Đồ án Mạch Nguồn LM317 - Tài Liệu Text - 123doc

Tải bản đầy đủ (.doc) (21 trang)

1. Trang chủ
>>
2. Kỹ Thuật - Công Nghệ
>>
3. Điện - Điện tử

Đồ án mạch nguồn LM317

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.01 MB, 21 trang )

KHOA ĐIỆN TỬLỚP ĐH ĐTTT K7NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN............................................................................................................................................Vinh, ngày tháng 06 năm 2015Giảng viên hướng dẫnNHẬN XÉT GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN.............................................................................................................................................Vinh, ngày tháng 06 năm 2015Giảng viên phản biệnKHOA ĐIỆN TỬLỚP ĐH ĐTTT K7MỞ ĐẦUNgày nay cùng với sự bùng nổ của khoa học và công nghệ, các thiết bị điện tửngày càng được sử dụng rộng rãi trong hầu hết trong các lĩnh vực kinh tế - xã hội cũngnhư trong đời sống. Trong tất cả các thiết bị điện tử vấn đề nguồn cung cấp là mộttrong 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 độchính xác và ổn định cao. Hiện nay kỹ thuật chế tạo các nguồn điện ổn áp cũng đanglà một khía cạnh đang được nghiên cứu phát triển với mục đích tạo ra các khối nguồncó công suất lớn, độ ổn định, chính xác cao, kích thước nhỏ (các nguồn xung).Từ tầm quan trọng trong ứng dụng thực tế và rộng rãi của nguồn điện một chiềuổn áp và dựa vào những kiến thức được học cũng như tự tìm hiểu, nhóm em đã chọnđề tài: “Thiết kế mạch nguồn ổn áp12V ” để qua đó tìm hiểu kĩ hơn về nguyên lí hoạtđộng của các mạch nguồn đồng thời củng cố thêm kĩ năng trong thiết kế các mạchđiện tương tự.Trong quá trình thực hiện đề tài em xin chân thành cảm ơn thầy giáo:NGUYỄN ĐĂNG THÔNG đã tận tình hướng dẫn giúp chúng em hoàn thành đề tàinày.Do khả năng kiến thức bản thân còn hạn chế, đề tài chắc chắn sẽ không tránh nhữngthiếu sót, em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn để đềtài được hoàn thiện hơn.Nhóm sinh viên1KHOA ĐIỆN TỬLỚP ĐH ĐTTT K7MỤC LỤCII SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ CHỨC NĂNG LINH KIỆN.................................18KHOA ĐIỆN TỬLỚP ĐH ĐTTT K7PHẦN I:CƠ SỞ LÝ THUYẾTI. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ NGUỒN MỘT CHIỀUNguồn một chiều có nhiệm vụ cung cấp năng lượng một chiều cho các mạch vàcác thiết bị điện tử hoạt động. Năng lượng một chiều của nó tổng quát được lấy từnguồn xoay chiều của lưới điện thông qua một quá trình biến đổi được thực hiện trongnguồn một chiều.Yêu cầu đối với loại nguồn này là điện áp ra ít phụ thuộc vào điện áp mạng, củatải và nhiệt độ. Để đạt được yêu cầu đó cần phải dùng các mạch ổn định (ổn áp, ổndòng). Các mạch cấp nguồn cổ điển thường dùng biến áp, nên kích thước và trọnglượng của nó khá lớn. Ngày nay người ta có xu hướng dùng các mạch cấp nguồnkhông có biến áp.Sơ đồ khối của một bộ nguồn hoàn chỉnh được biểu diễn như sau:U1 ~BIẾN ÁPMẠCHU2 ~ CHỈNH LƯU UTBỘ LỌCUO1ỔN ÁP MỘTCHIỀU(ỔN DÒNG)ITUO2RTHình 1.1: Sơ đồ khối của một bộ nguồn hoàn chỉnhChức năng của các khối như sau:- Biến áp để biến đổi điện áp xoay chiều U 1 thành điện áp xoay chiều U2 có giátrị thích hợp với yêu cầu. Trong một số trường hợp có thể dùng trực tiếp U 1 mà khôngcần biến áp.