Nguồn DC/DC

Mạch điều chỉnh điện áp LM317

Mạch điều chỉnh điện áp LM317 :  thường được sử dụng để điều chỉnh điện áp trong mạch DC. IC là một trong những bộ điều chỉnh điện áp dương có thể điều chỉnh phổ biến đi kèm với các tính năng như bảo vệ quá áp, hạn chế dòng điện bên trong, bảo vệ quá tải, dòng điện tĩnh thấp (cho đầu ra ổn định hơn) và bù diện tích an toàn (mạch bên trong của nó giới hạn mức tiêu tán điện tối đa vì vậy nó không tự hủy). Ngoài nhiều tính năng, số lượng thành phần cần thiết ít hơn để làm cho nó hoạt động. Vì vậy, bộ điều chỉnh LM317 rất dễ sử dụng và lắp ráp trong mạch.
Trong dự án này, nguồn điện có thể điều chỉnh sử dụng LM317 được thiết kế để đầu vào nguồn điện xoay chiều chính (220V-230V AC) và đầu ra điện áp DC dưới 12V. LM317 có điện áp đầu ra có thể điều chỉnh từ 1,28 V đến 11 V và tạo ra dòng điện tối đa 1,5 A.
Các bước thông thường của mạch nguồn được thiết kế được tuân theo trong khi lắp ráp mạch này bao gồm giảm điện áp AC, chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC, Làm mịn điện áp DC, Bù dòng quá độ, Điều chỉnh điện áp, Biến đổi điện áp và Bảo vệ ngắn mạch.

Linh kiện cần có Mạch điều chỉnh điện áp LM317

Hình 1: Danh sách các linh kiện cần thiết cho Nguồn điện có thể điều chỉnh dựa trên IC LM317

Sơ đồ khối Mạch điều chỉnh điện áp LM317

Hình 2: Sơ đồ khối của Bộ nguồn có thể điều chỉnh dựa trên IC LM317
Kết nối mạch 
Mạch được lắp ráp theo các bước thông thường của thiết kế mạch nguồn. Đối với bước xuống 230 V AC, một máy biến áp 12V – 0 -12V được sử dụng. Một đầu của cuộn dây thứ cấp của máy biến áp và băng trung tâm của nó được nối với bộ chỉnh lưu toàn cầu. Bộ chỉnh lưu cầu đầy đủ được xây dựng bằng cách kết nối bốn điốt SR560 với nhau được chỉ định là D1, D2, D3 và D4 trong sơ đồ. Cực âm của Đ1 và cực dương của Đ2 được nối với một trong các cuộn dây thứ cấp và cực âm của D4 và cực dương của D3 được nối với băng giữa. Các cực âm của D2 và D3 được kết nối từ đó một đầu cuối được đưa ra cho đầu ra của bộ chỉnh lưu và cực dương của D1 và D4 được kết nối từ đầu cuối khác được đưa ra cho đầu ra từ bộ chỉnh lưu toàn sóng. 
Một tụ điện 0,1 uF (được hiển thị như C1 trong sơ đồ) được kết nối giữa các đầu ra của bộ chỉnh lưu toàn sóng để làm trơn. Để điều chỉnh điện áp, LM317 được kết nối song song với tụ làm mịn. Một biến trở được kết nối trong cấu hình bộ chia điện trở với IC điều chỉnh để điều chỉnh điện áp và tụ điện 1 uF (được hiển thị như C2 trong sơ đồ) được kết nối song song ở đầu ra để bù dòng quá độ. Có một diode được kết nối giữa các cực điện áp đầu vào và điện áp đầu ra của IC ổn áp để bảo vệ ngắn mạch.
Lấy sơ đồ được vẽ hoặc in ra giấy và thực hiện từng kết nối một cách cẩn thận. Chỉ sau khi kiểm tra từng kết nối được thực hiện chính xác, hãy cắm mạch nguồn vào nguồn điện AC.

