Đồ án thiết kế môn học: Điện tử tương tự
Đề bài 4:
Thiết kế một bộ nguồn ổn áp bù sử dụng transistor, với các chỉ tiêu kĩ thuật như
sau:
- Điện áp vào từ lưới điện công nghiệp 220V/50Hz
- Điện áp ra ổn áp 12v
- I
r
= 10A
- Các thông số khác của linh kiện sinh viên tự chọn cho phù hợp với yêu cầu
Nội dung:
1. Lý thuyết chinh về chỉnh lưu, ổn áp
- Sơ đồ khối
- Sơ đồ nguyên lý của từng khôi
- Lựa chọn loại mạch để thiết kế
2. Thiết kế bộ nguồn
- Sơ đồ nguyên lý chung của mạch thiết kế
- Tính toán các thông số của bài ra cho các giá trị linh kiện phù hợp
+ Tính toàn mạch chỉnh lưu
+ Tính toán mạch ổn áp
3. Lựa chọn linh kiên có trên thị trường
+ Loại linh kiện
+ Thông số của linh kiện
+ Vẽ và tính lại mạch với các linh kiện đã lựa chọn, và để phù hợp với đề
bài cần thay đỏi những gì
4. Đánh gía kết luận
Tài liệu tham khảo
PHẦN I :LÍ THUYẾT CHUNG VỀ CHỈNH LƯU ỔN ÁP
Mạch nguồn cung cấp có nhiệm vụ cung cấp năng lượng một chiều cho
các mạch điện và thiết bị điện tử hoạt động. Điện áp đầu ra một chiều được
biến đổi từ nguồn điện công nghiệp. Hình biểu diễn sơ đồ khối của một bộ

không đổi. Trong thiết bị nguồn biến áp ngoài nhiệm vụ biến đổi điện áp
xoay chiều của mạng điện thành điện áp xoay chiều có trị số cần thiết với
mạch chỉnh lưu còn có tác dụng ngăn cách mạch chỉnh lưu với mạch điện về
một chiều.
Một biến áp cơ bản có hai cuộn dây cuốn trên lõi sắt từ. Cuộn sơ cấp
được nối với mạng điện, cuộn thứ cấp được nối với tải.
.
U
0
Biến áp
Mạch chỉnh
lưu
Mạch
lọc
Mạch ổn áp
(ổn dòng)
U
2
U
1
U
01
U
r
R
t

I
t
Các thông số của máy biến áp:

/ U
2
= W
1
/ W
2

II . MẠCH CHỈNH LƯU
1 . Chỉnh lưu một pha toàn sóng
A . Chỉnh lưu 1 pha toàn sóng dùng biến áp thứ cấp có điểm trung tính:
+ Với tải thuần trở
U 1
U 2
Biến áp nguồn.
u
2b
D
1
u
1∼
a
i
2b
i
2a
b
D
2
u
2a

b)
u
2b
i
2a
ωt
ωt
Trên sơ đồ hình a: biến áp 1 pha có cuộn thứ cấp ra điểm giữa, tạo
thành 2 điện áp u
2a
, u
2b
có biên độ bằng nhau và lệch pha nhau 180
0
đặt vào 2
điốt, khiến chúng thay nhau làm việc trong cả chu kỳ.
Khi u
2a
ở nửa chu kỳ dương (a+;b-), điốt D
1
thông, D
2
khoá có dòng i
2a
(a
→
D
1
→
R

∞
=
= + = +
∑
0 2 2 0
1
Do đó điện áp trên tải
n
n
u U u
∞
=
= +
∑
0 0
1
Dòng và điện áp trên tải bao gồm thành phần 1 chiều (I
0
, U
0
) và vô số
các thành phần xoay chiều (
Σ
i
∼

;
Σ
u
∼

+
==
2
00
2
π
Nếu bỏ qua tổn hao biến áp và chỉnh lưu (bộ qua r
f
) thì
220
90
2
U,UU
M
==
π
+ Với tải dung tính.
Khi có C// R
t
và
t
c
c
R
m
X <<=
ω
1
thì bộ chỉnh lưu có tải dung tính
Khi tải dung tính thì các điốt chỉ thông khi giá trị dương tức thời của

