THIẾT KẾ BỘ NGUỒN ỔN ÁP TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ NGUỒN ỔN ÁP TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH
LỜI GIỚI THIỆU
**********
Như ta đã biết mạch điện tử muốn làm việc được cần phải có nguồn 1 chiều
cung cấp cho nó, nguồn 1 chiều có thể được lấy từ Pin, Acquy hay có thể được
lấy từ điện lưới sau khi đã đi qua 1 bộ biến đổi phù hợp để lấy ra được mức điện
áp 1 chiều mong muốn. Tuỳ thuộc vào yêu cầu của mạch điện tử mà ta có các bộ
biến đổi khác nhau, các yêu cầu này có thể là cần độ lớn điện áp ra với 1 độ gợn
sóng nào đó hay mức độ ổn định của mức điện áp ra... Trong bản thiết kế này ta
sẽ nghiên cứu mạch ổn áp tự động điều chỉnh để giữ giá trị của điện áp luôn ổn
định và phải đảm bảo 1 vài chỉ tiêu kĩ thuật. Để có thể thực hiện được điều này
yêu cầu chúng ta phải nắm được và thực hiện đầy đủ các bước sau: Phân tích đề
bài; phương án thiết kế; tính toán thiết kế; thử lại, kiểm tra kết quả; phương án
thi công. Sau khi hoàn thành bài thiết kế này em nhận thấy rằng giữa lí thuyết và
thực hành có mối liên hệ rất chặt chẽ. Những kết quả đo đạc được ở trên mạch
thực tế có sự sai khác nhỏ không đáng kể so với lí thuyết. Sở dĩ như vậy là do
việc lựa chọn linh kiện trên thị trường bị giới hạn (trên thị trường chỉ có các linh
kiện đã được quy chuẩn bởi nhà sản xuất) nên nhiều linh kiện chỉ được lắp với
những giá trị xấp xỉ, mặt khác là do kĩ năng lắp ráp của chúng em còn nhiều
hạn chế. Để có thể hoàn thành được bản thiết kế này em đã tham khảo 1 vài tài
liệu như giáo trình kĩ thuật mạch điện tử 1, 2, 3, giáo trình truyền hình, giáo
trình về máy biến áp, sử dụng một số phần mềm trợ giúp như: Electronic
WorkBench, Orcad và đặc biệt là được sự hướng dẫn tận tình của thày giáo
Phạm Minh Việt.
1
PHẦN 1: PHÂN TÍCH ĐỀ BÀI.
Đề bài: Thiết kế bộ nguồn ổn áp tự động điều chỉnh với các chỉ tiêu
sau:
U vào
220V
U ra

15V
ÄU / U
5%
P ra
1W
Đề bài yêu cầu thiết kế 1 nguồn ổn áp, nguồn này phải có khả năng tự điều
chỉnh khi có sự thay đổi điện áp đầu vào hay khi có sự thay đổi của dòng điện
chảy qua tải, ví dụ như khi điện áp tại đầu ra tăng thì bộ nguồn phải tự động điều
chỉnh giảm điện áp đầu ra một lượng nào đấy đúng bằng độ tăng điện áp, hoặc
ngược lại khi điện áp tại đầu ra giảm thì tự động điều chỉnh điện áp đầu ra tăng
lên... Việc tự động điều chỉnh này có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp như
dùng ổn áp thông số, ổn áp so sánh, hay ổn áp xung. Tuy nhiên, theo yêu cầu
của đề bài: Điện áp vào là 220V nên ta không cần phải sử dụng ổn áp xung (ổn
áp xung được sử dụng khi cần có dải biến thiên điện áp đầu vào lớn) và do ổn áp
thông số chỉ cho phép sự biến thiên dòng tải nhỏ nên người ta hay sử dụng
phương pháp này tạo điện áp chuẩn để so sánh với điện áp lấy mẫu trong ổn áp
so sánh. Vì vậy, để đáp ứng được những chỉ tiêu trên thì sử dụng ổn áp so sánh
là thích hợp nhất.

