Thiết kế nguồn ổn áp

NguyÔn C«ng Anh líp ®iÖn tö 7-k47 ThiÕt kÕ nguån æn ¸p
-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.
LỜI NÓI ĐẦU
Như chúng ta đã biết,hầu hết các mạch điện tử ngày nay đều được cung cấp
năng lượng bởi nguồn một chiều. Có thể đó là những nguồn có sẵn nhưng đại đa số
đều được biến đổi từ điện lưới sang điện một chiều. Việc chuyển từ điên lưới xoay
chiều sang điện một chiều được thực hiện dễ dàng các mạch chỉnh lưu, ví dụ mạch
chỉnh lưu cầu. Nhưng điện áp một chiều sau chỉnh lưu có gợn sóng lớn, mặt khác
điện áp này không ổn định, có thể dễ dàng bị biến đổi khi U lưới thay đổi. Điều này
gây ảnh hưởng rất lớn đến sự ổn định của mạch điện tử và tuổi thọ của các kinh
kiện như IC, transistor…Chúng ta có thể khắc phục nhược điểm trên bằng cách
mắc sau chỉnh lưu một bộ ổn áp để đảm bảo sự ổn định cho các thông số làm việc
của mạch điện tử, khi mà điện áp lưới biến thiên trong một khoảng nào đó. Như
vậy, chúng ta thấy rằng, chỉnh lưu bao giờ cũng đi liền với ổn áp, công việc thiết kế
ra một bộ nguồn ổn áp để dùng cho các mạch điện tử là việc hết sức cơ bản và rất
cần thiết đối với một nhà thiết kế. Ở trong bài này, em xin trình bày cách thiết kế
một bộ ổn áp với đầu vào là điện lưới xoay chiều, đầu ra là điện áp một chiều với
các thông số được nêu dưới đây. Qua 2 học kì được học bộ môn “Kĩ thuật Mạch
điện tử ”, em đã được trang bị những kiến thức cơ bản về mạch điện tử, giờ đây em
muốn được kết hợp lý thuyết với thực hành, bắt tay thiết kế một mạch điện đơn
giản để tiếp cận với thực tiễn .
Do hiểu biết của em còn có giới hạn,trong trình bày chắc chắn sẽ còn nhiều sai
sót. Mong thày giáo sẽ chỉ bảo thêm cho em để em được hoàn thiện thêm về lý
thuyết và thực hành.

1
NguyÔn C«ng Anh líp ®iÖn tö 7-k47 ThiÕt kÕ nguån æn ¸p
-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.
Chỉ tiêu của nguồn ổn áp :

o U

r
=12V.
o I
r
=6A.
o U
lưới
= (80→130)V.
o Độ gợn sóng : 5 %.
2
NguyÔn C«ng Anh líp ®iÖn tö 7-k47 ThiÕt kÕ nguån æn ¸p
-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.
PHẦN I: LỰA CHỌN SƠ ĐỒ KHỐI VÀ SƠ ĐỒ NGUYÊN
LÝCỦA MẠCH ỔN ÁP
Mạch ổn áp được thực hiện nhờ các khối như sau:


EMBED Equation.3



Chúng ta sẽ xem xét chức năng, nguyên lý hoạt động của từng khối .
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 là một khối gồm các cuộn dây sơ cấp, 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 .
3
Khối

Biến áp
Khối
Chỉnh
lưu
Khối
lọc
K/đ
điều
chỉnh
Khối
khuyếch
đại so
sánh
Khối
tạo V
Khối
phân áp
NguyÔn C«ng Anh líp ®iÖn tö 7-k47 ThiÕt kÕ nguån æn ¸p
-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.
Trong sơ đồ mạch điện, biến áp được ký hiệu như sau:
Trong đó:
n1

: là số vòng dây của cuộn sơ cấp.
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 là tín
hiệu 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.
Mặt khác, quan hệ về biên độ của điện áp đầu ra và đầu vào của biến áp là tỷ lệ
thuận với tỷ số vòng dây n1 và n2:
2
1
2
1
n
n
U
U
=
Do đó, biến áp có khả năng hạ áp khi n1 > n2.
Với bài thiết kế này ta phải hạ mức điện áp lưới từ (80-130) V,xuống còn tối
thiểu là 16.5V . Trên cơ sở đó, ta sẽ tính toán các giá trị như số vòng dây cuốn
trên hai cuộn sơ cấp, thứ cấp, đường kính dây cuốn, tiết diện của các lá thép phù
hợp với đòi hỏi trên.
II. KHỐI CHỈNH LƯU
Nhiệm vụ : biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành năng lượng điện một
chiều.
Nguyên tắc: sử dụng các phần tử tích cực có đặc tuyến A-V không đối xưng sao
cho dòng điện qua nó chỉ đi theo một chiều. Các phần tử tích cực thường được
sử dụng là:
- Diode(Si, Ge): dùng khi công suất ra nhỏvà trung bình.
4

NguyÔn C«ng Anh líp ®iÖn tö 7-k47 ThiÕt kÕ nguån æn ¸p
-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.
- 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.
Ta chỉ quan tâm tới mạch chỉnh lưu cầu. Phương pháp chỉnh lưu cầu có rất nhiều
ưu điểm hơn so với các phương pháp khác đó là 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.
Nguyên lý của mạch chỉnh lưu cầu:
Trong từng nửa chu kỳ của điện áp thứ cấp U
2 ,
một cặp van có anôt dương nhất
và katôt âm nhất mở cho dòng một chiều qua và cặp van còn lại khoá và chịu
một điện áp ngược cực đại bằng biên độ U
2m
.
Khi
10
ttt
<<
: D1 và D3 thông, D2 và D4 tắt, Ura = Uvao.

Khi
21

ttt
<<
: D2 và D4 thông, D1 và D3 tắt, Ura = Uvao.

5
NguyÔn C«ng Anh líp ®iÖn tö 7-k47 ThiÕt kÕ nguån æn ¸p
-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.
Như vậy, trong cả hai nửa chu kỳ, ta luôn có Ura > 0,tuy nhiên Ura = Uvao chỉ
là lấy lý tưởng, thực tế Ura = √2 Uvao – 1,4V. Điện áp ra giảm 1,4V so với điện
áp vào do sụt áp tổng cộng trên hai điốt thông trong mỗi nửa chu kỳ.
Đối với hai Điốt tắt trong mỗi nửa chu kỳ, do điện áp đỉnh tối đa phân bố ngược
đều trên hai điôt do đó điện áp ngược chỉ còn một nửa.
Sau đây là giản đồ thời gian thể hiện quá trình trên
Việc chọn giá trị tối đa về dòng và điện áp ngược mà diôt phải chịu đựng phụ
thuộc vào dòng và áp mà mạch ổn áp phải chịu đựng, cung cấp cho tải.
III. KHỐI LỌC
Tuy khối chỉnh lưu đã biến đổi được điện áp xoay chiều thành điện áp và
một chiều nhưng điện áp ra sau 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 đập mạch(gợn sóng)
điện áp hay dòng điện sau chỉnh lưu.Sự đập mạch hay gớn 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 tải. Để giảm độ gợn sóng ta sử dụng các bộ lọc. Các bộ lọc
thường được sử dụng là bộ lọc LC, RC . Trong thiết kế này ta dùng một tụ lọc
RC có giá trị thoả mãn với chỉ tiêu độ gợn sóng là 5%.
Khi dùng tải là tụ lọc C ở chế độ xác lập, do hiện tượng nạp và phóng điện của tụ
C mạch lúc đó làm việc ở chế độ không liên tục.
Sơ đồ nguyên lý mạch lọc bằng tụ điện :
6

U
2
C
lọc
R
t
U
2
t
0
U
2
’
t
0
NguyÔn C«ng Anh líp ®iÖn tö 7-k47 ThiÕt kÕ nguån æn ¸p
-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.
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:
• Hệ số gợn sóng K
GS

(thực tế thường chọn )K
GS
=5%.
• Điện trở tải ( tức là điện trở đầu vào của khối ổn áp)
• Tần số của điện áp xoay chiều đầu vào chỉnh lưu f lấy giá trị f=50Hz
IV. KHỐI ỔN ÁP
Sơ đồ khối của khối ổn áp:
7
Khuếch đại
điều chỉnh
Khuếch
đại so
sánh
Phân áp
Tạo điện
áp chuẩn
NguyÔn C«ng Anh líp ®iÖn tö 7-k47 ThiÕt kÕ nguån æn ¸p
-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.-.
Thực chất của bộ ổn áp so sánh là sử dụng biện pháp hồi tiếp âm nên ta có sơ đồ
tương đương như sau:
Giả sử vì lý do nào đấy mà điện áp ra tăng lên một lượng ∆U
r
thì lượng biến
thiên này sẽ quay trở lại đầu vào nhờ bộ hồi tiếp âm. Tín hiệu hồi tiếp âm
ngượcpha với tín hiệu vào do đó nó sẽ làm yếu tín hiệu vào và ngược lại khi điện
áp ra bị giảm đi một lượng ∆U
r
thì tín hiệu vào sẽ có xu hướng tăng lên để chống
lại sự giảm này.
Bộ khuyếch đại phản hồi trong nguồn ổn áp là bộ khuyếch đại một chiều. a

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 của phương pháp hồi tiếp âm (g>1).
Vậy, khi có hồi tiếp âm, hệ số khuếch đại giảm đi g lần.
Mặt khác, với việc sử dụng mạch ổn áp này (hồi tiếp âm), ta có nhiều hiệu ứng
khác rất có lợi:
- 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.
-Độ nhấp nháy giảm g lần.

Tất cả các hiệu ứng trên đều có ảnh hưởng rất tốt trong việc ổn định dòng điện
và điện áp ra.
Ta nhận thấy khi hồi tiếp âm sâu :
ht
KK
>>1 do đó
htht
KKKK
≈+
1
.

ht
K
K
1
'
≈
Hệ số KĐ tổng quát chỉ phụ thuộc vào hệ số
ht
K
.
Điều kiện để hồi tiếp âm là:
• ϕ
K
+ ϕ
HT
= 180
0
• K  . K

HT
 >>1
Ta xét lần lượt từng khối của mạch ổn áp:
8
KHỐI
KHUẾCH ĐẠI(KĐ)
KHỐI
HỒI TIẾP (HT)