Giáo trình Điện tử công nghiệp

1 Chương 1 ỔN ÁP NGUỒN MỘT CHIỀU Nguồn ổn áp dùng để tạo ra cấp cho tải Vo có trị số ổn định không tùy thuộc theo điện áp ngõ vào VI & trị số của điện trở tải . § .1.1. NGUYÊN TẮC ỔN ÁP * Khối điện áp chuẩn: (VR) Điện áp chuẩn VR là cơ sở cho việc ổn áp chuẩn để trực tiếp điều khiển điện áp ngõ ra Vo. * Khối điện áp phản hồi: (VS) Khi ngõ ra có điện áp bị thay đổi sẽ làm điện áp phản hồi bị thay đổi so với điện áp chuẩn (VR). * Khối khuếch đại sai lệch: Được so sánh giữa điện áp chuẩn với điện áp phản hồi để làm thay đổi trạng thái dẫn điện của phần tử điều khiển . * Phần tử điều khiển : Là linh kiện điện tử công suất được coi như 1 tổng trở có trị số tùy thuộc ngõ ra của mạch khuếch đại . § .1.2. MẠCH ỔN ÁP DÙNG DIOD ZENER Chỉ dùng cho các lọai tải có công suất nhỏ Vo = VZ = hằng số. R OI I VVR −= Trong đó VI là trị trung bình : VI = ( 1,5 ÷ 2 )Vo Chọn IZ = IL VS Phần tử điều khiển Khối điện áp chuẩn Khối điện áp phản hồi Khối khuếch đại sai lệch Vi Vo - + R C DZUCC RL VS Phần tử điều khiển Khối điện áp chuẩn Khối điện áp phản hồi Khối khuếch đại sai lệch Vi Vo 2 Vậy IR = IL +I Z Công suất điện trở : PR = 2PL = 2 RI2L Chọn Diod Zener VZ = VL IZmax ≥ 4IL Mạch này có nhược điểm là khó thực hiện trong thực tế đối với tải có công suất lớn . § .1.3. MẠCH ỔN ÁP DÙNG TRANSISTOR 1.3.1.ỔN ÁP NỐI TIẾP Vo = VB – VBE Trong đó VB = VZ = hằng số ⇒ Vo = VZ – VBE = hằng số (VBE =0,6V ÷ 0,7V ) Vậy điện áp ra được ổn định & chỉ tùy thuộc vào VZ . Để mạch họat động tốt vẫn phải Có điều kiện: VI = ( 1,5 ÷ 2 )Vo Chọn Diod zener : IZ ≥ (1 ÷ 2 )IB IR = IZ + IB R Zi B I VVR −= - Chọn Transistor với các thông số sau: ICmax ≥ 2IL PC = ICVCE = IL ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ − Oi VV _ - Chọn Transistor có công suất tiêu tán cực đại là: PCmax ≥ 2PC Ví dụ: Cho mạch ổn áp nối tiếp có VI = (18V → 24V) .Yêu cầu điện thế ra ổn áp là Vo =12V & dòng tải trung bình IL = 500mA . Cho biết transistor có β = 50 . Giải: - Điện áp vào trung bình là : VVVV i 21 2 2418 = + = - Dòng điện tải qua transistor: IC = IL =500mA ⇒ Dòng điện nền : mAmAII CB 1050 500 === β Dz - + R T UCC RL VS Phần tử điều khiển Khối điện áp chuẩn Khối điện áp phản hồi Khối khuếch đại sai lệch Vi Vo 3 - Chọn dòng qua Diod zener : IZ = 2IB = 2 x 10mA = 20mA Vậy chọn Diod zener có các thông số : VZ = Vo + VBE = 12V + 0,6V = 12,6V IZmax ≥ 4IZ ⇒ IZmax = 80mA Tính điện trở R Ω= + − = + − = − = 30 1020 1221 mAmA VV II VV I VVR BZ Oi R Oi - Chọn