- Mạch chỉnh lưu có nhiệm vụ chuyển điện áp xoay chiều U 2 thành điện áp mộtchiều không bằng phẳng UT (có giá trị thay đổi nhấp nhô). Sự thay đổi này phụ thuộcvào từng dạng mạch chỉnh lưu.- Bộ lọc có nhiệm vụ san bằng điện áp một chiều dập mạch U T thành điện ápmột chiều UO1 ít nhấp nhô hơn.KHOA ĐIỆN TỬLỚP ĐH ĐTTT K7- Bộ ổn áp một chiều (ổn dòng) có nhiệm vụ ổn định điện áp (dòng điện) ở đầura của nó UO2 (IT) khi UO1 thay đổi theo sự mất ổn định của U O1 hay IT . Trong nhiềutrường 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 sơđồ khác nhau và dùng các van chỉnh khác nhau. Bộ chỉnh lưu công suất vừa và lớnthường dùng mạch chỉnh lưu ba pha. Dưới đây chúng ta sẽ đi khảo sát từng khối nêutrên trong bộ nguồn một chiều.II. BIẾN ÁP NGUỒN VÀ CHỈNH LƯU1. Biến áp nguồnBiến áp nguồn làm nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều của mạng điện thành điện ápxoay chiều có trị số cần thiết đối với mạch chỉnh lưu và ngăn cách mạch chỉnh lưu vớimạng điện xoay chiều về một chiều:Hình 1.2: Biến áp nguồn2. Chỉnh lưuCác 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 thểdùng chỉnh lưu Selen. Để có công suất ra lớn (>100W) và có thể điều chỉnh điện áp ratùy 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 hainửa chu kỳ, sơ đồ chỉnh lưu cầu mà trong đó sơ đồ chỉnh lưu cầu có nhiều ưu điểmhơn cả.Mạch chỉnh lưu phải có hiệu suất (tỷ số giữa công suất ra và công suất hữu íchở 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:KHOA ĐIỆN TỬLỚP ĐH ĐTTT K7Đặc điểm của mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ là trong cả hai nửa chu kì củađiện áp xoay chiều đều có dòng điện chạy qua tải. Có hai loại sơ đồ chỉnh lưu hai nửachu kỳ: sơ đồ cân bằng và sơ đồ cầu.D1UrUvCtRD2a. Sơ đồ cân bằngUrCó CtKhông có Ct0tb. Đồ thị thời gian của điện áp raHình 1.3: Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳĐiện áp cực đại khi không tải:Uˆ = Uˆ 2 − U nTrong đó Un là điện áp ngưỡng của diode, U 2 điện áp trên cuộn thứ cấp củabiến áp.Điện áp ngược đặt lên diode (trong trường hợp C t ≠ 0): Ung =2 U2hd.b. Mạch chỉnh lưu cầu:Sơ đồ cầu thường được dùng trong trường hợp điện áp xoay chiều tương đối lớn. Tuycùng là sơ đồ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ nhưng nó ưu việt hơn sơ đồ cân bằng ở chỗcuộn thứ cấp được sử dụng toàn bộ trong hai nửa chu kỳ của điện áp vào và điện ápngược đặt lên điôt trong trường hợp này chỉ bằng một nửa điện áp ngược đặt lên trongsơ đồ cân bằng. Điện áp ra cực đại khi không tải: Uˆ r = Uˆ 2 − 2U n′ nghĩa là nhỏ hơn chútít so với điện áp ra trong sơ đồ cân bằng, vì ở đây luôn luôn có hai điốt mắc nối tiếp.KHOA ĐIỆN TỬLỚP ĐH ĐTTT K7UvCtUrRHình 1.4: Mạch chỉnh lưu cầuTa thấy rằng trong từng nửa chu kỳ của điện áp thứ cấp U 2 , một cặp điốt cóanôt dương nhất và katốt âm nhất mở, cho dòng một chiều qua Rt , cặp điốt còn lạikhóa và chịu một điện áp ngược cực đại bằng biên độ U 2 m . Ví dụ tương ứng với nửachu kỳ dương của U 2 , cặp điốt Đ1Đ3 mở, Đ2Đ4 khóa. Rõ ràng điện áp ngược đặt lênvan lúc khóa có giá trị bằng một nửa so với trường hợp sơ đồ chỉnh lưu cân bằng đãxét trên, đây là ưu điểm quan trọng nhất của sơ đồ cầu. Ngoài ra, kết cấu thứ cấp củabiến áp nguồn đơn giản hơn.Trong sơ đồ 1.4, nếu nối đất điểm giữa biến áp và mắc thêm tải ta có mạchchỉnh lưu có điện áp ra hai cực tính. Đây thực chất là hai mạch chỉnh lưu cân bằng.