+ Với tải cảm tính.
R
t
Mạch chỉnh lưu toàn sóng biến áp điểm giữa tải dung tính và dạng sóng.
D
1
D
2
a
b
u
2a
u
2b
u
1~
i
2a
i
2b
C
+
_
U
0
I
2
u
2a
u

thì tất cả các thành phần xoay chiều của dòng điện chỉnh lưu sẽ bị chặn
lại trên L
ch
, còn trên tải R
t
là thành phần điện áp, dòng điện 1 chiều U
0
, I
0
.
Dòng điện qua L
ch
và R
t
là liên tục không đổi trong suốt cả chu kỳ (hình b)
- Bỏ qua các tổn hao trên biến áp, điốt và L
ch
thì:
t
R
U
I;U,U
0
020
90 ==
Trong thực tế để loại bỏ tương đối triệt để các thành phần xoay chiều
của dòng điện chỉnh lưu, người ta không chỉ dùng cuộn chặn riêng lẻ mà kết
hợp với tụ C mắc sau nó và song song với R
t
, để giảm nhỏ trở kháng ra của

t
u
0
U
2M
u
2a
u
2b
U
C
u
2
u
0
ωt
U
o
i
0
I
0
b)
ωt
ωt
- Tần số đập mạch f
d
= 2f → dễ lọc san bằng
- Dòng trung bình qua điốt nhỏ
* Nhược điểm:

Đối với tải điện trở, điện cảm, điện dung các dạng sóng và trị số
giống như sơ đồ chỉnh lưu toàn sóng 1 pha với biến áp điểm giữa.
- Với tải thuần trở: U
0
≈
0,9 U
2
- Với tải dung tính:





=
=
2
20
2
2
UU
cosUU
ohm
θ
- Với tải cảm tính: U
0
≈
0,9 U
2
,còn điện áp ngược lớn nhất đặt lên điốt
22

i
2b
R
t
R
t
R
t
+ Nếu dùng biến áp và nếu cùng điện áp thì cuộn thứ cấp có số
vòng giảm một nửa.
2 . CHỈNH LƯU BỘI ÁP
A. Chỉnh lưu bội áp nửa sóng
- C
1
, C
2
có giá trị điện dung đảm bảo
t
,
CC
R
C
X,X <<=
21
21
1
ω
thì sơ đồ
này là tải dung tính.
Giả sử nửa chu kỳ đầu có a+; b- thì D

).
Khi hở tải:
2220
222 UUUU
MmaxChm
===
B . Chỉnh lưu bội áp toàn sóng.

Sơ đồ này có thể xem như 2 sơ đồ chỉnh lưu 1 pha nửa sóng mắc nối tiếp
nhau với độ dịch pha giữa chúng là 180
0
và tải dung tính.
Sơ đồ nắn bội áp nửa
sóng
a
b
u
1
u
2
C
2
+ −
D
1
D
2
U
0
R

1
thông, C
1
được nạp với
U
C1
=U
2M
cos
θ
Nửa chu kỳ sau b+; a- có dòng i
2
(D
2
thông), C
2
được nạp:
U
C2
=U
2M
cos
θ
Sau 1 chu kỳ điện áp mạng ta có U
0
=U
C1
+U
C2
=2U

K
đr
= U
0
∼
r
/U
0r

U
0
∼
v
; U
0
∼
r
là biên độ của thành phần xoay chiều của điện áp đập mạch
đầu vào và đầu ra được tính với hài bậc 1
U
0v
, U
or
điện áp 1 chiều đầu vào, ra của bộ lọc. Hệ số lọc (hay hệ số san
bằng) của bộ lọc là:
v
r
dr
dv
U

IV . KHỐI ỔN ÁP
:
Sơ đồ khối của khối ổn áp
Thực chất của bộ ổn áp so sánh là sử dụng biện pháp hồi tiếp âm nên ta có
sơ đồ tương đương sau :
Giả sử vì lý do nào đó mà điện áp ra được nâng lên một lượng ∆U
r
thì
lượng biến thiên này sẽ quay trở lại đầu vào nhờ bộ hôi tiếp âm . Tín hiệu hồi tiếp
âm ngược pha với tín hiệu vào nên sẽ làm yếu tín hiệu vào và ngược lại khi điện
áp ra bị giảm đị một lượng ∆U
r
thì tín hiệu vào sẽ có xu hướng tăng lên để chônhs
lại sự suy giảm này .
Khuếch đại
điều chỉnh
Khuếch đại so
sánh
Tạo điện áp
chuẩn
Phân áp
Khối khuếch đại ( KĐ )
Khối hồi tiếp ( HT )
Bộ khuếch đại phản hồi trong nguồn ổn áp là bộ khuếch đại một chiều .
Nếu ta gọi hệ số khuếch đại của khối khuếch đại là K , của khối hồi tiếp là K
ht
và
của toàn bộ mạch sau khi có hồi tiếp là K’ .
Ta có quan hệ sau :
K’ = =