transistor : ICmax ≥ 2IC ≥ 1A PC = ICVCE = 500mA(21V – 12V) = 4,5W Chọn PCmax = 2PC = 2 x 4,5W = 9W 1.3.2. ỔN ÁP SONG SONG Điều kiện Vi = ( 1,5 ÷ 2 )Vo Vo = VZ + VBE = hằng số Vậy Vo được giữ ổn định mà chỉ tùy thuộc vào VZ. Chọn IC = IL Mà I = IC + IL Tính I VVR Oi −= Chọn Diod zener: IZ = ( 5 ÷ 10 )IB VZ = VO - VBE IZmax = 2IZ 1.3.3. MẠCH ỔN ÁP PHAO IB I IL IC IZ RB Dz T R - + UCC RL IZ IL I34 I2 R4 R3 R2 RL R1 IB2 Dz T2 T1 - + UCC 4 OS VRR RV 43 4 + = VS = VZ + VBE 4 43)( R RRVVV BEZO + += = hằng số. Vậy điện áp ra ổn định theo VZ & cầu phân áp R3 , R4. VO = Vi – VCE1 VCE1 = VR + VBE1 Khi VI∨ ∏ VO∨ ∏ VS∨ ∏ T2 dẫn mạnh ∏ IC2 ∨ ∏ VR1∨ ∏ VCE1∨ ∏ VO¬. Ví dụ: Cho mạch ổn áp phao có yêu cầu sau: VO =9V , IL = 1A. Tìm giá trị điện trở trong mạch & chọn các thông số cho linh kiện. Giải: Điều kiện điện áp vào: Vi =(1,5 ÷2) VO Vi = 1,5VO ÷2VO = 1,5 x 9V ÷ 2 x 9V ⇒ VVVVi 75,152 185,13 = + = - Công suất tiêu tán trên Transistor T1 : PC1 WAVVIVVIVP LOiCCEC 75,61).975,15()(111 =−=−== - Chọn transistor có công suất tiêu tán cực đại : PCmax PCmax = 2PC = 13,5W. - Chọn Diod zener có : VVV OZ 5,42 1 == - Dòng điện qua cầu phân áp R3,R4 được chọn sau cho có trị số rất nhỏ so với dòng tải để coi như không đáng kể. - Chọn mAAII LR 10100 1 10034 === - Vậy ta có thể tính tổng trở của cầu phân áp: Ω===+ 900 10 9 34 43 mA V I VRR R O Mà ta có VS = VZ + VBE2 ( Chọn VBE2= 0,7V) - VS = 4,5V + 0,7V = 5,2V - Chọn dòng IB2 của transistor T2 rất nhỏ so với IR34 để không ảnh hưởng đến cầu phân áp. - Chọn AmAII RB μ100100 10 1002 === ⇒ Điện trở Ω== 520 34 4 R S I VR (1) ⇒ R3 + R4 =900Ω - R3 = 380Ω Vậy T2 có β =50 ⇒ IE2 = βIB2 = 50 x 0,1mA = 5mA. 5 Chọn IZ = (2 ÷ 3)IE2 Nếu chọn IZ = 3IE2 = 3 x 5mA = 15mA. ⇒ Dòng qua R2 là: IR2 = IZ – IE2 = 10mA - Tính trị số điện trở R2 là: VR2 = VO - VZ Ω=−=−= 450 10 5,49 2 2 mA VV I VVR R ZO - Dòng điện qua R1 là: IR1 = IE2 + IB1 Chọn transistor T1 có β =50 - mAAII CB 2050 1 1 1 1 === β - IR1 = 5mA + 20mA = 25mA. - Tính điện trở R1 : )( 11 OBEiR VVVV +−= ( Chọn VBE1= 0,7V) - Ω=+−=+−= 242 25 )97,0(75,15)( 1 1 1 mA VVV I VVVR R OBEi 1.3. 4. MẠCH ỔN ÁP CÓ ĐIỆN ÁP NGÕ RA THAY ĐỔI ĐƯỢC: §.1.4. MẠCH ỔN ÁP DÙNG OP-AMP 1. GIỚI THIỆU: Khuếch đại thuật tóan còn gọi là op_amp (Operational Amplifier) là bộ khuếch đại DC có hệ số khuếch đại AV rất cao, thường được chế tạo dưới dạng tích hợp . Cấu tạo bên trong của Op-amp rất phức tạp ,tích hợp gồm nhiều linh kiện như: transistor, điện trở, diod, . . . . và ngõ ra là tầng khuếch đại công