+UrCtRUv-UrCtRHình 1.5: Chỉnh lưu điện áp ra hai cực tínhIII. LỌC CÁC THÀNH PHẦN XOAY CHIỀU CỦA DÒNG ĐIỆN RA TẢITrong các mạch chỉnh lưu nói trên điện áp hay dòng điện ra tải tuy có cực tínhkhông đổi, nhưng các giá trị của chúng thay đổi theo thời gian một cách chu kỳ, gọi làsự 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:∞∞n =1n =1it = I 0 + ∑ An sin nωt + ∑ Bn cos nωtKHOA ĐIỆN TỬLỚP ĐH ĐTTT K7Trong đó I 0 là thành phần một chiều và∞∞∑ A sin nωt + ∑ Bn =1nn =1ncos nωt là tổng cácsóng hài xoay chiều có giá trị, pha và tần số khác nhau phụ thuộc và loại mạch chỉnhlưu. Vấn đề đặt ra là phải lọc các thành phần sóng hài này để cho it ít đập mạch, vì cácsóng hài gây sự tiêu thụ năng lượng vô ích và gây sự nhiễu loạn cho sự làm việc củatải.Trong mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ thành phần một chiều I 0 tăng gấp đôi sovới mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ, thành phần sóng hài cơ bản (n=1) bị triệt tiêu, chỉ còncác sóng hài bậc từ n = 2 trở lên. Vì vậy mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ đã có tác dụnglọc bớt sóng hài.Người ta định nghĩa hệ số đập mạch KP của bộ lọc:Biên độ sóng hài lớn nhất của it (hay ut)Giá trị trung bình của it (hay ut)Kp =KP 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 lưuhai nửa chu kì KP = 0,667.Để thực hiện nhiệm vụ lọc nói trên, các bộ lọc sau đây thường được dùng:1. Lọc bằng tụ điệnTrường hợp này đã được nêu ra trong trường hợp tải điện dung của mạch chỉnhlưu. Nhờ có tụ nối song song với tải, điện áp ra tải ít nhấp nhô hơn.CRtUrHình 1.6: Lọc bằng tụ điệnDo sự phóng và nạp tụ qua các 1/2 chu kỳ và do các sóng hài được rẽ qua mạchC xuống điểm chung, dòng điện ra tải chỉ còn thành phần một chiều và một lượng nhỏsóng hài bậc thấp. Việc tính toán hệ số đập mạch của bộ lọc dẫn tới kết quả:KP =2ωCRtNghĩa là tác dụng lọc càng rõ rệt khi C và R t càng lớn (Rt tiêu thụ dòng điệnnhỏ). Với bộ chỉnh lưu dòng điện công nghiệp (tần số 50Hz hay 60Hz), giá trị của tụ Cthường có giá trị từ vài µF đến vài nghìn µF (tụ hóa).2. Lọc bằng cuộn cảm LKHOA ĐIỆN TỬLỚP ĐH ĐTTT K7Mạch lọc bằng cuộn cảm L được biểu diễn như sauLRtUrHình 1.7: Lọc bằng cuộn cảmCuộn cảm L được mắc nối tiếp với tải R t nên khi dòng điện it ra tải biến thiênđập mạch, trong cuộn L sẽ xuất hiện sức điện động tự cảm chống lại. Do đó làm giảmcác sóng hài (nhất là các sóng hài bậc cao). Về mặt điện kháng, các sóng hài bạc n cótần số càng cao sẽ bị cuộn cảm L chặn càng nhiều. Do đó dòng điện ra tải chỉ có thànhphần một chiều I 0 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:KP =Rt3ωLNghĩa là tác dụng lọc của cuộn L càng tăng khi R t càng nhỏ (tải tiêu thụ dòngđiện lớn). Vì vậy bộ lọc này thích hợp với mạch chỉnh lưu công suất vừa và lớn. Giátrị của cuộn cảm L càng lớn thì tác dụng càng tăng, tuy nhiên cũng không nên dùng Lquá lớn, vì khi điện