o
+ |K| .|K
ht
| » 1
* Khối phân áp : tạo U
pa
tỉ lệ với điện áp ra dung làm tín hiệu so sánh với tín
hiệu điện áp chuẩn , tạo sự chênh lệch để đưa vào khối khuếch đại điều chỉnh , có
nhiệm vụ trích một phần dòng điện ra , tạo ra mức điện áp một chiều U
pa
tỉ lệ U
Ra
dùng làm thông tin để so sánh với U
chuẩn
, tạo ra một sự chênh lệch để từ đó điều
khiển khối khuếch đại điều chỉnh .
U
pa
tạo ra nhờ bộ phân áp điện trở như sau :
Mạch này chỉ là mạch phân áp thông thường .
Nếu I
ss
« I
pa
do đó : U
pa
= U
r
.
Các điện trở R

ngược
cung cấp cho diode zener phải lớn hơn U
z
.
R
4
VR
U
r
R
3
U
pa
D
z
U
r
R
2
U
chuẩn
* Khối khuếch đại so sánh : ta có thể dùng khuếch đại thuật toán hoặc
khuếch đại transistor , ta sử dụng bộ transistor .
Với cực B đặt U
pa
, cực E đặt U
chuẩn
, cực C đặt U
ss
Như vậy đây chính là mạch khuếch đại kiểu E chung ( CE ) hay φ

transistor để xây dựng nên khối khuếch đại điều chỉnh . Tín hiệu so sánh được đưa
vào chân B của transistor , tín hiệu ra có thể lấy ở chân E hoặc chân C .
Nếu ở chân E thì : φ
k
= 0
o
Nếu ở chân C thì : φ
k
= 180
o
Nhưng φ
ht
= 180o nên tín hiệu lấy ra ở chân E của transistor khuếch đại điều
chỉnh , tức là φ
k
= 0
o
=> điều kiện hồi tiếp âm về pha được thỏa mãn .
T
1
D
z
R
4
VR
R
3
U
r
R

Mặt khác : U
B
= U
BE
+ U
z
(2)
Từ (1) và (2) suy ra : U
BE
+ U
z
=
=> =
hay U
r
= ( U
z
+ U
BE
) . = const
Ta có : U
Ch
– U
CE1
– U
r
= 0  U
Ch
– U
r

BE
U
C
= U
BE
+ U
r
U
CE
= U
C
–U
E
= U
C
– U
z
Ta có phương trình đường thẳng tải 1 chiều :
U
Ch
– I
1
.R
1
– U
CE2
– U
z
= 0 ( I
1

Ch
tăng do U
r
= U
Ch
– U
CE2
nên sẽ làm cho điện áp ra U
r
tăng
dẫn đến điện áp U
B
cũng tăng theo , khi U
BT2
tăng làm cho U
E2
tăng lên tăng
phân cực cho transistor T
2
làm cho transistor này dẫn mạng hơn , dòng I
C1
I
CT2
U
CE2
0 U
Ch
- U
z
qua R

của diode zener .
* R
3
và R
4
là điện trở phân áp hồi tiếp cho base của T
2
.
* R
1
phân áp cho base của T
1
, R
1
cùng T
2
, Z
D
định thiên dùng cho
transistor T
1
.
* R
2
phân áp cho diode zener , tăng khả năng ổn định cho điện áp chuẩn
, bảo vệ diode zener .
Nguyên lý hoạt động của mạch :
Khi U
r
giảm thì qua bộ phận phân áp R

trở lại , khi U
r
tăng lớn hơn trị số định mức thì quá trình diễn biến ngược lại .

