TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Lý do chọn đề tài
Nguồn năng lượng sạch và thân thiện với môi trường đang trở thành mục tiêu hàng đầu của xã hội Đối với các phương tiện giao thông truyền thống như ô tô và xe máy, cần có một nguồn năng lượng mới thay thế cho nhiên liệu hóa thạch, vốn sẽ cạn kiệt trong vài thập kỷ tới Do đó, năng lượng điện đang được ưu tiên phát triển, vì đây là nguồn năng lượng sạch và vô hạn.
Với sự phát triển nhanh chóng của xe điện, người tiêu dùng ngày càng chú trọng đến mẫu mã, chất lượng và hiệu suất, trong đó thời gian sạc nhanh là yếu tố quan trọng Bộ sạc nhanh cho pin đóng vai trò thiết yếu trong việc nâng cao sự hài lòng của khách hàng Pin Lithium-ion, được nghiên cứu và phát triển bởi nhiều hãng công nghệ như Tesla và Vinfast, mang lại sự an toàn và tiết kiệm thời gian, chi phí nghiên cứu Tuy nhiên, pin này chỉ có thể sạc bằng nguồn điện một chiều với điện áp và cường độ dòng điện cụ thể, trong khi mạng điện dân dụng ở Việt Nam chủ yếu là điện xoay chiều một pha Do đó, cần có bộ sạc để chuyển đổi điện xoay chiều sang điện một chiều, đảm bảo cung cấp đúng điện áp và cường độ dòng điện cho pin Lithium-ion Nhận thấy tính cấp thiết của vấn đề này, nhóm đã quyết định lựa chọn đề tài nghiên cứu.
Mục tiêu nghiên cứu và nhiệm vụ nghiên cứu
- Mục tiêu nghiên cứu: Thiết kế được mạch nạp cho đầu ra 310 vôn
- Nhiệm vụ nghiên cứu: Đề tài cần thực hiện các nội dung sau đây:
• Giới thiệu tổng quan về đề tài
• Tìm hiểu lý thuyết về nguồn xung, linh kiện điện tử
• Thiết kế mạch nạp điện một chiều DC – DC
• Thử nghiệm và đánh giá hoạt động
• Đưa ra kết luận và kiến nghị
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: nguồn xung dạng Flyback; IC nguồn NCP1203P60; các linh kiện điện tử và biến áp xung
Đề tài nghiên cứu này tập trung vào cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của các đối tượng trong thiết kế mạch nạp, không đi sâu vào thuật toán hay các khía cạnh chuyên sâu trong lĩnh vực điện – điện tử.
Phương pháp nghiên cứu
Để nghiên cứu lý thuyết hiệu quả, bạn cần kết hợp kiến thức đã học với tài liệu tìm được trên internet, từ đó áp dụng vào đề tài cụ thể Hãy nhờ thầy hoặc các anh khóa trên hỗ trợ giải đáp những thắc mắc trong quá trình nghiên cứu để nâng cao hiểu biết và đảm bảo tính chính xác của thông tin.
- Thử nghiệm trước trên bảng cắm Testboard: sử dụng bảng cắm Testboard tạo mạch thử nghiệm trước giúp dễ tìm ra lỗi và sửa chữa
Trong quá trình thử nghiệm thực tế, chúng ta sẽ sử dụng các thông số thu thập được từ nghiên cứu lý thuyết để thiết kế mạch Sau khi hoàn thành thiết kế, mạch sẽ được chạy thử nghiệm và tiến hành đánh giá hiệu suất hoạt động của nó.
Bố cục
Chương 1 cung cấp cái nhìn tổng quan về đề tài nghiên cứu, bao gồm lý do lựa chọn, mục tiêu cụ thể, phạm vi và đối tượng nghiên cứu Ngoài ra, chương này cũng trình bày phương pháp nghiên cứu được áp dụng và điểm qua một số nghiên cứu tương tự để làm rõ bối cảnh và tầm quan trọng của đề tài.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trong chương này, chúng tôi sẽ trình bày các lý thuyết quan trọng liên quan đến nguồn xung, pin Lithium và các linh kiện cần thiết cho đề tài nghiên cứu Những lý thuyết này sẽ cung cấp nền tảng vững chắc để hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động và ứng dụng của các thành phần trong hệ thống.
Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống sẽ trình bày sơ đồ mạch, nguyên lý hoạt động của các mạch thành phần, cùng với việc tính toán và thiết kế biến áp xung.
Chương 4: Thử nghiệm và đánh giá tập trung vào việc thực hiện các thử nghiệm trên nhiều loại bản mạch khác nhau, bao gồm dạng xung Nội dung chương cũng đề cập đến việc thử nghiệm trong thời gian dài để đảm bảo độ tin cậy và hiệu suất của sản phẩm hoàn thành.
