TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
====o0o====

Đồ Án Thiết Kế Mạch Điện Tử
ĐỀ TÀI:

Thiết Kế Role Điện TỬ Bảo Vệ Quá áp Và Thấp Áp
Sinh viên:Nguyễn Văn Đàm
Mssv

: 1421060063

Lớp : Điện- Điện tử A – K59
Nhóm :
Gvhd:Gs .Ts Kim Ngọc Linh

Hà Nội Ngày 03 Tháng 11 Năm 2017
Mô Tả đề Tài:TK-07 . ĐA 39


- Thiết kế rơle bảo vệ quá áp và thấp áp thỏa mãn các thông số kỹ thuật sau:
- Điện áp vào cần khống chế 3,5 Uv 7,4 v
- Rơle điện từ loại 12VDC , Idm = 70mA
- Thời gian trễ có thể điều chỉnh từ 3,5 giây đến 12 giây
- Phần tử so sánh và tạo thời gian trễ dùng vi mạch thuật toán
- P hần tử thừa hành dùng TranZito loại NPN
- Khi điện áp vào nằm trong dải 3,5 Uv 7,4 v thì rơle điện từ không được
cấp điện
- Sơ đồ tham khảo TK- Yêu cầu:

- Yêu cầu:
- Thuyết minh sơ đồ nguyên lý
- Tính chọn các linh kiện (chọn theo tiêu chuẩn)
- Thiết kế nguồn nuôi cho rơle được lấy từ lưới 220v-50Hz
Mô phỏng mạch thiết kế
- Sơ đồ TK-07:

2


Phần 1 :Thuyết minh hoạt động sơ đồ nguyên lý:
 Khi điện áp đầu vào của mạch rơle nằm trong khoảng Ung1 Uv Ung2 thì
Các bộ so sánh OA1, OA2 làm việc ở trạng thái bão hòa dương (với OA1 so sánh điện áp
cao và Oa2 so sánh điện áp thấp ) , điốt D1,D2 khóa , khi đó bộ so sánh OA3 làm việc ở
chế độ bão hòa âm ( để đảm bảo khi diots d1,D2 khóa OA3 bão hòa âm chọn điện áp
ngưỡng tạo bởi phân áp R8-R9 đảm bảo Oa3 bão hòa âm ). Khi đó tụ C không được nạp
điện. Đặt Ung4 đảm bảo để khuếch đại thuật toán OA4 làm việc ở chế độ khóa Ura4 làm
cho BJT phân cực ngược khi đó rơle không có điện và không làm việc
 Khi điện áp đầu vào Uv của mạch rơle Uv Ung1 khi đó bộ so sánh OA1 vẫn bão hòa
dương còn bộ so sánh OA2 sẽ lật trạng thái từ bão hòa dương sang bão hòa âm khi đó
điốt D2 sẽ dẫn làm điện áp ngưỡng tạo bởi phân áp R8-R9 giảm xuống nhỏ hơn Ung3 làm
bộ so sánh OA3 lật trạng thái từ bão hòa âm sang bão hòa dương Ubh+ 10,5V, khi đó tụ C
được nạp điện (Uc>Ung4) làm khuếch đại thuật toán OA4 lật trạng thái từ bão hòa âm sang
bão hòa dương Ubh+ 10,5V => Ura4 = Ubh + làm BJT phân cực thuận và dẫn bão hòa và
rơle có điện và tác động
 Khi điện áp đầu vào Uv của mạch rơle Uv Ung2 khi đó bộ so sánh OA2 vẫn bão hòa
dương còn bộ so sánh OA1 sẽ lật trạng thái từ bão hòa dương sang bão hòa âm khi đó
điốt D1 sẽ dẫn làm điện áp ngưỡng tạo bởi phân áp R8-R9 giảm xuống nhỏ hơn Ung3 làm
bộ so sánh OA3 lật trạng thái từ bão hòa âm sang bão hòa dương Ubh+ 10,5V, khi đó tụ C
được nạp điện (Uc>Ung4) làm khuếch đại thuật toán OA4 lật trạng thái từ bão hòa âm sang

bão hòa dương Ubh+ 10,5V => Ura4 = Ubh + làm BJT phân cực thuận và dẫn bão hòa và
rơle có điện và tác động

3


Phần 2 :Sơ đồ khối các khâu của mạch nguyên lý

Phần 3 :Tính toán và chọn linh kiện các khâu của mạch rơle bảo vệ quá áp và thấp áp:
I.

Tính toán khâu thừa hành:

- sơ đồ :

-Điện trở của rơle :
Rrl = = =171 (Ω)

4


1. Tính toán dòng mở bão hòa của BJT:
Ics = = 70 (mA)
2. Chọn BJT
-Điều kiện chọn BJT
Ucmax > Ec

Icmax > Ics
 Chọn BJT loại NPN kí hiệu BC108 có Icmax = 0,1 (A), UCEmax = 20 (V) , βmin
= 110

3. Tính toán dòng cực gốc bão hòa của BJT
IBS = = =0,6 mA

4. Chọn dòng cực gốc tính toán.
IB =Kbh. IBS = 1,5.0,6 =0,9 mA
5. Chọn dòng qua điện trở R15.
I2 = 2IB =2.0,9 = 1,8 mA
6. Tính R15.
R15 = = (Ω)
PR15 = kat.R15.( =2.390.( = 2,5 mA

 Chọn diện trở R15 có giá trị điên trở 330 Ω, công suất 0,125 W.
7. Tính chọn điện trở R14

R14 = = 3,62 K(Ω)
PR4 = Kat. R14 .(3 = 2.3,62.. (3.0,9. = 0,052W
=> Chọn điện trở R14 có giá trị điện trở 3,9K Ω , công suất 0,125W.
8. Chọn Điốt D3.

-Điều kiện chọn :
 Ungmax > Ec
 Iadm > Ics
=> Chọn Điốt D3 loại : 1N4001 có Ungmax =50v
Iadm = 1ª

5


II.


Tính toán khâu tạo trễ:

- sơ đồ :

1. Chọn khuếch đại thuật toán OA4 loại LM741 có = 10,5 V
2. Chọn dòng qua phân áp R12- R13
IR = 1mA
3. Tổng trở của phân áp.
( R12 + R13 ) = = = 12 K(Ω)

4. Tính R13 : ( chọn Ung4 = 5V )
R13 = . ( R12 + R13 ) = . ( R12 + R13 ) = 5 K(Ω).

 Chọn điện trở R13 có giá trị điện trị điện trở là 5,1 K(Ω) , công suất 0,125w
5. Tính điện trở R12 :
R12 = ( R12 + R13 ) - R13 = 6,9 K(Ω).

 Chọn điện trở R12 có giá trị điện trị điện trở là 6,8 K(Ω) , công suất 0,125
6.Chọn tụ C loại 10uF – 25v.

6


7.Tính chọn điện trở R16 tương ứng với thời gian trễ 3,5s:
R16 = = = 540 K(Ω).
=> Chọn điện trở R16 có giá trị điện trị điện trở là 510 K(Ω) , công suất 0,5w
8.Tính chọn biến trở VR4 tương ứng với thời gian trễ 12s:
( V R4 + R16 ) = = = 1,855 M(Ω).

 VR4 = ( V R4 + R16 ) - R16 = 1,355 M(Ω).

 Chọn biến trở VR4 có giá trị 1 M(Ω), công suất 0,25 w
III.

Tính toán và chọn linh kiện khâu so sánh:

- sơ đồ:

7


 Tính toán và chọn linh kiện khâu so sánh thấp áp :
-sơ đồ:

- Chọn điện trở hạn chế đầu vào của OA2
R7 = 10 K(Ω)
1. Chọn bộ so sánh OA2 loại LM339 có = 10,5 V
2. Chọn Điốt ổn áp 2.
- theo yêu cầu đề bài có = 3,5 V
=> chọn điốt ổn áp 2 loại KC168A có Uz = 6,8V
Iz = 10mA
3. Tính chọn điện trở R2.

R2 = = = 520 (Ω)
 Chọn điện trở R2 lạo có giá trị điện trở 560 (Ω), cong suất 0,125w
4. Tính chọn điện trở R4:
Chọn dòng qua phân áp Ipa = = 1mA

= => R4 = = 3,5 (KΩ).

8



 họn điện trở R4 có giại điện trở 3,3 KΩ , công suất 0,125w
5. Tính chọn chiết áp VR2
=

=  3,5 = 3300

 VR2 = 3,11 (KΩ)
 Chọn chiết áp VR2 có giá trị điện trở 5 KΩ , công suất 0,5w

7.Chọn điốt DD2 loại 1N4001 có có Ungmax =50v
Iadm = 1A

 Tính toán và chọn linh kiện khâu so sánh quá áp :
- sơ đồ:

1. Chọn điện trở hạn chế đầu vào của OA1
R6 = 10 K(Ω)

9


2. Chọn bộ so sánh OA1 loại LM339 có = 10,5 V
3. Chọn Điốt ổn áp 1.
- theo yêu cầu đề bài có = 7,4 V
=> chọn điốt ổn áp 2 loại KC182A có Uz = 8,2V
Iz = 10mA
4. Tính chọn điện trở R1.


R1 = = = 380 (Ω)
 Chọn điện trở R1 lạo có giá trị điện trở 330 (Ω), cong suất 0,125w
5. Tính chọn điện trở R3:
Chọn dòng qua phân áp Ipa = = 1mA

= => R3 = = 7,4 (KΩ).
 họn điện trở R3 có giại điện trở 7,5 KΩ , công suất 0,125w
6. Tính chọn chiết áp VR1
=

=  7,4 = 7400

 VR1 = 800 (Ω)
 Chọn chiết áp VR1 có giá trị điện trở 1 KΩ , công suất 0,5w
7.Chọn điốt DD1 loại 1N4001 có Ungmax =50v
Iadm = 1A
 Tính toán và chọn linh kiện khâu so sánh chung:

- tính toán
10


Chọn Ung3min = 3V ; Ung3max = 4V
1. Chọn dòng qua phân áp : IR = 1mA
2. Tính tổng trở của phân áp :
(R10 + VR3 + R11) = = 12 (KΩ)
3. Tính chọn điện trở R11 :
R11 = .( ) = . 12 = 3 (KΩ)
PR11 = Kat. R11 . = 2.3000 . = 6 (mW)


 Chọn điện trở R11 có giá trị điện trở 3 KΩ , công suất 0,125w
4. Tính trị số ):
) = .( )
= = 4000 (Ω) = 4 (KΩ)
5. Tính trị số và chọn chiết áp VR3:
= ( ) - = 4 – 3 = 1 (KΩ)
PVR = Kat . VR3 . = 2.1000.( = 2 (mW)
=> Chọn chiết áp VR3 có giá trị điện trở 1 (KΩ), công suất 0,125W
6. Tính chọn điện trở R10:
= ( ) – ) = 12- 4 = 8 (KΩ).
PR10 = Kat . R10 . = 2.8000.( = 16 (mW)
=> Chọn điện trở R10 có giá trị điện trở 8,2 (KΩ), công suất 0,125W
7. Tính phạm vi điều chỉnh ngưỡng thực tế từ các điện trở chuẩn:
= . = = 2,95 (V)
= . ) = = 3,93 (V)
8. Chọn IC so sánh OA3 lại LM339 có = 10,5 V
9. Tính chọn điện trở :
Chọn điện áp rơi trên điện trở khi điốt D1, D2 khóa là 5V
Dòng điện qua phân áp R8-R9 là : IR = 1mA

11


- Tổng trở của phân áp :
R8 + R9 = = = 12 (KΩ),
- Điện trở
R9 = = = 5000 (Ω) = 5 (KΩ)
PR9 = Kat . R9 . = 2.5000.( = 10 (mW)
=> Chọn điện trở R9 có giá trị điện trở 5,1 (KΩ), công suất 0,125W
10. Tính chọn điện trở R8 :

R8 = ( R8 + R9 ) – R9 = 12 -5,1 = 6,9 (KΩ),
PR8 = Kat . R8 . = 2.6900.( = 13,8 (mW)
=> Chọn điện trở R8 có giá trị điện trở 6,8 (KΩ), công suất 0,125W

 Thiết kế nguồn nuôi cho role được lấy điện từ lưới 220V – 50Hz :

I. Tính toán nguồn nuôi :
*) Công suất tiêu thụ của mạch :
-

Công suất tiêu thụ của khâu thừa hành (Role) :

P1 = Idm.Udm = 70..12 = 0,84 W

- Công suất tiêu thụ của các bộ so sánh và KĐTT OA :
P2 = 4.0,68 = 2,72 (W)
Công suất tiêu thụ trên các tải phân áp :
P3 = 5.(1..ECS) = 5..12 = 0,06 W

-

Công suất tiêu thụ trên toàn mạch là :

Ptt = kdt( P1 + P2 + P3 ) = 1,4.(0,06+2,72+0,84) = 5,068W

12


- Tính toán dòng tải của mạch rơle :


Id = IRL + n.IOA + m.IPA = 70. + 4.60. + 5. = 315.
= 315.

(A)

= 315 (mA)

 Chọn dòng tải của mạch Id = 400mA ; Điện áp U0 = 12V DC

II.

Thiết kế biến áp nguồn :
1. Tính toán công suất biến áp nguồn :

*Sơ đồ:

(hình vẽ)
Sba = ksd.Ptt + = 1,23.5,068 + 4.0,7. = 6,79 VA

 Chọn biến áp nguồn có công suất : Sba = 10 VA

6. Tính toán thông số kết cấu MBA nguồn:
Sba = 10VA Suy ra : n0 = 23,3
(1). Tính từ thông cực đại :
13


= = =1,93. Wb
(2). Tính tiết diện lõi:
Qi = = = 1,93 ; Bm = 1,0

(3). Tính tiết diện thô của lõi :
QG = = = 214 ;

kec = 0,9 ,hệ số ép chặt

(4). Chọn tiết diện vuông suy ra bề rộng của phiến trung tâm
A = = =14,6



Chọn phiến Sankey số 34 có :
A = 15,9
B = 79,5
C = 63,5
D = E =12,7

(5). Tính diện tích cửa sổ có sẵn :

Scscs = ((C-2E) = ().(63,5-2.12,7)
= 727,7
(6) Thiết kế cuộn dây :
Ta có : Udtb = = = 21 V
Ud0 = 1,2.Utb = 1,2.21 = 25,2 V

U1 = 220V

U2 = = = 28V
(7). Tính dòng sơ cấp:

I1 = = = 0,05 A ; 0,8

(8). Tính tiết diện dây sơ cấp :
14


F1 = = = 0,02 ; J = 2,3

(9). Tính đường kính dây sơ cấp từ :
F1 =

d1 = 1,13 = 0,16 (mm)

 Chọn = 0,16 mm ; = 0,185 mm
(10). Tính số vòng cuộn dây sơ cấp :
n1 = n0.U1 = 23,3.220 = 5126 (vòng)
(11). Tính dòng thứ cấp ( Tải không chỉnh lưu ) :
I2 = = = 0,15 (A)
(12). Tính tiết diện dây thứ cấp :
F2 = = = 0,06
(13). Tính đường kính dây thứ cấp :
d2 = 1,13 = 1,13 = 1,13 = 0,28 mm

 Chọn = 0,28 mm ; = 0,316 mm
(14). Tính số vòng cuộn dây thứ cấp :
n2 = 1,05.n0.U2 = 1,05.23,3.28 = 685 vòng
(15). Diện tích cửa sổ yêu cầu cho cuộn sơ cấp :
= = = 0,026

= = 166,7
(16). Diện tích cửa sổ yêu cầu cho cuộn thứ cấp :


= = = 0,078
= = 66,78

(17). So sánh cửa sổ yêu cầu với cửa sổ có sẵn:
- Lấy dư 25 tính được diện tích cửa sổ yêu cầu :

15


Scsyc = 1,25( + ) < Scscs
= 1,25(166,7 + 66,78)

= 291,85 < Scscs = 727,7

(18). Tính số phiến và khối lượng dây :
 Số phiến yêu cầu bằng , t : chiều dài một phiến

= 45 phiến

 Tính bè rộng cuộn dây trên lõi :

H = = = 7,6

 Tính chiều dài trung bình một vòng dây

= 4(A + + ) = 4(15,9 + + = 94
 Khối lượng dây đồng cho cả cuộn sơ cấp và thứ cấp :

= = = 0,02
= = = 0,06


G = (. + .).g ; g = 8,9
= 94(0,02.5126 + 0,06.685).8,9.
120 (g)

16


III.Tính toán và chọn linh kiện khâu chỉnh lưu và ổn áp

- Sơ đồ :

1. Chọn điốt D1,D2,D3,D4 loại 1N4001 có : Ungmax =50v
I adm = 1A
2. Chọn IC ổn áp IC7812 có Udm = 12 V
Imax = 1A
3. Chọn tụ C1 là tụ phân cực loại 10uF - 25 V

4. Chọn tụ C2 ,3 là tụ không phân cực loại : 33pF

VI. Mô phỏng mạch rơ le bảo vệ quá áp và thấp áp:

17


1. Điện áp Uv nằm trong khoảng 3,5v < Uv < 7,4v

- Khi Uv trong khoảng này thì BJT sẽ khóa rơle không có điện , điện áp rơi
trên


cuộn hút rơle = 0 , đèn led D6 sẽ tắt

18


2. Điện áp Uv < 3,5v

- Khi Uv < 3,5V thì khi đó BJT sẽ dẫn rơle có điện và sẽ tác động, điện áp
rơi trên cuộn hút rơle = 11,8V , Đèn LED D6 sẽ sáng

19


3. Điện áp Uv > 7,4V

- Khi Uv > 7,4V thì khi đó BJT sẽ dẫn rơle có điện và sẽ tác động, điện áp
rơi trên cuộn hút rơle = 11,8V , Đèn LED D6 sẽ sáng

20


21