Hoạt động

Mạch nguồn được thiết kế ở đây lấy đầu vào từ nguồn cung cấp AC chính và có mạch được lắp ráp theo các giai đoạn sau: 
1. Chuyển đổi AC sang AC
2. Chuyển đổi AC sang DC – Chỉnh lưu toàn sóng
3. Làm mịn 
4. Bù dòng điện thoáng qua
5. Quy định điện áp 
6. Điều chỉnh điện áp
7. Bảo vệ ngắn mạch 
Chuyển đổi AC sang AC
Điện áp của Nguồn cung cấp chính là khoảng 220-230V AC và cần được giảm thêm xuống mức 12V. Để giảm nguồn điện xoay chiều 220V xuống còn nguồn điện xoay chiều 12V, người ta sử dụng một máy biến áp hạ bậc có vòi ở giữa. Việc sử dụng máy biến áp trung tâm cho phép tạo ra cả điện áp dương và âm ở đầu vào, tuy nhiên chỉ điện áp dương sẽ được lấy từ máy biến áp. Mạch có một số giảm điện áp đầu ra do mất điện trở. Do đó cần phải sử dụng máy biến áp có định mức điện áp cao hơn 12 V yêu cầu. Máy biến áp phải cung cấp dòng điện 1,5 A ở đầu ra. Biến áp bước xuống phù hợp nhất đáp ứng các yêu cầu về điện áp và dòng điện đã đề cập là 12V-0-12V / 2A. Bước biến áp này giảm điện áp đường dây chính xuống +/- 12V AC, như trong hình dưới đây. 
Hình 3: Ký hiệu mạch của Máy biến áp 12-0-12 V
Chuyển đổi AC sang DC – Chỉnh lưu toàn sóng
Điện áp xoay chiều bước xuống cần được chuyển đổi thành điện áp một chiều thông qua chỉnh lưu. Chỉnh lưu là quá trình biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều. Có hai cách để chuyển đổi tín hiệu AC sang DC. Một là chỉnh lưu nửa sóng và một là chỉnh lưu toàn sóng. Trong mạch này, một bộ chỉnh lưu cầu toàn sóng được sử dụng để chuyển đổi 24V AC thành 24V DC. Chỉnh lưu toàn sóng hiệu quả hơn chỉnh lưu nửa sóng vì nó cung cấp khả năng sử dụng hoàn toàn cả mặt âm và dương của tín hiệu AC. Trong cấu hình chỉnh lưu cầu toàn sóng, bốn điốt được kết nối theo cách mà dòng điện chạy qua chúng chỉ theo một hướng dẫn đến tín hiệu DC ở đầu ra. Trong quá trình chỉnh lưu toàn sóng, tại một thời điểm hai điốt bị phân cực thuận và hai điốt khác bị phân cực ngược. 
Hình 4: Sơ đồ mạch của bộ chỉnh lưu toàn sóng
Trong nửa chu kỳ dương của nguồn cung cấp, điốt D2 và D4 dẫn nối tiếp trong khi điốt D1 và D3 được phân cực ngược và dòng điện chạy qua cực đầu ra đi qua D2, đầu ra và D4. Trong nửa chu kỳ âm của nguồn cung cấp, điốt D1 và D3 dẫn nối tiếp, nhưng điốt D4 và D2 ​​được phân cực ngược và dòng điện chạy qua D1, đầu nối đầu ra và D3. Hướng của cả hai chiều dòng điện qua đầu nối đầu ra trong cả hai điều kiện vẫn như nhau.
                                           Hình 5: Chu kỳ âm trong Bộ chỉnh lưu toàn sóng                                                                                 
Hình 6: Chu kỳ tích cực trong Bộ chỉnh lưu toàn sóng
Các điốt SR560 được chọn để chế tạo bộ chỉnh lưu toàn sóng vì chúng có định mức dòng thuận (trung bình) tối đa là 2A và trong điều kiện phân cực ngược, chúng có thể duy trì điện áp nghịch đảo đỉnh lên đến 36V. Đó là lý do tại sao, điốt SR560 được sử dụng trong dự án này để chỉnh lưu toàn sóng. 
Làm mịn cho Mạch điều chỉnh điện áp LM317 
Làm mịn là quá trình lọc tín hiệu DC bằng cách sử dụng tụ điện. Đầu ra từ bộ chỉnh lưu toàn sóng không phải là điện áp một chiều ổn định. Đầu ra từ bộ chỉnh lưu có tần số gấp đôi nguồn cung cấp chính nhưng có gợn sóng. Do đó, nó cần được làm mịn bằng cách kết nối một tụ điện song song với đầu ra của bộ chỉnh lưu toàn sóng. Tụ điện sạc và phóng điện trong một chu kỳ tạo ra điện áp một chiều ổn định làm đầu ra. Vì vậy, một tụ điện (được hiển thị như C1 trong sơ đồ) có giá trị cao được kết nối với đầu ra của mạch chỉnh lưu. Vì DC được chỉnh lưu bằng mạch chỉnh lưu có nhiều gai xoay chiều và các gợn sóng không mong muốn, do đó, để giảm các tụ điện có gai này được sử dụng. Tụ điện này hoạt động như một tụ điện lọc bỏ qua tất cả các dòng điện xoay chiều qua nó để nối đất. Ở đầu ra, điện áp DC trung bình còn lại mượt mà và không có gợn sóng.  
Hình 7: Sơ đồ mạch làm trơn tụ điện
Bù dòng điện quá độ
Tại các đầu ra của mạch nguồn, một tụ điện (được hiển thị như C2 trong sơ đồ) được mắc song song. Tụ điện này giúp phản ứng nhanh với quá độ tải. Bất cứ khi nào dòng tải đầu ra thay đổi thì sẽ có sự thiếu hụt dòng điện ban đầu, có thể được đáp ứng bởi tụ điện đầu ra này. 
Sự thay đổi dòng điện đầu ra có thể được tính bằng
Dòng điện đầu ra, Iout = C (dV / dt) trong đó
dV = Độ lệch điện áp cho phép lớn nhất
dt = Thời gian phản hồi tạm thời
Coi dv = 100mV
dt = 100us
Trong đoạn mạch này, một tụ điện có cường độ 1 uF được sử dụng, 
C = 1uF
Iout = 1 u (0,1 / 100u)
Iout = 1 mA
Bằng cách này, có thể kết luận rằng tụ điện đầu ra sẽ đáp ứng sự thay đổi dòng điện 1 mA với thời gian đáp ứng nhất thời là 100 us.
Hình 8: Sơ đồ mạch cho bù dòng điện quá độ
Điều chỉnh điện áp Mạch điều chỉnh điện áp LM317 
LM317 được sử dụng để điều chỉnh điện áp. LM317 là IC điều chỉnh điện áp dương nguyên khối. Là nguyên khối, tất cả các thành phần được xây dựng trên cùng một chip bán dẫn làm cho vi mạch có kích thước nhỏ, tiêu thụ điện năng ít hơn và giá thành rẻ. IC có ba chân – 1) Chân đầu vào nơi có thể cung cấp tối đa 40 V DC, 2) Chân đầu ra cung cấp điện áp đầu ra trong phạm vi từ 1,25 V đến 37 V và 3) Chân điều chỉnh được sử dụng để thay đổi điện áp đầu ra tương ứng đến điện áp đầu vào được áp dụng. Đối với đầu vào lên đến 40 V, đầu ra có thể thay đổi từ 1,25 V đến 37 V. 
Có một OPAM (Bộ khuếch đại hoạt động) tích hợp trên IC có đầu vào đảo ngược được kết nối với chân điều chỉnh. Đầu vào không đảo được thiết lập bởi tham chiếu điện áp dải cấm có điện áp độc lập với nhiệt độ, nguồn điện và tải mạch. Do đó, LM317 cung cấp điện áp tham chiếu ổn định 1,25 V trên chân điều chỉnh của nó. Điện áp tham chiếu của 317 có thể từ 1,2 V đến 1,3 V. Điện áp đầu ra của 317 có thể được điều chỉnh trong một phạm vi cài đặt bằng cách sử dụng mạch phân chia điện trở giữa đầu ra và đất. 
Để thiết lập điện áp mong muốn ở đầu ra của LM317, mạch phân áp điện trở được sử dụng giữa chân đầu ra và đất. Bằng hiệu ứng của cấu hình này, điện áp ở chân đầu ra có thể được điều chỉnh. Giá trị của bộ phân áp điện trở cần phải được chọn sao cho nó có thể cung cấp dải điện áp yêu cầu ở đầu ra. Mạch phân áp có một điện trở lập trình có điện trở cố định (Hiển thị dưới dạng R1 trong sơ đồ) và một điện trở khác là biến trở (Hiển thị dưới dạng R2 trong sơ đồ). Bằng cách thiết lập một tỷ lệ hoàn hảo của điện trở phản hồi (điện trở cố định) và biến trở có thể thu được điện áp đầu ra mong muốn tương ứng với điện áp đầu vào. 
317 cung cấp điện áp tham chiếu ổn định 1,25 V qua chân điều chỉnh. Điều này có nghĩa là cũng có một điện áp giảm liên tục trên R1. Dòng tại chân điều chỉnh cũng không đổi và trong khoảng từ 50 uA đến 100 uA. Do đó dòng điện không đổi chạy qua R1 cũng như R2. Do đó, tổng điện áp rơi trên R1 và R2 cho Vout như sau: 
Vout = Vref * (1+ (R2 / R2))
Một số lượng dòng điện tĩnh cũng chạy từ chân điều chỉnh, dòng điện này thêm một số lỗi trong phương trình trên làm cho đầu ra không ổn định. Đó là lý do tại sao, vi mạch được thiết kế theo cách mà dòng điện Quiescent phải duy trì trong microampe để làm cho đầu ra ổn định. 
Vout = Vref * (1 + (R2 / R2)) + Iq * R2
Ở đâu, 
Iq = dòng tĩnh là dòng chảy từ chốt điều chỉnh khi mạch không chạy bất kỳ tải nào.
Vì Iq bằng 100 uA, do đó, số hạng Iq * R2 rất nhỏ và có thể bị bỏ qua trong phương trình. 
LM317 cung cấp dòng tải tối thiểu 10mA. Do đó để duy trì điện áp chuẩn không đổi là 1,25V, giá trị nhỏ nhất của điện trở phản hồi là
R1 = 1,25 / Imin
R1 = 1,25V / 0,010 = 125 ohm
Phạm vi của biến trở R1 là từ 125 ohms đến 1000 ohm và giá trị điển hình của R1 là từ 220 ohms đến 240 ohms để ổn định tốt hơn. Bằng cách sử dụng phương trình trên, giá trị của R2 cũng có thể được tính toán. 
LM317 có công suất tiêu tán bên trong có thể chịu được sau: 
Pout = (Nhiệt độ hoạt động tối đa của IC) / (Điện trở nhiệt, Mối nối − với-Môi trường + Điện trở nhiệt, Mối nối − đến − trường hợp)
Pout = (150) / (65 + 5) (giá trị theo biểu dữ liệu)
Bĩu môi = 2 W
Do đó, bên trong LM317 có thể duy trì mức tiêu tán công suất lên đến 2 W. Trên 2 W, IC sẽ không chịu được lượng nhiệt sinh ra và bắt đầu cháy. Điều này cũng có thể gây ra nguy cơ hỏa hoạn nghiêm trọng. Vì vậy cần có tản nhiệt để tản nhiệt quá mức từ IC. 
Điều chỉnh điện áp
Điện áp đầu ra có thể được thay đổi bằng cách sử dụng chân điều chỉnh của IC LM317. Biến trở R1 được sử dụng để thay đổi điện áp ở đầu ra từ 1,28 V đến 11 V. 
Bảo vệ ngắn mạch cho Mạch điều chỉnh điện áp LM317 
Một diode D5 được kết nối giữa đầu vào điện áp và đầu ra điện áp của 317 IC để nó có thể ngăn tụ điện bên ngoài phóng điện qua IC khi ngắn mạch đầu vào. Khi đầu vào bị ngắn mạch thì cực âm của diode ở điện thế nối đất. Cực dương của diode ở điện áp cao kể từ khi C2 được sạc đầy. Do đó trong trường hợp như vậy, diode được phân cực thuận và tất cả dòng phóng điện từ tụ điện đi qua diode xuống đất. Điều này giúp tiết kiệm IC LM317 khỏi dòng ngược.
Hình 9: Sơ đồ mạch bảo vệ ngắn mạch

Kiểm tra và Đề phòng

Các biện pháp phòng ngừa sau đây cần được thực hiện khi lắp ráp mạch điện: 
•  Định mức dòng điện của biến áp bậc xuống, điốt cầu và IC điều áp phải lớn hơn hoặc bằng dòng điện yêu cầu ở đầu ra. Nếu không, nó sẽ không thể cung cấp dòng điện cần thiết ở đầu ra.
•  Định mức điện áp của máy biến áp bước xuống phải lớn hơn điện áp đầu ra yêu cầu tối đa. Điều này là do thực tế là, IC 317 có điện áp giảm khoảng 2 đến 3 V. Do đó điện áp đầu vào phải lớn hơn điện áp đầu ra tối đa 2V đến 3V và phải nằm trong giới hạn của điện áp đầu vào của LM317.
•  Các tụ điện được sử dụng trong mạch phải có định mức điện áp cao hơn điện áp đầu vào. Nếu không, các tụ điện sẽ bắt đầu rò rỉ dòng điện do điện áp dư thừa tại các tấm của chúng và sẽ bùng phát.
•  Một tụ điện nên được sử dụng ở đầu ra của bộ chỉnh lưu để nó có thể xử lý nhiễu nguồn không mong muốn. Tương tự, nên sử dụng tụ điện ở đầu ra của bộ điều chỉnh để xử lý các thay đổi tức thời nhanh và nhiễu ở đầu ra. Giá trị của tụ điện đầu ra phụ thuộc vào độ lệch điện áp, biến thiên dòng điện và thời gian đáp ứng quá độ của tụ điện.
•  Phải luôn sử dụng một diode bảo vệ trong khi sử dụng tụ điện sau IC điều chỉnh điện áp, để ngăn IC khỏi dòng ngược khi phóng điện của tụ điện.
•  Để dẫn động tải cao ở đầu ra, tản nhiệt nên được gắn ở các lỗ của bộ điều chỉnh. Điều này sẽ ngăn không cho vi mạch bị thổi tắt do tản nhiệt.
•  Vì IC điều chỉnh chỉ có thể tạo ra dòng điện lên đến 1,5 A, nên cần kết nối cầu chì 1,5 A. Cầu chì này sẽ giới hạn dòng điện trong bộ điều chỉnh lên đến 1,5 A. Đối với dòng điện trên 1,5 A, cầu chì sẽ tắt và điều này sẽ cắt nguồn cung cấp đầu vào khỏi mạch. Điều này sẽ bảo vệ mạch và IC điều chỉnh khỏi dòng điện lớn hơn 1,5 A.
Khi mạch đã được lắp ráp, đã đến lúc kiểm tra nó. Cắm mạch vào nguồn cung cấp chính và thay đổi biến trở. Dùng đồng hồ vạn năng đo điện áp và dòng điện ở đầu ra của mạch nguồn. Sau đó kết nối các điện trở cố định làm tải và kiểm tra lại các chỉ số điện áp và dòng điện. 
Tại các thiết bị đầu cuối đầu ra, điện áp đầu vào là 12V và khi điều chỉnh điện trở thay đổi, điện áp đầu ra đọc trong khoảng 1,28 đến 11 V khi không tải được kết nối. 
Sau khi đặt điện áp đầu ra thành 11V và kết nối với tải 20 ohms, điện áp đầu ra được đọc là 10,4V và đo được dòng điện đầu ra là 520 mA, do đó công suất tiêu tán ở tải có điện trở 20 Ω như sau: 
Pout = (Vin – Vout) * Iout
Bĩu môi = (12-11) * 0,520
Bĩu môi = 0,52W
Trong quá trình thử nghiệm mạch, người ta thấy rằng khi nhu cầu dòng điện tăng lên ở đầu ra thì điện áp đầu ra bắt đầu giảm. Khi nhu cầu hiện tại tăng lên, IC 317 bắt đầu nóng lên và IC giảm nhiều hơn trên nó làm giảm điện áp đầu ra. Mặc dù theo kinh nghiệm thực tế ở trên, công suất tản nhiệt trong IC nằm trong giới hạn cho phép bên trong, nhưng vẫn nên sử dụng tản nhiệt để giúp làm mát vi mạch và tăng tuổi thọ của vi mạch. 
Mạch nguồn được thiết kế trong dự án này có thể được sử dụng như một bộ điều chỉnh nguồn dòng không đổi hoặc một nguồn điện có thể điều chỉnh từ 1,25 V đến 37V DC. 

Sơ đồ Mạch điều chỉnh điện áp LM317

Tham khảo: Thiết kế mạch buck converter

Có thể bạn quan tâm

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Back to top button