suất. 2. ON ÁP DC DÙNG OP_AMP Hình bên là mạch ổn áp dùng op-amp ,trong mạch op_amp đóng vai trò là mạch khuếch đại sai lệch và ngõ ra cấp dòng cho cực B của transistor T lái dòng tải. VR IZ IL I34I2 R4 R3 R2 RL R1 IB2 Dz T2 T1 - + UCC R1 R3 R2 RLDZ T +VCC 6 Trong mạch Op-amp đóng vai trò là mạch khuếch đại sai lệch và ngõ ra cấp dòng cho cực B của transistor T lái dòng tải. Ta có : Li VRR RV 21 1 + = Giả sử Op-amp là lý tưởng thì Vi = VZ ⇒ ConstV R RRV ZO = + = 1 21 ( Không phụ thuộc vào dòng tải IL) dòng điện qua tải : IO = IE1 = βIB1 Công suất tiêu tán trên Transistor T: PC = (VCC – VO ).βIB1 Để điều chỉnh điện áp ra ,ta có thể thay mạch tạo áp chuẩn VZ dùng diod zener bằng mạch kết hợp Op-amp và diod zener. Ứng dụng mạch cung cấp nguồn thay đổi được: Nguồn cung cấp ổn định 3V → 30V , 0 → 1A. Mạch có khả năng cấp điện áp ra thay đổitừ 3V đến 30V với dòng lên đến 1A. Nguồn cung cấp cho mạch từ 40V đến 45V chưa ổn định .Điện áp này được đưa trực tiếp đến các cực C của các Transistor T1 và T2 ,nhưng lại gián tiếp cung cấp cho bộ khuếch đại thuật tóan (BKĐTT) qua R1 và diod zener DZ1 . +VCC VR R DZ VR +VCC R DZ R2 R1 +VCC R3 DZ1 R2 R1 R4 R5 R6 R7 R8 741 T1 T2 DZ2 Vo 7 Điện áp ra 33V đã ổn định của DZ1 cũng được dùng để tạo ra điện áp chuẩn DZ2 và do đó tạo ra được điện áp chuẩn 3V có độ ổn định rất cao . Transistor T1 và T2 được mắc theo kiểu Darlington với đầu vào của BKĐTT và tổ hợp Transistor tạo thành mạch khuếch D.C không đảo với độ lợi thay đổi được ,nhờ bộ phân áp R6 – R7 – R8 .Bộ phân áp này cho phép thay đổi độ lợi từ 1 đến 10 .Điện áp ra thay đổi từ 3V đến 30V ,với dòng ra tới 1A rất ổn định. Nhược điểm của mạch này là không có bảo vệ ngắn mạch ,do đó mạch có thể hư hỏng nếu đầu ra bị ngắn mạch .Có giải pháp là đưa vào 1 cầu chì mắc nối tiếp với đầu ra nhưng hay hơn hết là thêm 1 mạch bảo vệ ngắn mạch như hình dưới. Về cơ bản mạch chỉ thêm cảm biến dòng 0,6Ω mắc nối tiếp với ngõ ra và transistor hạn dòng T3 nối giữa cực Nền T1 và cực Phát T2 .Nguyên tắc họat động rất đơn giản : T3 là transistor lọai Si và cần có 1 điện áp thuận ở cực B – E lớn hơn 0,6V để dẩn .