trở một chiều của cuộn L lớn, sụt áp một chiều trên nó tăng vàhiệu suất của bộ chỉnh lưu giảm.3. Bộ lọc hình L ngược và hìnhπCác bộ lọc này sử dụng tổng hợp tác dụng của cuộn cảm L và tụ C để lọc, dođó các sóng hài càng giảm nhỏ và dòng điện ra tải (hay điện áp trên tải) càng ít nhấpnhô. Để tăng tác dụng lọc có thể mắc nối tiếp 2 hay 3 mắt lọc hình π với nhau. Khi đódòng điện và điện áp ra tải gần như bằng phẳng hoàn toàn.LCHình 1.8: Lọc hình L ngượcRt UrKHOA ĐIỆN TỬLỚP ĐH ĐTTT K7LC1C2RtUrHình 1.9: Lọc hình πTrong một số trường hợp để tiết kiệm và giảm kích thước, trọng lượng của bộlọc ta có thể thay cuộn cảm L bằng R trong mắt lọc hình L ngược hay hình π . Lúc đóR gây sụt áp cả thành phần một chiều trên nó dẫn tới hiệu suất và chất lượng của bộlọc thấp hơn dùng cuộn L. Thường người ta chọn giá trị R sụt áp một chiều trên nóbằng (10 - 20)%U0 khoảng vài Ω đến vài kΩ .4. Bộ lọc cộng hưởngHình 1.10.a biểu diễn bộ lọc cộng hưởng dùng mạch cộng hưởng song songLkCk mắc nối tiếp với tải Rt nhờ vậy sẽ chặn sóng hài có tần số bằng tần số cộng hưởngcủa nó. Ngoài ra tụ C1 còn có tác dụng lọc thêm.LLLkCkC2RtRtCk(a)(b)Hình 1.10: Các bộ lọc cộng hưởngHình 1.10.b biểu diễn bộ lọc cộng hưởng dùng mạch cộng hưởng nối tiếp L kCkmắc song song với tải Rt. Ở tần số cộng hưởng nối tiếp của mạch LkCk trở kháng củanó rất nhỏ nên nó ngắn mạch các sóng hài có tần số bằng hay gần bằng tần số cộnghưởng. Ngoài ra cuộn L còn có tác dụng lọc thêm.IV. ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁPNhiệm vụ ổn định điện áp (gọi tắt là ổn áp) một chiều ra tải khi điện áp và tầnsố điện lưới thay đổi, khi tải biến đổi (nhất là đối với bán dẫn) rất thường gặp trongthực tế. Điện trở ra của bộ nguồn cung cấp yêu cầu nhỏ, để hạn chế sự ghép ký sinhgiữa các tầng, giữa các thiết bị cùng chung nguồn chỉnh lưu.KHOA ĐIỆN TỬLỚP ĐH ĐTTT K7Việc ổn định điện áp xoay chiều có nhiều hạn chế nhất là khi điện áp lưới thayđổi nhiều. Dùng bộ ổn áp một chiều bằng phương pháp điện tử được sử dụng phổ biếnhơn đặc biệt khi công suất ra tải yêu cầu không lớn và tải tiêu thụ trực tiếp điện áp mộtchiều.Các dạng bộ ổn áp trên thực tế được chia làm ba loại chính: ổn áp kiểu tham số (ổn ápdùng 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 vớinguyên tắc thực hiện các sơ đồ ổn áp có hồi tiếp, phân loại và một số loại IC ổn áptuyến tính.KHOA ĐIỆN TỬLỚP ĐH ĐTTT K71. Nguyên tắc mạch ổn áp có hồi tiếpĐể nâng cao chất lượng ổn định, người ta dùng bộ ổn áp kiểu bù tuyến tính (còn gọi làổn áp so sánh hoặc ổn áp có hồi tiếp). Nguyên tắc làm việc của các sơ đồ ổn định cóhồi tiếp được biểu diễn như sauUr(Điện áp một chiềuchưa ổn định)®Þnh)NGUỒNCHUẨNPHẦN TỬĐIỀU KHIỂNU’rBỘ KHUẾCHĐẠIBỘ SO SÁNHHình 1.11: Sơ đồ khối minh họa nguyên tắc làm việc của cácmạch ổn định có hồi tiếpTrong mạch này, một phần điện áp (dòng điện) ra được đưa về so sánh với mộtgiá 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 đổitheo 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 vàổn dòng.Điện ápđưa về bộso sánha.RtU’rĐiện ápđưa về bộso sánhRtRb.Hình 1.12: Cách lấy tín hiệu đưa về bộ so sánha. Khi ổn ápb. Khi ổn dòng.Có thể thấy rằng, tất cả các nguồn áp (R i