PHẦN II : THIẾT KẾ BỘ NGUỒN
Từ những cơ sở lý thuyết trên, để đơn giản cho việc tính toán. Ta xây
dựng được bộ nguồn ổn áp bù sử dụng transistor đáp ứng được yêu cầu :
- Điện áp vào từ lưới điện công nghiệp 220 (V) - 50 (Hz).
- Điện áp ra ổn áp 12 (V).
- I
r
= 10 (A).
Qua đó ta có sơ đồ nguyên lý và phần tính toán cho phương án thiết kế
I . SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ :
II, TÍNH TOÁN CHO BỘ NGUỒN ỔN ÁP :
1, Tính toán cho mạch ổn áp .
Từ sơ đồ mạch ổn áp và theo giả thiết ta có :
U
r
= 12 (V) , I
r
= 10 (A)
Chọn U
Dz
= U
r
= X 12 = 6 (V)
Ta có : U
BET2
= 0,7 (V)

dưới dạng
mạch phân áp :
U
BT2
= U
r

=> =
=> = => 12.R
4
= 6,7.R
3
+ 6,7.R
4
=> 5,3.R
4
= 6,7. R
3
=> = =
Chọn R
3
= 53 (kΩ) , R
4
= 67 (kΩ)
Lúc này ta lại có :
U
CT2
= U
ET2
+ U

ET2
= U
Dz
= 6 (V) )
Ta có phương trình đường tải một chiều ( đặc tuyến tải tĩnh )
U
CET2
= U
Ch
- U
Dz
– I
CT2
. R
1
=> U
CET2
= ( U
Ch
- 6) - I
CT2
. R
1
(1)
Xét phương trình trên ta có :
+ Khi U
CT2
= 0 => U
CET2
= U

CT2
= (2)
Từ (1) và (2) ta có hệ phương trình :
U
CET2
= ( U
Ch
- 6) - I
CT2
. R
1
I
CT2
=
=> U
CET2
= U
Ch
- 6 - .R1
=> U
CET2
= U
Ch
- 6 -
=>U
Ch
= 2U
CET2
+ 6 mà U
CET2

1
làm việc ở chính giữa đường đặc tuyến thì :
U
CET1Q
= = 7,4 (V)
 U
CET1min
+ U
CET1max
= 14,8 (V)
Với U
CET1min
= 0,5 (V) => U
CET1max
= 14,8 - 0,5 = 14,3 (V)
Khi đó điện áp ổn áp đầu vào của mạch là :
U
Chmax
= U
r
+ U
CET1max
= 12 + 14,3 = 26,3 (V)
U
Chmin
= U
r
+ U
CET1min
= 12 + 0,5 = 12,5 (V)

1
max
U
CET1
(V)
0 U
CET
1
Q
I
CTT
1
Q
=> Chọn R
2
=1,5 (kΩ)
Dòng cực đại qua diode có thể nhận được là :
I
Dzmax
= =
3
26,3 6
1,5.10
−
= 13,53 (mA)
Đặc tuyến Vol ampe của diode zener :
Để diode làm việc ở giữa đường đặc tuyến thì dòng qua diode sẽ xắp xỉ
bằng = I
DzQ
 I

Dz
=> R
1
= =
3
19,4 6 6,7
6,44.10
−
− −
= 1,01 (kΩ)
Chọn R
1
= 1,1 (kΩ)
2 , Tính toán cho mạch lọc :
Ta có điện trở tải của mạch lọc là R
tml
= R
1
+R
T2
U
Dz
I
Dz
I
Dzmax
I
DzQ
I
Dzmin

Chmax
=

2
. 26,3 = 37,19 (V)
Chọn U
Cmax
= 40 (V)
3, Tính toán cho mạch chỉnh lưu và biến áp
Ta có :
U
Ch
= U
tm
- = Utm - .( 1 – еxp(

))
Có f = 50 (Hz) => T = = = 0,02 (s)
 T/2 = 0,01 (s)
 U
Ch
= U
tm
( 1- ( 1 – exp(
6
0.01
1000.10 .1,1.103
−
−


=
2
2
m
U
=
20,26
2
= 14 (V)
Mặt khác ta có : U
1
= 220 (V)
=> = = =
W
2
là số vòng dây cuộn thứ cấp .
W
1
là số vòng dây cuộn sơ sấp .
Như vậy ta đã tính toán xong các thông số của mạch . Ta có các thông
số của linh kiện :
+ Biến áp có tỉ số : = .
+ Sử dụng diode chỉnh lưu U
diode
= 0,7 (V) .
+ Tụ C = 1000 (μF) ,U
Cmax
= 40 (V) .
+ R1 = 1,1(kΩ) , R2 = 1,5 (kΩ) , R3 = 53 (kΩ) , R4 = 67 (kΩ)
+ Transistor T

CT2
= 12,7 (V)
U
CET2
= 6,7 (V)
U
BT2
= 6,7 (V)
U
ET2
= 6 (V) .