Điện áp ở cực B –E này được lấy trên điện trở 0,6 Ω và độ lớn của nó tùy thuộc vào dòng ra của mạch này Thông thường dòng ra của mạch này nhỏ hơn 1A dòng này chạy qua R9 tạo ra điện áp rơi trên trên R9 nhưng chưa đủ để T3 dẩn và T3 xem như hở mạch và không có ảnh hưởng gì đến họat động của mạch .Nếu có ngắn mạch ,dòng ra sẽ tăng trên 1A và tối thiểu có 0,6V rơi trên R9 ,làm T3 dẫn và tác động như 1 điện trở song song mắc giữa cực Nền T1 với cực Phát T2 ,làm cho T1 và T2 tắt ,vì vậy làm giảm dòng ra của mạch .Thực tế ,khi xảy ra ngắn mạch dòng ra tự động giới hạn tới mức 1A .Như vậy ,có thể thay đổi từ 3V đến 30V với dòng lên đến 1A ,nhưng có thêm chức năng tự động bảo vệ ngắn mạch ,do đó sẽ không bị hư hỏng khi ngắn mạch ở đầu ra. §.1.5. VI MẠCH ỔN ÁP 3 CHÂN 1.5.1. Vi mạch ổn áp dương điện áp (họ 78XX) Vi mạch 78XX là vi mạch ổn áp dương cho điện áp ngõ ra dương. 78 ⇒ Biểu thị cho ổn áp dương (+). XX ⇒ Biểu thị điện áp ngõ ra. Ví dụ: 7805 ⇒ cho ra điện áp dương 5V. Dạng vỏ ngòai và ký hiệu chân Chân 1 : Ngõ vào (input) Chân 2 : Nối mass (GND) +VCC 40V÷4 R3 3.9K DZ1 33V/1 W R2 10 K R1 1K R4 2.7K R5 470 R6 10 R7 470R8 1K 741 DZ2 6,8V T1 2N305 4 T2 2N3055 Vo R9 0.6/1W + C1 100μ OUT 3÷30V 0÷1A T3 2N3704 2 3 7 4 6 8 Chân 3 : Ngõ ra (output) Dòng ra cực đại của họ vi mạch 78XX * 78LXX (Low power) : Imax = 100mA. * 78MXX (Medium power) : Imax = 500mA. * 78XX : Imax = 1A ÷ 1,5A. * 78HXX (High power) : Imax = 5A. * 78PXX (Puissance power) : Imax = 10A. Bảng mã số điện áp ra Mã số Điếnap ngõ ra (V) 7805 7806 7809 7812 7815 7818 7824 5V 6V 9V 12V 15 18V 24V Cách mắc mạch điện Dạng mạch điện dùng vi mạch ổn áp 3 chân như hình trên trong đó tụ CI được thêm vào khi vi mạch đặt xa nguồn chỉnh lưu và lọc (nguồn DC chưa ổn định ) để ổn định điện áp ngõ vào có giá trị khỏang 0,33μF .Tụ điện ngõ ra Co khỏang vài nF để lọc nhiễu cao tần do các xung nhọn có thể làm hỏng các vi mạch . Điện áp ngõ vào Vmin = VO + 2V Vimax =35V Vậy Vo + 2V ≤ VI ≤ 35V 1.5.1. VI MẠCH ỔN ÁP ÂM ĐIỆN ÁP (HỌ 79XX) Vi mạch 78XX là vi mạch ổn áp dương cho điện áp ngõ ra dương. 79 ⇒ Biểu thị cho ổn áp âm (-). XX ⇒ Biểu thị điện áp ngõ ra. Ví dụ: 7915 ⇒ cho ra điện áp âm -15V . Dạng vỏ ngòai và ký hiệu chân 7812 1 2 3 IN OUT Vi Vo GND 9 Chân 1 : Nối mass (GND) Chân 2 : Ngõ vào (input) Chân 3 : Ngõ ra (output) Dòng ra cực đại của họ vi mạch 79XX * 79LXX (Low power) : Imax = 100mA. * 79MXX (Medium power) : Imax = 500mA. * 79XX : Imax = 1A ÷ 1,5A. * 79HXX (High power) : Imax = 5A. * 79PXX (Puissance power) : Imax = 10A. Bảng mã số điện áp ra Mã số Điến áp ngõ ra (V) 7905 7906 7909 7912 7915 7918 7924 -5V -6V -9V -12V -15V -18V -24V Cách mắc mạch điện Điện áp ngõ vào Vmin = VO - 2V Vimax = -35V Vậy -35V ≤ VI ≤ Vo - 2V 1.5.2. ỨNG DỤNG +) Mạch nguồn ổn áp 15V – 1A dùng 7812 7912 1 2 3 IN OUT Vi Vo GND 2 1 3 2 x 1N4002 1,5Ω/10W 7812 1KΩ 500 Ω 