2
PHẦN 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
A. LẬP SƠ ĐỒ KHỐI

Mạch ổn áp được thực hiện nhờ 4 khối như sau:
Đầu Đầu ra
vào

B. PHƯƠNG THỨC THỰC HIỆN.
I. Khối biến áp
Khối biến áp có nhiệm vụ biến đổi điện áp lưới thành mức điện áp phù hợp

đưa vào khối chỉnh lưu. Nó bao gồm 1 cuộn dây sơ cấp và 1cuộn dây thứ cấp
được quấn trên một lõi thép gồm các lá thép kỹ thuật điện được dát mỏng ghép
lại với nhau. Sở dĩ phải được cấu tạo từ các lá thép mà không phải là một khối
thép đặc là vì để tránh dòng Fucô chạy trên đó, gây toả nhiệt.
Trong đó:
n1

: là số vòng dây của cuộn sơ cấp.
3
Khối
Biến áp
Khối
chỉnh lưu
Khối lọc
Khối
ổn áp
n2

: là số vòng dây của cuộn thứ cấp.
U1

: Điện áp xoay chiều đặt ở đầu vào cuộn sơ cấp.
U2 : Điện áp xoay chiều ở đầu ra của cuộn thứ cấp.
Nguyên tắc làm việc của biến áp như sau:
Khi đầu vào sơ cấp của biến áp ta đặt một điện áp xoay chiều U1 = Ulưới có
dạng hình sin (f=50Hz), trong lõi thép xuất hiện một từ trường biến thiên theo
quy luật hình sin giống như đầu vào (f=50Hz). Từ thông biến thiên này cảm ứng
sang bên cuộn dây thứ cấp một điện áp xoay chiều cũng ở dạng hình sin với f=
50Hz nhưng có biên độ nhỏ hơn. Ta có quan hệ giữa biên độ điện áp ra và điện
áp vào tỷ lệ thuận với tỷ số vòng dây n1 và n2:

2
1
2
1
n
n
U
U
=
(1)
Do đó, khi n1 > n2 thì U1>U2
Thực tế biên độ điện áp U2 có quan hệ tỉ lệ thuận với các yếu tố sau:
+ Biên độ điện áp U1.
+ Tỉ số n1/n2.
+ S: Diện tích lõi biến áp.
+ Độ từ thẩm của vật liệu làm lõi biến áp.
+ f
2
: Tần số của điện áp hình sin đầu vào.
Trong bản thiết kế này ta sẽ hạ mức điện áp lưới từ 220 V xuống còn
khoảng 18V. Trên cơ sở đó, ta sẽ tính toán các thông số của khối biến áp như
số vòng dây cuốn trên hai cuộn sơ cấp, thứ cấp, đường kính dây cuốn, tiết
diện của các lá thép... sao cho phù hợp với những yêu cầu của đề bài.
II. Khối chỉnh lưu
Nhiệm vụ : Biến đổi điện áp xoay chiều ở đầu ra cuộn biến áp thành điện
áp một chiều, tuy nhiên điện áp một chiều này có độ gợn sóng lớn.
Nguyên tắc: sử dụng các phần tử tích cực có đặc tuyến A-V không đối
xứng sao cho dòng điện qua nó chỉ đi theo một chiều, khi đó điện áp thu được
trên tải là điện áp một chiều. Các phần tử tích cực thường được sử dụng là:
- Diode(Si, Ge): dùng khi công suất ra nhỏ và trung bình.

4
- Thyristor : dùng khi công suất ra lớn, có thể điều chỉnh điện áp ra tuỳ ý.
Trong chỉnh lưu bằng diode , các mạch chỉnh lưu thường được dùng là:
• Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ.
• Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ:
+Mạch chỉnh lưu cân bằng.
+Mạch chỉnh lưu cầu.
• Mạch chỉnh lưu bội áp (tăng điện áp ra khối chỉnh lưu lên n lần so với
điện áp vào, ở đây n là hệ số bội áp).
Bản thiết kế này dùng chỉnh lưu cầu do nó có nhiều ưu điểm so với các
phương pháp chỉnh lưu khác đó là : Có hiệu suất sử dụng biến áp cao hơn so
với chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ thông thường (do trong chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ
thông thường thì với mỗi nửa chu kỳ 1 trong 2 nửa cuộn dây sẽ không làm
việc), tính ổn định của điện áp ra sau chỉnh lưu, điện áp ngược tối đa mà mỗi
điốt phải chịu đựng chỉ bằng 1/2 so với chỉnh lưu nửa chu kỳ và độ gợn sóng
của phương pháp chỉnh lưu này cũng giảm đi 2 lần so với chỉnh lưu nửa chu
kỳ.


n1 n2
U1 U2
1 3
2 5
+
-
~
~
D3 D1
D4 D2
Uvao

Rtai
Ura
- Nguyên tắc hoạt động của mạch chỉnh lưu cầu như sau:
Khi
10
ttt
<<
: D1 và D4 thông, D2 và D3 tắt, dòng điện chảy từ cực +Uvào
→ D1→ Rtải → D4 → cực - Uvào, Ura ≈ Uvào.
Khi
21
ttt
<<
: D2 và D3 thông, D1 và D4 tắt, dòng điện chảy từ cực +Uvào
→ D2→ Rtải → D3 → cực - Uvào, Ura ≈ Uvào.
5
Như vậy là sau hai nửa chu kì, dòng điện chảy qua Rtải cùng chiều nên ta
có điện áp ra trong 2 nửa chu kỳ đó cùng dấu dương.
Sau đây là giản đồ thời gian thể hiện quá trình trên :
Tuy nhiên do ta sử dụng các diode (trong khối chỉnh lưu cầu) để nắn dòng
mà bản thân các diode là các phần tử phi tuyến, chúng sinh ra các thành phần
hài bậc cao. Để loại bỏ các hài bậc cao nàyngười ta dùng các tụ có chỉ số nhỏ
mắc song song với các diode. Đối với các thành phần hài bậc cao thì trở
kháng của các tụ nhỏ nên chúng được ngắn mạch xuống dưới đất. Các tụ C1 -
C4 là các tụ lọc nguồn.


C3
C1
- +

D3 D1
D4 D2
+
C5BIEN AP
1 3
2 5
C4
C2
III. Khối lọc
Điện áp ra sau khối chỉnh lưu có độ gợn sóng lớn. Giá trị điện áp biến thiên
từ 0 đến √2U
vào
-1,4V một cách chu kỳ gọi là sự gợn sóng của điện áp hay
dòng điện ra khối chỉnh lưu. Sự gợn sóng này là do các sóng hài gây nên, làm
mất mát năng lượng một cách vô ích và gây nhiễu loạn cho sự làm việc của
6
tải. Để giảm độ gợn sóng ta sử dụng các bộ lọc. Các bộ lọc thường được sử
dụng là bộ lọc LC, RC (nối tiếp hoặc song song). Trong thiết kế này ta dùng
một bộ lọc RC phù hợp với chỉ tiêu độ gợn sóng là 5% (theo yêu cầu đề bài).
Ta có công thức tính độ gợn sóng của điện áp ra như sau: K
gs
=
∆Ura /Ura tb
Với ∆Ura = Um = √2U
vào
-1,4V, và Ura tb = 2*Um/ é.
(Um là biên độ điên ra khối chỉnh lưu cầu).
Suy ra: K
gs
= Um / (2*Um/é) = é/2 = 157(%)

Ta thấy K
gs
có giá trị rất lớn. Cần phải giảm nhỏ độ gợn sóng này.
Sơ đồ nguyên lý mạch lọc bằng tụ điện như sau:



khi không có tụ lọc:

Khi có tụ lọc:
Ta có công thức tính giá trị điện dung của tụ thông qua độ gợn sóng như sau:

gst
chl
loc
KR
T
C
3
≈
Trong đó:
• K
GS
: Hệ số gợn sóng (thực tế thường chọn K
GS
=5%).
• R
t
: Điện trở tải ( tức là điện trở đầu vào của khối ổn áp)
7

• T
chl
: Chu kỳ chỉnh lưu, với chỉnh lưu một nửa chu kỳ T
chl
=20ms,
với chỉnh lưu hai nửa chu kỳ T
chl
=10 ms.
IV. Khối ổn áp
khối ổn áp so sánh làm việc dựa trên nguyên lí hồi tiếp âm để ổn định điện
áp ra
Sơ đồ khối:
Uvào Ura
Khối khuếch đại điều chỉnh đóng vai trò khối K(khuếch đại), tất cả các khối
còn lại đóng vai trò hồi tiếp. Nguyên tắc hồi tiếp như sau: Khi điện áp ra tăng
lên một lượng ∆U
r
thì lượng biến thiên này sẽ quay trở lại đầu vào nhờ khối hồi
tiếp âm. Tín hiệu hồi tiếp âm ngược pha với tín hiệu vào do đó sẽ làm suy giảm
tín hiệu ra, ngược lại khi điện áp ra giảm đi một lượng ∆U
r
thì tín hiệu ra khối
hồi tiếp sẽ tăng, tín hiệu này được đưa vào khối khuếch đại điều chỉnh, sẽ bù lại
sự giảm điện áp ra, do vậy điện áp ra luôn ổn định.
Nếu ta gọi hệ số khuếch đại của khối khuếch đại là
K
, của khối hồi tiếp là
ht
K
và của toàn bộ mạch sau khi có hồi tiếp là

'K
.
Ta có quan hệ sau:
g
K
KK
K
K
ht
=
+
=
1
'
Trong đó, g là độ sâu hồi tiếp (g>1). Vậy, khi có hồi tiếp âm, hệ số khuếch
đại giảm đi g lần.
- Một vài ưu điểm của bộ ổn áp so sánh sử dụng nguyên lí hồi tiếp âm:
8
Khuếch đại
điều chinh
Khuếch đại
So sánh
Khối
phân áp
Khối tạo điện
áp chuẩn
+ Điện trở vào tăng g lần, làm hiệu suất từ các tầng trước đưa đến tầng này
tăng lên, đồng thời điện áp cung cấp cho mạch này ít chịu ảnh hưởng của sự
biến đổi trở kháng ra của các tầng trước.
+ Điện trở ra giảm g lần, giúp điện áp ra ít bị biến đổi khi giá trị điện trở tải

thay đổi (tăng độ ổn định ).
+ Độ nhấp nháy giảm g lần.
Tất cả các ưu điểm đều giúp cho việc ổn định điện áp ra.
- Điều kiện để hồi tiếp âm là:
ϕ
K
+ ϕ
HT
= 180
0
- Để đạt được độ ổn định cao thì yêu cầu:
K . K
HT
 >>1 ( tức là yêu cầu hồi tiếp âm sâu)
do khi có hồi tiếp âm sâu thì:
htht
KKKK
≈+
1
.

ht
K
K
1
'
≈
Khi đó hệ số KĐ tổng chỉ phụ thuộc vào hệ số khuếch đại
ht
K

, không phụ
thuộc vào K(do khối khuếch đại điều chỉnh là phần tử phi tuyến nên K không
ổn định).
- Sau đây ta sẽ xem xét cụ thể từng khối của mạch ổn áp so sánh
1. Khối tạo điện áp chuẩn
Dùng ổn áp thông số để tạo ra 1 điện áp chuẩn đưa vào so sánh với điện áp
ra của khối phân áp nhằm tạo ra 1 điện áp đi đến khối khuếch đại điều chỉnh
giữ điện áp ra không đổi.
Sơ đồ nguyên lý:
Diode zener làm việc theo hiệu
ứng zener : Hiệu ứng zener là khi ta tăng điện áp phân cực ngược cho diode đến
1 mức nào đấy (Uz), thì diode bị đánh thủng, lúc này dòng điện trong diode tăng
9
đột ngột, và sẽ có độ biến thiên rất lớn mặc dù ta chỉ thay đổi điện áp phân cực
ngược một lượng rất nhỏ. Người ta sử dụng tính chất này để tạo ra 1 mức điện
áp ổn định (Uz) khi dòng điện chảy qua diode thay đổi.
Uz đuợc gọi là điện áp đánh thủng của điôt zener (hay điện áp ngược cho
phép) để điôt zener làm việc được thì điện áp ngược tối thiểu cung cấp cho
điôt zener phải lớn hơn Uz.
2. Khối phân áp
N hiệm vụ: Tạo Tạo U
PA
tỉ lệ với điện áp ra, dùng làm tín hiệu so sánh với
tín hiệu điện áp chuẩn, nhằm tạo ra sự chênh lệch điện áp đưa vào khối
khuếch đại điều chỉnh.
Sơ đồ nguyên lý:
Do Ura là điện áp 1 chiều nên ta sử dụng phân áp điện trở.
Nếu I
SS
<< I

PA
ta có: R
II
U
PA
= U
RA
R
I
+ R
II
R6, R7, R8 là các điện trở phân áp. Trong đó, R7 là biến trở và tách thành 2
điện trở R7a , R7b.
Ta có: R
I
=R6 + R7a và R
II
= R8 + R7b.
Giá trị của R6, R7, R8 được chọn tuỳ thuộc vào giá trị của dòng điện ra
chảy trên tải, dòng phân áp được chọn sao cho Ipa << Ira .
Ipa ≈(1/10 I
ra
).
3. Khối khuếch đại so sánh
Khối này có thể dùng transistor hay dùng mạch khuếch đại thuật toán.
10