thiết kế mạch ổn áp dùng vi mạch (kết hợp ic và transistor)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN ĐIỆN TỬ
TƯƠNG TỰ
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ MẠCH ỔN ÁP DÙNG VI MẠCH (KẾT HỢP IC
VÀ TRANSISTOR)
Giảng viên hướng dẫn:TS.Nguyễn Cảnh Quang


MỤC LỤC
Phần 1: Giới thiệu chung về đề tài.
1.1. Giới thiệu.
1.2. Mục đích chọn đề tài.
Phần 2: Đối tượng điều khiển điện áp đầu ra
2.1 . Sơ đồ cấu tạo
2.2 . Nguyên tắc
Phần 3:Tổng quan hệ thống:
Phần 4 : Thiết kế mạch và sơ đồ nguyên lý.
4.1. Nguyên tắc thiết kế .
4.2.Sơ đồ khối.
4.3. Chi tiết hóa sơ đồ khối.
4.3.1. Biến áp.
4.3.2. Mạch chỉnh lưu.
4.3.3. Bộ lọc.
4.3.4. Ổn áp.
4.3.5. Phần tính toán thông số cho vi mạch:
4.3.6: Sơ đồ chi tiết:
Phần 5: Kết luận và hướng phát triển.
5.1. Kết luận.

5.2. Hướng nghiên cứu phát triển.
5.3. Lời kết


Phần 1: Giới Thiệu Chung Về Đề Tài.
1.1.

Giới thiệu:
Ngày nay,với sự phát triển ngày càng mạnh về lĩnh vực khoa học kỹ
thuật các thiết bị điện tử đang được ứng dụng rộng rãi 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 được nghiên cứu phát triển với mục đích tạo ra các khối có công
suất lớn, độ ổn đinh, tính chính xác cao, kích thước nhỏ.
Từ những ứng dụng thực tế của nguồn điện ổn áp một chiều và dựa
vào những kiến thức đã học được em đã thực hiện đề tài: :” Thiết kế mạch
ổn áp dùng vi mạch (kết hợp IC và Transistor)”. Quan đó, bọn em có thể
tìm hiểu kĩ hơn về nguyên lý hoạt động của các mạch nguồn đồng thời có
thêm kiếm thức trong thiết kế mạch tương tự.
1.2. Mục đích chọn đề tài:
+ Mạch ổn áp dùng vi mạch có ứng dụng thực tiễn trong đời sống
hằng ngày.
+ Thuận tiện và dễ sử dụng.
------Phần 2:Đối tượng điều khiển điện áp đầu ra :
2.1. Sơ đồ cấu tạo:
Mạch ổn áp dùng điôt Zener kết hợp với Tranzito .

Khi yêu cầu dòng ra tải lớn, phải chọn điết có dòng l ớn .Di ốt Zener ch ỉ thích
hợp với các bộ chỉnh lưu công suất nhỏ .Có thể dùng các mạch ổn áp Zener có
tầng ra là một mạch lặp emitơ để ổn áp cho các mạch ch ỉnh l ưu công su ất
lớn hơn .


Vì R +r nhỏ nên mạch ổn áp loại này có điện áp ra ít ph ụ thuộc vào
tải .Ngoài ra , do dòng qua điôt Zener nhỏ nên có thể chọn trị số của điện tr ở
R lớn để tăng hệ số ổn áp . (biểu thức về G) mà tổn hao trên R không tăng .
Với sơ đồ hình 5b ,có thể lấy ra điệnáp Ư', là m ột phần của U, qua chi ết áp
P .Nếu chọn điệntrở chiết ap P < Rbe; thì điện trở trong c ủa mạch tăng không
đáng kể.
2.2. Nguyên tắc:
Thiết kế mạch ổn áp dùng vi mạch (nối tiếp) . (kết hợp giữa IC và Tranzi tor)
có điều chỉnh điện áp ra.
Điện áp vào ổn áp Uvào =20v
Điên áp ra mạch ổn áp Ura =12v
Điốt ổn áp có thông số Uz =6,2 v
Iz=12mA


Dòng tải It =250mA Hệ số ổn định: 0,3%
Phần 3:Tổng Quan Hệ Thống:
 Sơ đồ khối:

