế mạch tạo nguồn DC (3,7V; 5V; 12V; 24V)

Nguyễn Ngọc Hợp – Võ Đức Vương – Vũ Huy Hoàng 15

CHƢƠNG 3: KẾT LUẬN
3.1. Tổng hợp kết quả
Tổng hợp kết quả tính toán lý thuyết, mạch mô phỏng và mạch thực tế ta
thu được bảng 3.1

Lý thuyết
Mạch mô phỏng
Mạch thực tế
Tạo nguồn 24V
24 V
24.1 V
23.9 V
Tạo nguồn 12V
12 V
12 V
12.15 V
Tạo nguồn 5V
5 V

5.01 V
4.95 V
Tạo nguồn 3.7V
3.69 V
3.72 V
3.72 V
Bảng 3.1: Tổng hợp kết quả
Sau một thời gian tìm hiểu và thiết kế, nhóm em đã hoàn thành đồ án: ”Tìm
hiểu và thiết kế mạch tạo nguồn DC (3,7V; 5V; 12V; 24V)”. Kết quả đã lắp
được mạch điện, kết quả thu được xấp xỉ với điện áp yêu cầu của thiết kế.
Qua đề tài này đã giúp nhóm em có thể áp dụng kiến thức đã học vào thực
tế đồng thời nâng cao khả năng tự tìm hiểu và thiết kế các mạch điện tương tự.
Từ những kiến thức đã thu được trong quá trình thực hiện đồ án này sẽ giúp
chúng em có thêm kinh nghiệm để thiết kế các mạch điện mới có độ phức tạp
hơn.
Cuối cùng nhóm em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Nguyễn Hoàng
Nam đã tận tình giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án này.

Nhóm sinh viên thực hiện
Tìm hiểu và thiết kế mạch tạo nguồn DC (3,7V; 5V; 12V; 24V)

Nguyễn Ngọc Hợp – Võ Đức Vương – Vũ Huy Hoàng 16

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh. Điện tử công suất. NXB
Khoa học và kỹ thuật, 2007.
2. Nguyễn Trinh Đường, Lê Hải Sâm, Lương Ngọc Hải, Nguyễn Quốc Cường.
Điện tử tương tự. NXB Giáo dục, 2008.
3. Đỗ Xuân Thụ. Kỹ thuật điện tử. NXB Giáo dục, 2005.
4. Diễn đàn hội quán điện tử:

5. Diễn đàn điện tử Việt Nam:
6. Diễn đàn: