THIẾT KẾ NGUỒN MỘT CHIỀU ỔN ÁP CÓ ĐIỆN ÁP RA THAY ĐỔI (0 15V) 3A

MỤC LỤC
Trang
Mở đầu
Phần I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
I. Khái niệm chung về nguồn một chiều
II. Biến áp và chỉnh lưu
III. Lọc các thành phần xoay chiều của dòng điện ra tải
IV. Ổn định điện áp
Phần II: THIẾT KẾ NGUỒN MỘT CHIỀU ỔN ÁP CÓ ĐIỆN ÁP RA
THAY ĐỔI (0 ÷15V) 3A
I. Sơ đồ khối của khối nguồn
II. Lựa chọn phương án thiết kế
Phần III: TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT VÀ LẮP RÁP
MẠCH THỰC TẾ
I. Tính toán thông số cho từng khối mạch
II. Lắp ráp mạch thực tế
Kết luận
Tài liệu tham khảo
Trương Văn Quyết
MSSV: 0851010060 Đồ Án 1
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 cạnh đang được nghiên cứu phát triển với mục đích tạo ra các khối
nguồn có 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 điện một chiều ổn
áp và dựa vào những kiến thức được học cũng như tự tìm hiểu, em đã chọn đề
tài: “Thiết kế mạch nguồn một chiều ổn áp có điện áp ra thay đổi (0
÷
15V)
3A” để qua đó tìm hiểu kĩ hơn về nguyên lí hoạt động của các mạch nguồn
đồng thời củng cố thêm 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: Th.s Võ
Đình Tùng đã tận tình hướng dẫn giúp em hoàn thành đề tài này.
Do khả năng kiến thức bản thân còn hạn chế, đề tài chắc chắn sẽ không tránh
những thiếu sót, em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô
và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn.

Sinh viên thực hiện
Trương Văn Quyết
Thiết kế mạch nguôn DC ổn áp có điện áp ra thay đổi 0-15v, 3A 2
Trương Văn Quyết
MSSV: 0851010060 Đồ Án 1
PHẦN I:
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
I. 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
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 vào điện áp
mạng, của tại và nhiệt độ. Để đạt được yêu cầu đó cần phải dùng các mạch ổn
định (ổn áp, ổn dòng). Các mạch cấp nguồn cổ điển thường dùng biến áp, nên
kích thước và trọng lượng của nó khá lớn. Ngày nay người ta có xu hướng
dùng các mạch cấp nguồn không có biến áp.

Sơ đồ khối của một bộ nguồn hoàn chỉnh được biểu diễn như sau:
Hình 1.1: Sơ đồ khối của một bộ nguồn hoàn chỉnh
Chức năng của các khối như sau:
Thiết kế mạch nguôn DC ổn áp có điện áp ra thay đổi 0-15v, 3A
BiÕn ¸p
M¹ch
chØnh l­u
Bé läc
æn ¸p mét
chiÒu
(æn dßng)
U
1
~ U
2
~ U
T
U
O1
U
O2
I
T
R
T
3
Trương Văn Quyết
MSSV: 0851010060 Đồ Án 1
- 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 dùng trực
tiếp U
1
mà không cần biến áp.
- Mạch chỉnh lưu có nhiệm vụ chuyển điện áp xoay chiều U
2
thành
điện áp một chiều không bằng phẳng U
T
(có giá trị thay đổi nhấp nhô). Sự
thay đổi này phụ thuộc vào từng dạng mạch chỉnh lưu.
- Bộ lọc có nhiệm vụ san bằng điện áp một chiều dập mạch U
T
thành
điện áp một chiều U
O1
ít nhấp nhô hơn.
- Bộ ổn áp một chiều (ổn dòng) có nhiệm vụ ổn định điện áp (dòng
điện) ở đầu ra của nó U
O2
(I
T
) khi U
O1
thay đổi theo sự mất ổn định của U
O1
hay I

T
. Trong nhiều trường hợp nếu không có yêu cầu cao thì không cần bộ
ổn áp hay ổn dòng một chiều.
Tùy theo điều kiện và yêu cầu cụ thể mà bộ chỉnh lưu có thể mắc theo
những sơ đồ khác nhau và dùng các van chỉnh khác nhau. Bộ chỉnh lưu công
suất vừa và lớn thường dùng mạch chỉnh lưu ba pha. Dưới đây chúng ta sẽ đi
khảo sát từng khối nêu trên trong bộ nguồn một chiều.
II. BIẾN ÁP NGUỒN VÀ CHỈNH LƯU
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 chiều về một chiều:
Hình 1.2: Biến áp nguồn
2. Chỉnh lưu
Thiết kế mạch nguôn DC ổn áp có điện áp ra thay đổi 0-15v, 3A 4
Trương Văn Quyết
MSSV: 0851010060 Đồ Án 1
Các phần tử tích cực dùng để chỉnh lưu là các phần tử có đặc tuyến
Volt - Ampe không đối xứng sao cho dòng điện đi qua nó chỉ đi qua nó chỉ đi
qua 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
(>100W) 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 (tỷ số giữa công suất ra và công suất
hữu ích ở đầu vào) cao, ít phụ thuộc vào tải và độ gợn sóng của điện áp ra
nhỏ.
Sau đây ta sẽ xét về sơ đồ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ và sơ đồ chỉnh lưu

cầu.
a. Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ:
Đặc điểm của mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ là trong cả hai nửa chu kì
của điện áp xoay chiều đều có dòng điện chạy qua tải. Có hai loại sơ đồ chỉnh
lưu hai nửa chu kỳ: sơ đồ cân bằng và sơ đồ cầu.
D1
D2
Ct R
Ur
Uv
a. Sơ đồ cân bằng
Thiết kế mạch nguôn DC ổn áp có điện áp ra thay đổi 0-15v, 3A 5
Trương Văn Quyết
MSSV: 0851010060 Đồ Án 1
b. Đồ thị thời gian của điện áp ra
Hình 1.3: Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ
Điện áp cực đại khi không tải:
n
UUU
−=
2
ˆˆ
Trong đó U
n
là điện áp ngưỡng của diode, U
2
điện áp trên cuộn thứ cấp
của biến áp.
Điện áp ngược đặt lên diode (trong trường hợp C
t

≠ 0): U
ng
=
2
U
2hd
.
b. Mạch chỉnh lưu cầu:
Sơ đồ cầu thường được dùng trong trường hợp điện áp xoay chiều tương đối
lớn. Tuy cùng là sơ đồ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ nhưng nó ưu việt hơn sơ đồ
cân bằng ở chỗ cuộn thứ cấp được sử dụng toàn bộ trong hai nửa chu kỳ của
điện áp vào và điện áp ngược đặt lên điôt trong trường hợp này chỉ bằng một
nửa điện áp ngược đặt lên trong sơ đồ cân bằng. Điện áp ra cực đại khi không
tải:
nr
UUU
′
−=
2
ˆˆ
2
nghĩa là nhỏ hơn chút ít so với điện áp ra trong sơ đồ cân
bằng, vì ở đây luôn luôn có hai điốt mắc nối tiếp.
Ct R
UrUv
Hình 1.4: Mạch chỉnh lưu cầu
Ta thấy rằng trong từng nửa chu kỳ của điện áp thứ cấp
2
U
, một cặp

điốt có anôt dương nhất và katốt âm nhất mở, cho dòng một chiều qua
t
R
,
cặp điốt còn lại khóa và chịu một điện áp ngược cực đại bằng biên độ
m
U
2
.
Thiết kế mạch nguôn DC ổn áp có điện áp ra thay đổi 0-15v, 3A
U
r
0 t
Không có C
t
Có C
t
6
Trương Văn Quyết
MSSV: 0851010060 Đồ Án 1
Ví dụ tương ứng với nửa chu kỳ dương của
2
U
, cặp điốt Đ
1
Đ
3
mở, Đ
2
Đ

4
khóa. Rõ ràng điện áp ngược đặt lên van lúc khóa có giá trị bằng một nửa so
với trường hợp sơ đồ chỉnh lưu cân bằng đã xét trên, đây là ưu điểm quan
trọng nhất của sơ đồ cầu. Ngoài ra, kết cấu thứ cấp của biến áp nguồn đơn
giản hơn.
Trong sơ đồ 1.4, nếu nối đất điểm giữa biến áp và mắc thêm tải ta có
mạch chỉnh lưu có điện áp ra hai cực tính. Đây thực chất là hai mạch chỉnh
lưu cân bằng.
Ct R
+Ur
Uv
Ct R
-Ur
Hình 1.5: Chỉnh lưu điện áp ra hai cực tính
III. LỌC CÁC THÀNH PHẦN XOAY CHIỀU CỦA DÒNG ĐIỆN RA TẢI
Trong các mạch chỉnh lưu nói trên điện áp hay dòng điện ra tải tuy có
cực tính không đổi, nhưng các giá trị của chúng thay đổi theo thời gian một
cách chu kỳ, gọi là sự đập mạch (gợn sóng) của điện áp hay dòng điện sau
chỉnh lưu.
Một cách tổng quát khi tải thuần trở, dòng điện tổng hợp ra tải là:
∑∑
∞
=
∞
=
++=
11
0
cossin
n

n
n
nt
tnBtnAIi
ωω
Trong đó
0
I
là thành phần một chiều và
∑∑
∞
=
∞
=
+
11
cossin
n
n
n
n
tnBtnA
ωω
là
tổng các sóng hài xoay chiều có giá trị, pha và tần số khác nhau phụ thuộc và
loại mạch chỉnh lưu. Vấn đề đặt ra là phải lọc các thành phần sóng hài này để
cho
t
i
ít đập mạch, vì các sóng hài gây sự tiêu thụ năng lượng vô ích và gây

sự nhiễu loạn cho sự làm việc của tải.
Thiết kế mạch nguôn DC ổn áp có điện áp ra thay đổi 0-15v, 3A 7
Trương Văn Quyết
MSSV: 0851010060 Đồ Án 1
Trong mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ thành phần một chiều
0
I
tăng
gấp đôi so với mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ, thành phần sóng hài cơ bản (n=1)
bị triệt tiêu, chỉ còn các sóng hài bậc từ n = 2 trở lên. Vì vậy mạch chỉnh lưu
hai nửa chu kỳ đã có tác dụng lọc bớt sóng hài.
Người ta định nghĩa hệ số đập mạch K
P
của bộ lọc:
K
P
càng nhỏ thì chất lượng của bộ lọc càng cao.
Người ta đã tính toán rằng khi chỉnh lưu nửa chu kỳ K
P
= 1,58, khi
chỉnh lưu hai nửa chu kì K
P
= 0,667.
Để thực hiện nhiệm vụ lọc nói trên, các bộ lọc sau đây thường được
dùng:
1. Lọc bằng tụ điện
Trường hợp này đã được nêu ra trong trường hợp tải điện dung của
mạch chỉnh lưu. Nhờ có tụ nối song song với tải, điện áp ra tải ít nhấp nhô
hơn.
C Rt Ur

Hình 1.6: Lọc bằng tụ điện
Do sự phóng và nạp tụ qua các 1/2 chu kỳ và do các sóng 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. Việc tính toán hệ số đập mạch của bộ lọc
dẫn tới kết quả:
t
P
CR
K
ω
2
=
Nghĩa là tác dụng lọc càng rõ rệt khi C và R
t
càng lớn (R
t
tiêu thụ dòng
điện nhỏ). Với bộ chỉnh lưu dòng điện công nghiệp (tần số 50Hz hay 60Hz),
giá trị của tụ C thường có giá trị từ vài
F
µ
đến vài nghìn
F
µ
(tụ hóa).
Thiết kế mạch nguôn DC ổn áp có điện áp ra thay đổi 0-15v, 3A
K
p
=
Biên độ sóng hài lớn nhất của i

t
(hay u
t
)
Giá trị trung bình của i
t
(hay u
t
)
8
Trương Văn Quyết
MSSV: 0851010060 Đồ Án 1
2. Lọc bằng cuộn cảm L
Mạch lọc bằng cuộn cảm L được biểu diễn như sau
Rt Ur
L
Hình 1.7: Lọc bằng cuộn cảm
Cuộn cảm L được mắc nối tiếp với tải R
t
nên khi dòng điện i
t
ra tải biến
thiên đập mạch, trong cuộn L sẽ xuất hiện sức điện động tự cảm chống lại. Do
đó làm giảm các sóng hài (nhất là các sóng hài bậc cao). Về mặt điện kháng,
các sóng hài bạc n có tần số càng cao sẽ bị cuộn cảm L chặn càng nhiều. Do
đó dòng điện ra tải chỉ có thành phần một chiều
0
I
và một lượng nhỏ sóng
hài. Đó chính là tác dụng lọc của cuộn L.

Hệ số đập mạch của bộ lọc dùng cuộn L là:
L
R
K
t
P
ω
3
=
Nghĩa là tác dụng lọc của cuộn L càng tăng khi R
t
càng nhỏ (tải tiêu
thụ dòng điện lớn). Vì vậy bộ lọc này thích hợp với mạch chỉnh lưu công suất
vừa và lớn. Giá trị của cuộn cảm L càng lớn thì tác dụng càng tăng, tuy nhiên
cũng không nên dùng L quá lớn, vì khi điện trở một chiều của cuộn L lớn, sụt
áp một chiều trên nó tăng và hiệu suất của bộ chỉnh lưu giảm.
3. Bộ lọc hình L ngược và hình
π
Các bộ lọc này sử dụng tổng hợp tác dụng của cuộn cảm L và tụ C để
lọc, do đó các sóng hài càng giảm nhỏ và dòng điện ra tải (hay điện áp trên
tải) càng ít nhấp nhô. Để tăng tác dụng lọc có thể mắc nối tiếp 2 hay 3 mắt lọc
hình
π
với nhau. Khi đó dòng điện và điện áp ra tải gần như bằng phẳng
hoàn toàn.
Thiết kế mạch nguôn DC ổn áp có điện áp ra thay đổi 0-15v, 3A 9
Trương Văn Quyết
MSSV: 0851010060 Đồ Án 1
Rt Ur
L

C
Hình 1.8: Lọc hình L ngược
Rt Ur
L
C1 C2
Hình 1.9: Lọc hình
π
Trong một số trường hợp để tiết kiệm và giảm kích thước, trọng lượng
của bộ lọc ta có thể thay cuộn cảm L bằng R trong mắt lọc hình L ngược hay
hình
π
. Lúc đó R gây sụt áp cả thành phần một chiều trên nó dẫn tới hiệu
suất và chất lượng của bộ lọc thấp hơn dùng cuộn L. Thường người ta chọn
giá trị R sụt áp một chiều trên nó bằng (10 - 20)%U
0
khoảng vài
Ω
đến vài
Ω
k
.
4. Bộ lọc cộng hưởng
Hình 1.10.a biểu diễn bộ lọc cộng hưởng dùng mạch cộng hưởng song
song L
k
C
k
mắc nối tiếp với tải R
t
nhờ vậy sẽ chặn sóng hài có tần số bằng tần

số cộng hưởng của nó. Ngoài ra tụ C
1
còn có tác dụng lọc thêm.
Rt
L
Ck
C2
Rt
Lk
Ck
L
Thiết kế mạch nguôn DC ổn áp có điện áp ra thay đổi 0-15v, 3A 10
Trương Văn Quyết
MSSV: 0851010060 Đồ Án 1
(a) (b)
Hình 1.10: Các bộ lọc cộng hưởng
Hình 1.10.b biểu diễn bộ lọc cộng hưởng dùng mạch cộng hưởng nối
tiếp L
k
C
k
mắc song song với tải R
t
. Ở tần số cộng hưởng nối tiếp của mạch
L
k
C
k
trở kháng của nó rất nhỏ nên nó ngắn mạch các sóng hài có tần số bằng
hay gần bằng tần số cộng hưởng. Ngoài ra cuộn L còn có tác dụng lọc thêm.

IV. ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP
Nhiệm vụ ổn định điện áp (gọi tắt là ổn áp) một chiều ra tải khi điện áp
và tần số điện lưới thay đổi, khi tải biến đổi (nhất là đối với bán dẫn) 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 áp
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 ra tải yêu cầu không lớn và
tải tiêu thụ trực tiếp điện áp một chiều.
Các dạng bộ ổn áp trên thực tế được chia làm ba loại chính: ổn áp kiểu tham
số (ổn áp dùng điốt Zener), ổn áp kiểu bù tuyến tính (mạch ổn áp có hồi tiếp)
và ổn áp xung.
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.
1. Nguyên tắc mạch ổn áp có hồi tiếp
Để nâng cao chất lượng ổn định, người ta dùng bộ ổn áp kiểu bù tuyến tính
(còn gọi là ổn áp so sánh hoặc ổn áp có hồi tiếp). Nguyên tắc làm việc của các
sơ đồ ổn định có hồi tiếp được biểu diễn như sau
Thiết kế mạch nguôn DC ổn áp có điện áp ra thay đổi 0-15v, 3A 11
Trương Văn Quyết
MSSV: 0851010060 Đồ Án 1
Hình 1.11: Sơ đồ khối minh họa nguyên tắc làm việc của các
mạch ổn định có hồi tiếp
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.
Hình sau minh họa phương pháp lấy tín hiệu đưa về mạch so sánh khi

ổn áp và ổn dòng.
Hình 1.12: Cách lấy tín hiệu đưa về bộ so sánh
a. Khi ổn áp b. Khi ổn dòng.
Có thể thấy rằng, tất cả các nguồn áp (R
i
<<) và nguồn dòng (R
i
>>)
được thực hiện theo phương pháp hồi tiếp, đều là những mạch ổn áp hoặc ổn
dòng. Tuy nhiên do yêu cầu về mặt công suất nên, nên trong các sơ đồ ổn áp
hoặc ổn dòng còn có thêm một bộ khuếch đại công suất mắc trong mạch hồi
tiếp.
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.
Thiết kế mạch nguôn DC ổn áp có điện áp ra thay đổi 0-15v, 3A
PHẦN TỬ
ĐIỀU KHIỂN
BỘ KHUẾCH
ĐẠI
BỘ SO SÁNH NGUỒN
CHUẨN
(Điện áp một chiều
chưa ổn định)
®Þnh)
U’
r
U
r
R
t

U’
r
R
R
t
Điện áp
đưa về bộ
so sánh
Điện áp
đưa về bộ
so sánh
a. b.
12