------Phần 4:Thiết kế mạch và sơ đồ nguyên lý:
4.1. Nguyên tắc thiết kế:
- Nguồn một chiều có nhiệm vụ cung cấp năng lượng m ột chiều cho các
mạch và thiết bị điên tử hoạt động. Năng lượng một chiều đó đ ược bi ến đổi
thành dòng một chiều thông qua một quá trình biến đổi dòng xoay chi ều

thành dòng một chiều.
-Biến áp để biến đổi điện áp xoay chiều U1 thành điện áp xoay chiều U2 có
giá trị thích hợp với yêu cầu. Trong một số trường hợp có th ể dùng tr ực tiếp
U, không cần biến áp.
-Mạch chỉnh lưu có nhiệm vụ chuyển điện áp xoay chiều U2 thành điện áp 1
chiều không bằng phẳng Ut ( có gía trị thay đổi nh ấp nhô ). S ự thay đ ổi này
phụ thuộc cụ thể vào dạng mạch chỉnh lưu.
- Bộ lọc có nhiệm vụ san bằng điện áp một chiều đập vào mạch Ut thành
điện áp một chiều Uo1 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 Uo2(It) khi Uo1 bị thay đổi theo sự mất ổn định của Uo1 hay It.
4.2. Sơ đồ khối:
 Sơ đồ khối:


4.3. Chi tiết hóa sơ đồ khối:
4.3.1. Biến áp:
-Biến áp để biến đổi điện áp xoay chiều U, thành điệnáp xoay chiều U; có giái
tị thích hợp với yêu cầu.
-Trong một số trường hợp có thể dùng trực tiếp U, không cần bi ến áp.
Mạch biến áp:

+Biến áp dùng để tăng hoặc giảm điện áp tùy thuộc vào tính ch ất và nhi ệm
vụ của từng công việc mà ta có các giá trị điện áp ra và điện áp vào sao cho
phù hợp.
+Nguyên lí hoạt động: Khi ta cung cấp cho cuộn sơ cấp của bi ến áp m ột đòng
điện xoay chiều thì trong cuộn thứ cấp của máy biến áp sẽ có dòng điên c ảm
ứng chạy qua.
*Các quan hệ áp dụng cho biến áp:
hay

Trong đó:
1. N1: Số vòng dây cuộn sơ cấp
2. N2: Số vòng dây cuộn thứ cấp
3. U1: Điện áp hiệu dụng cuộn sơ cấp
4. U2: Điện áp hiệu dụng cuộn thứ cấp
5. I1: Dòng điện hiệu dụng cuộn sợ cấp
6. I2: Dòng điện hiệu dụng cuộn thứ cấp
-Dạng điện áp vào và ra:

-Biến áp công suất nhỏ thì nội trở có độ lớn theo công thức:


4.3.2. Mạch chỉnh lưu:
-Chỉnh lưu là một bộ nắm chuyển điện áp xoay chiều U2 thành điện áp 1
chiều có giá trị thay đổi nhấp nhô Ut.

 Nguyên lý hoạt động:
Tại một nửa chu kỳ của điện áp thứ cấp U2 một cặp van anot và catot m ở cho
đồng một chiều ra tải .Cặp van còn lại khoá và h ứng điện áp ng ược c ực đ ại
có biên độ U2 .Trong nửa chu kỳ còn lại ,cặp van mở ban đ ầu đóng và hai c ặp
van sau lại mở.


Nửa chu kì đầu

Nửa chu kì sau

Trong 1 chu kì:

Trong mạch chỉnh lưu nửa chu kì thành phần môt chiều Io tăng gấp đôi so v ới
mạch chính nửa chu kì, thành phần sóng hài c ơ bản (n = 1)b ị tri ệt tiêu, ch ỉ
còn các sóng hài từ bậc
n =2 trở lên. Vậy mạch chỉnh lưu hai nửa chu kì đã có tác d ụng l ọc b ớt sóng
hài.
* Dạng điện áp ra mạch chỉnh lưu:
- Trong đó:
+ là thành phần 1 chiều.
+ là tổng các sóng hài xoay chiều có giá trị , pha và t ần s ố khác nhau
phụ thuộc vào loại mạch chỉnh lưu.
=> Vấn đề đặt ra là phải lọc các sóng hài này này đ ể cho đ ập m ạch vì các
sóng hài gây ra sự tiêu thụ năng lượng vô ích và gây ra ra nhiễu cho s ự vi ệc
làm việc của tải.


4.3.3. Bộ lọc:
-Sau khi có dòng điện không bằng ph ẳng nh ờ chỉnh l ưu. B ộ l ọc có tác d ụng
san bằng điện áp một chiều đập mạch U1 thành 1 chiều U01 ít nh ất nhô h ơn.
-Nhờ có tụ nối song song với tải mà điện áp ra tải ít nh ấp nhô h ơn.

 Nguyên lí hoạt động:
-Do sự nạp và phóng điện qua ½ chu kì và do sóng hài b ậc cao đ ược rẽ qua
mạch C xuống điểm chung, dòng điện qua tải chỉ còn thành ph ần dòng m ột
chiều và một lượng nhỏ sóng hài bậc thấp. Việc tính toán h ệ s ố đ ập m ạch
của bộ lọc tụ ta có công thức sau:

-Tụ điện đem nối song song với tải điện . Tụ nạp và phòng c ứ ½ chu kì m ột
lần cộng các sóng bậc cao làm dòng điện ra là một chi ều c ộng sóng hài b ậc
thấp. Bằng cách đó có thể giảm được độ gợn sóng của điện áp ra.

-Khi điện trở tải R lớn thì C có thể được nạp tới giá trị đỉnh của đi ện áp xoay
chiều:
Ur=U2m.


-Lúc này ta có mạch chỉnh lưu giá trị đỉnh khác với mạch chỉnh l ưu giá tr ị
trung bình.Điện áp ngược đặt trên diode lớn gấp 2 lần so với tr ường h ợp
không có bộ lọc.

- Điện áp vào

-Điện áp ra:

4.3.4. Ổn áp:
a, Mạch ổn áp dùng diot zener:
Các mạch chỉnh lưu có tụ lọc C không có tính ch ốt ổn áp m ột chi ều, vì
trở kháng đối với thành phần một chiều của tụ rất lớn.
Đặc tính V-A của điốt Zener:


Trong trường hợp này dùng diode
zener rất có lợi.
Ngoài ra dùng diode zener còn có lợi
hơn dùng các khâu lọc thông
thường. Vì điện trở trong của mạch
nhỏ và bằng điện trở động Rz của
diode zener.
Hiệu quá ổn áp của diode được thể
hiện tại đoạn đặc tuyến ứng với
u<-Uz. Lúc này với lượng biến đổi

dòng điện �i khá l nớthì �U bi nế
thiên rất ít.
b, Mạch ổn áp dùng diot zener kết hợp Tranzito:
Sơ đồ ổn áp dùng điôt Zener đã xét trong mục 4.1 th ường có công su ất t ổn
hao khá lớn. , phải chọn diode có dòng lớn. Diode zener chỉ thích h ợp v ới các
bộ chỉnh lưu công suất nhỏ. Có thể dùng các mạch ổn áp Zener có t ầng ra là
một mạch lặp emitter để ổn áp cho các mạch chỉnh lưu công suất lớn h ơn.

Vì Ri+Rz nhỏ nên mạch ổn áp loại này có điện áp ra ít ph ụ thuộc vào
tải.Ngoài ra,đo dòng qua diode zener nhỏ nên có th ể ch ọn trị số c ủa điện tr ở
R lớn để có thể tăng hệ số ổn áp mà tổn hao trên R không tăng. V ới s ơ đ ồ
hình 5b ,có thể lấy ra điện áp Ư', là một phần của U, qua chiết áp P .N ếu ch ọn
điệntrở chiết ap P < Rbe; thì điện trở trong của mạch tăng không đáng kể.
c. Mạch ổn áp có hồi tiếp :


 Nguyên tắc thực hiện các sơ đồ ổn áp có hồi tiếp:
Khi hoặc thay đổi thì cũng thay đổi với một giá tr ị nhất định. Đ ể gi ữ
cho luôn không đổi thì một phần điện áp 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 ra trên nó thay
đổi theo xu hướng tiệm cận dần đến giá trị chuẩn.
Khâu này đưa một phần điện áp ra về so sánh với một giá trị chuẩn. Gía
trị điện áp hồi tiếp về có thể thay đổi được nhờ biến trở VR có th ể điều
khiển được.

d. Tạo điện áp chuẩn của bộ ổn áp:
-Tạo độ điện áp chuẩn là bộ phận cần thiết trong ổn áp. Đây là chu ẩn đ ể
so sánh điện áp ra. Độ ổn định của bộ này luôn được tính là m ốc c ủa đ ộ ổn
định điện áp ra.

-Mạch này sử dụng bằng diode zener:


-Nguyên lí hoạt động:Do được chế tạo đặc biệt diode Zener làm việc ở
chế độ đánh thủng và sự chuyển tiếp P-n khi phân cực ngược. Đi ện áp ng ược
đặt trên diode làm phát sinh ra hiện tượng đánh th ủng làm ổn áp có th ể ổn
định được nhờ dòng bão hòa.
e. Bộ so sánh của ổn áp:
-Bộ này so sánh điều áp được hồi tiếp về với điện áp chu ẩn.
-Nhằm tiết kiệm và tối đa hóa hữu ích các chi tiết mạch, ta s ử dụng IC
thuật toán. Phù hợp với mạch đang xét, ta dùng IC UA 741.
f. Bộ khuyếch đại ổn áp:
-Tín hiệu được lấy từ bộ so sánh đưa vào để khuyếch đại tín hiệu. IC
UA 741 cũng có tầng khuyếch đại vi sai nên đ ược kết h ợp làm b ộ khuy ếch
đại.
g. Phần tử điều khiển:
-Phần tử làm thay đổi tham số điện áp theo xu hướng tiệm cận dần
đến giá trị chuẩn.
-Phần này ta dùng tranzitor công suất, tranzitor công suất có trị số công
suất đủ lớn cũng như cấu hình đầu thoát nhiệt thích hợp. Th ường tranzito
được mắc theo mạch lặp emiter. Độ sụt áp bazo-emiter của tranzito điều
khiển thường là một khối thuận của hệ hồi tiếp vòng đóng và tác d ụng c ủa
nó bị loại trừ đối với điện áp tải.
4.3.5. Phần tính toán thông số cho vi mạch:


- Chọn điốt cầu có sụt áp : 1,1 V
- Sụt áp toàn mạch:
- Chọn điốt cầu DB107
+ Điện áp đánh thủng: 50 V

+ Dòng điện cực đại: 1A
- Điện áp thứ cấp hiệu dụng của máy biến áp: :
- Điện áp ngược cực đại trên tụ: :
- Chọn tụ hóa: C=1000
- Chọn điốt Zener 1N4736
+ Điện áp ổn áp: 6.2V
+ Công suất cực đại: 1W
- Điện áp ra cực đại
 = 12(V)
- Dòng điện chạy trên nhánh hồi tiếp nhỏ hơn dòng theo thực tế là 10
lần nên ==25 (mA)
- ==
- ==1.935
 =248
== = 1175
- Giá trị điện áp ra
- Tính công suất của transistor:
o
o

= 20.3-12=8.3 (V)

o Công suất tiêu tán trên transistor:
- Chọn Transistor: 2N2222
o Công suất cực đại: 5W


o Tần số làm việc: 250 MHz
o Điện áp 60 V
o Dòng collector cực đại: 800 mA

- Kết luận: Với dòng điện áp xoay chiều 220 V, để có được hệ ổn áp dung
vi mạch, ta sử dụng các linh kiện sau:
Điốt cầu

DB107

Điốt Zener

1N4735

Transistor

2N2222

IC khuếch đại thuật
UA741
toán
Điện trở

248 , 1175

Biến trở

0-500

Biến áp

220-15 V

Tụ điện

4.3.6: Sơ đồ chi tiết:

1000

Q1
2N2222

TR1

BR1

V1

U1

VR

1175

232

C2

5
1
4

C1

VSINE

R1

1000u

470u

2
6
3

R2

DF04M
TRAN-2P2S
7

248
UA741

D1
1N4735A

Mạch thực tế: (các điện trở được ghép nối để đạt được giá trị nh ư thông s ố
tính toán)


--------

Phần 5. Kết luận và hướng phát triển
5.1 Kết luận:
Ổn áp trên có những mặt ưu điểm-khuyết điểm sau:
1.Ưu điểm :
-Độ ổn định cao.
-Điện áp ra có thể thay đổi được theo ý muốn nh ờ VR
-Linh kiện để tìm ,sẵn có.
2.Nhược điểm:
-Hiệu suất thấp do tiêu hao năng lượng nhiều .
-Trazito và biến áp hỏng ngay lập t ức khi đòng quá t ải.
-Khối lượng cũng như kích th ước đều khá l ớn .
5.2. Hướng phát triển:
Hiện nay ,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 s ự làm việc ổn
định của hệ thống. Vì vậy, chúng em muốn phát triển đề tài “Thi ết k ế m ạch
ổn áp dùng vi mạch(kết hợp IC và transistor)” lên m ức cao h ơn đó là có th ể
sử dụng được cho những thiết bị,hệ thống có công suất lớn h ơn và phổ biến
hơn.
5.3. Lời kết:
Sau một thời gian nghiên cứu và chế tạo mạch ổn áp dùng vi m ạch
chung em đã thu được rất nhiều kiến thức môn học và các linh ki ện đi ện t ử.
Đặc biệt qua đồ án môn học đầu tiên với sự chỉ bảo của th ầy Nguy ễn C ảnh
Quang đã giúp chúng em hoàn thành xong đồ án đúng tiến độ.
Qua đồ án này chúng em đã rút ra được nhiều kinh nghiệm biết ph ối
hợp giữa lí thuyết với thực hành và biết cách làm việc theo nhóm. Tuy đã có
nhiều cố gắng những chúng em vẫn còn nhiều sai sót. Chúng em r ất mong
được sự quan tâm, dìu dắt của thầy để chúng em có th ể hoàn thành t ốt các
thử thách tiếp theo trên chặng đường 5 năm Bách Khoa đ ầy chông gai tr ước
mắt.

Chúng em xin chân thành cảm ơn!