100μF 50V 0,22μF 1 2 3 Vo= 15V Imax= 1A 10 Biến thế nguồn có điện ra ở cuộn thứ cấp là 36V có chấu giữa (mỗi bên 18V) .Biến trở 500Ω dùng để điều chỉnhlúc đầu để có điện áp ra 15V .IC 7812 phải lắp cánh Nhôm giải nhiệt tốt. +) Mạch nguồn ổn áp 12V – 5A dùng 7812 Bộ nguồn dùng IC 7812 cần phải gắn giải nhiệt với Transistor T2 dùng để nâng định mức dòng điện lên 5A .Có bảo vệ đầy đủ cho ngắn mạch tải (bằng giới hạn dòng T1 và điện trở 0,3 Ω ) .Ngõ ra giảm xuống tức thời khi dòng điện ra vượt quá 5A , điện trở 0,3 Ω /60W .Biến thế cuộn thứ cấp có định mức 18V/8A. +) Mạch nguồn ổn áp 5V – 2A dùng 7805 Mạch nguồn ổn áp 5V – 2A có bảo vệ ngắn mạch .Transistor 3055 phải gắn giải nhiệt .Khi dòng ngõ ra vượt quá 2A làm áp rơi trên địện trở 0,22Ω lớn đủ để phân cực cho transistor A1015 dẫn cho dòng kích cho SCR 100-6 dẫn cấp dòng cho relay K tác động làm mở tiếp điểm thường đóng K ngắt nguồn ở ngõ ra. +) Mạch nguồn ổn áp kép ±15V dùng 7805 và 7915 Nếu có tải chung giữa 2 nguồn thì có thể xảy ra sự khóa mạch .Sự khóa mạch này xảy ra vì ổnáp 3 chân không chịu được điếnap ngược 1ớn hơn điện áp thuận sụt trên 1 diod .Để ngăn ngừa sự khóa mạch này ,thiết kế tốt nhất là đặt diod phân cực ngược ở mỗi ngõ ra của nguồn kép .Các diod sẽ không cần thiết nếu dùng tải từ đầu ra so với đất ,sự khóa mạch 2 x 1N4002 T2 HEP57003 3Ω 5W 0,3Ω 5000μF 50V 0,02μF 1 2 3 Vo= 12V Imax= 5A 5000μF 50V 7812 0,68μF 1nF 22μF 25V T1 HEP5003 2N3055 4,7K/1W K 2200μF 50V 0,22μF Vo= 5V Imax= 2A 7812 1 2 3 0,22 Ω /5W 1N4007 1N4007 K MCR 100-6 2SA1015 11 này có thể xảy ra ở thời điểm mở nguồn ,đặc biệt xảy ra nếu 1 điện áp vào tăng nhanh hơn điện áp vào kia Điều kiện khóa mạch thường ảnh hưởng đến ổn áp dương hơn là ổn áp âm .Các diod này ngăn điện áp ngược đến IC ổn áp và bảo vệ khi mở nguồn .Diod phải có định mức dòng ít nhấtằ2ng phân nữa của dòng ra .Các diod D1,D2 dùng để bảo vệ IC ổn áp ,D3, D4 dùng để tránh khóa mạch. 1.5.3. VI MẠCH ỔN ÁP CÓ ĐIỆN ÁP RA THAY ĐỔI ĐƯỢC Mặc dù ta có thể dùng IC ổn áp 3 chân lọai cố định để dùng trong các mạch ổn áp điều chỉnh được ,nhưng dòng tĩnh IQ từ chân GND của IC ổn áp 3 chân lọai cố định ảnh hưởng đến sai số điện áp ra .Do đó ,người ta chế tạo ra các IC ổn áp 3 chân điều chỉnh được vì lọai này có dòng tĩnh IQ từ chân ADJ (điều chỉnh) nhỏ hơn nhiều so với dòng tĩnh từ chân GND của lọai ổn áp 3 chân cố định. Có nhiều lọai IC ổn áp 3 chân điều chỉnh được như: - Lọai ổn áp dương có : LM 117 ,LM 217 ,LM 317 ,LM350 . Lọai ổn áp âm có : LM 337 . . . . - 1.5.3.1. ĐỐI VỚI IC ỔN ÁP DƯƠNG : * Chân 1: Chỉnh mức điện áp ra (ADJ). * Chân 2: Cho điện áp vào (Input). * Chân 3: Cho điện áp ra (Output). IC này có thể cấp dòng tải lên đến 1,5A mức điện áp ra thay đổi được trong khỏang từ 1,25V đến 37V .Chú ý đến điều kiện giải nhiệt cho IC .Với lá nhôm giải nhiệt tốt ,IC sẽ cấp dòng ra lớn mà vẫn ở trạng thái an tòan. 2200μF 50V 0,22μF Vo= +15V μA7815 1 2 3 μA7915 3 2 1 Vo= - 15V 2200μF 50V 0,22μF D1 D3 D4 D2 LM117 1 2 3 LM117L LM117M LM117 LM150 Cin 0.1μ Cout 1μ R2 R1 240 CAdj 10μ Vin Vout IAdj 12 Ta có công thức tính điện áp ra là: 2 1 2 )1(25,1 RI R RVV Adjout ++= Dòng IAdj rất nhỏ và không đổi (cỡ 100μA đối với LM117 và 50μA đối với LM317) ,do đó phần lớn ứng dụng có thể bỏ qua IAdj và khi đó: )1(25,1 1 2 R RVVO += 1.5.3.1.ĐỐI VỚI IC ỔN ÁP ÂM : * Chân 1: Chỉnh mức điện áp ra (ADJ). * Chân 2: Cho điện áp ra (Output). * Chân 3: Cho điện áp vào (Input). IC này cấp mức điện áp ra thay đổi được trong khỏang từ - 1,25V đến -37V .Chú ý đến điều kiện giải nhiệt cho IC .Với lá nhôm giải nhiệt tốt ,IC sẽ cấp dòng ra lớn mà vẫn ở trạng thái an tòan. Điện áp ngõ ra là: )1(25,1 1 2 R RVVO +−= 1.5.3.2 MỘT SỐ MẠCH ÚNG DỤNG: +) Mạch nguồn ổn áp điều chỉnh được (1,2V đến 17V )- 1,5A Mặc dù LM317 ổn định không cần có tụ ngõ ra ,nhưng bất cứ mạch hồi tiếp nào ,điện dung bên ngòai có thể gây mạch dao động .Hiệu ứng này xảy ra với các trị hiệu dụng nằm giữa từ 500pF đến 5000pF .Để triệt hiệu ứng này và bảo đảm ổn định ta dùng tụ hóa nhôm 10μF ở ngõ ra. LM337 Cin 0.1μ Cout 1μ R2 R1 240 CAdj 10μ Vin Vout IAdj 3 2 1 LM317 C1 2000μ F C3 10μF R2 5K R1 270 C2 10μ Vin 35V Vout 1,2V÷17V 1,5A IAdj D1 1N4002 D2 1N4002 13 C1 là tụ lọc nguồn theo sau phần chỉnh lưu và phải được nối gần với ngõ vào của IC ổn áp để có được ổn định tốt. Nếu ngõ vào bị ngắn mạch ,D1 sẽ rẽ dòng xả và bảo vệ IC ổn áp .Tương tự ,cả D1 và D2 để cho C2 xả qua ,khi ngõ vào ngắn mạch .Tụ ra C3 dùng để cải thiện đáp ứng quá độ của ổn áp. Trong cả 2 lọai ổn áp đều chỉnh được lọai dương (LM317) và lọai âm (LM337) có 1 diod bên trong đi từ ngõ ra về ngõ vào .Nếu tổng điện dung ra nhỏ hơn 25μF ta có thể không dùng diod D1 . +) Mạch nguồn ổn áp điều chỉnh từ 0V đến 35V Trong mạch dùng LM117là lọai IC chuẩn có điện áp ra chính xác là 1,22V ,có nhiễu rất thấp và độ ổn định nhiệt tốt . Ta có: V R RVVO 2,1)1(25,1 1 2 −+= Vo có thể điều chỉnh được từ 0V đến +35V LM117 C1 2000μ F C3 10μF R2 3K R1 120 C2 10μ Vin 35V Vout 0V÷35V IAdj R3 680 DZ 1,2V