- Chương 5: Kết luận và kiến nghị Ở chương này, trình bày kết luận chung về đề tài cũng như kiến nghị để đề tài phát triển hơn
Một số đề tài nghiên cứu tương tự trong và ngoài nước
Bài báo “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ làm việc dòng điện liên tục và gián đoạn máy biến áp đối với bộ nguồn chuyển mạch cao tần” của Cao Xuân Tuyển và Nguyễn Anh Tuấn, đăng trên tạp chí Khoa và Công nghệ, đã tính toán, thử nghiệm và mô phỏng hoạt động của máy biến áp trong hai chế độ làm việc: dòng điện liên tục và gián đoạn Nghiên cứu sử dụng bộ biến đổi Flyback để điều khiển máy biến áp, khảo sát ba mức nguồn điện đầu ra khác nhau với nguồn điện đầu vào Vin = 9-15 (VDC) Kết quả cho thấy cả hai chế độ đều hoạt động ổn định, tuy nhiên, chế độ dòng điện gián đoạn cung cấp chất lượng điện áp tốt hơn Mạch làm việc ở chế độ gián đoạn có kích thước nhỏ hơn nhưng yêu cầu nhiều vòng dây hơn, trong khi chế độ liên tục có kích thước lớn hơn với số vòng dây ít hơn.
The research topic "120-V, 200-W, 90% Efficiency, Interleaved Flyback for Battery Charging Applications Reference Design" conducted by Texas Instruments focuses on the development and evaluation of a charger for a battery pack consisting of five Lithium-ion cells This power supply operates with an input voltage of Vin = 100-120 VAC at a frequency of 50-60 Hz, delivering an output voltage of Vout = 21 VDC and an output current of Iout = 9.5 A The charger employs a Flyback switching power supply combined with a transformer, achieving an output power of up to 200W.
The research topic "Buck-Boost/Flyback Hybrid Converter for Solar Power System Applications" by Sheng-yu Tseng and Jun-Hao Fan explores the integration of Buck-Boost and Flyback switching sources for charging and discharging Lithium-ion batteries This power supply harnesses solar energy to provide input voltage for the Buck-Boost charging circuit, operating at Vin = 17.5-20.6 VDC and Iout = 8-12 A, effectively charging Lithium-ion batteries during the daytime.
Bốn viên pin này sẽ xả điện vào ban đêm qua mạch nguồn Flyback, tạo ra nguồn điện đầu ra với Vout = 10 VDC và Iout = 2 A, nhằm cung cấp năng lượng cho các bóng LED vào ban đêm.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Cơ bản về nguồn xung
2.1.1 Các yếu tố sử dụng trong nguồn xung
- Các đặc trưng về độ tự cảm của cuộn cảm
+ Mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện trong một cuộn cảm được biểu diễn theo phương trình: v = L(di/dt) [4] (2.1)
Trong đó L là giá trị của cuộn cảm di/dt là sự biến thiên của dòng điện theo thời gian
Khi dòng điện thay đổi theo thời gian trong cuộn cảm, sẽ xuất hiện điện áp qua cuộn cảm Ngược lại, nếu có dòng điện một chiều ổn định, điện áp sẽ không xuất hiện, ngoại trừ trường hợp có sự sụt áp nhỏ trong cuộn dây đồng.
Trong một cuộn cảm, điện áp có thể thay đổi tức thì trong khi dòng điện lại không thay đổi ngay lập tức; điều này xảy ra khi giá trị điện áp đạt đến mức vô cùng Sự thay đổi nhanh chóng của dòng điện sẽ dẫn đến điện áp qua cuộn cảm tăng lên đáng kể.
- Sự vận hành của dòng điện
+ Theo hiện tượng tự cảm dòng qua cuộn cảm không tăng đột ngột mà tăng dần theo thời gian và cũng giảm dần khi ngắt nguồn
+ Có hai chế độ vận hành của dòng điện trong cuộn cảm:
Hình 2.1 Mối quan hệ của điện áp và dòng điện trong cuộn cảm [4]
Vận hành liên tục (CO - Continuous Operation) trong cuộn cảm I L cho thấy dòng điện tăng từ giá trị I đến I đỉnh và sau đó giảm xuống I khi công tắc đóng Quá trình này diễn ra liên tục, với dòng điện luôn tăng rồi giảm, nhưng sẽ không bao giờ giảm về 0.
Vận hành gián đoạn (DO – Discontinuous Operation): dòng trong cuộn cảm I L tăng từ
0 đến I đỉnh khi công tắc đóng và khi công tắc mở, dòng lại trở về 0 trước khi công tắc đóng trong chu kỳ tiếp theo [4]
- Biến áp trong nguồn xung
Biến áp xung khác với biến áp thông thường ở chỗ cuộn dây quấn trong nó hoạt động như một cuộn cảm, với cấu trúc bao gồm hai hoặc nhiều cặp cuộn dây từ tính trong mỗi thiết bị.
Bên A là cuộn sơ cấp có số vòng dây N1, bên B là cuộn thứ cấp với số vòng dây N2
Về đấu dây, hình bên tay phải thể hiện đấu thuận với hai dấu chấm cùng chiều, trong khi hình bên tay trái thể hiện đấu nghịch với hai dấu chấm ngược chiều Dòng điện sẽ đi vào từ dấu chấm sơ cấp và ra từ dấu chấm thứ cấp.
- Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation – PWM)
+ Điều chế độ rộng xung còn được gọi là băm xung được hiểu là phương pháp điều chỉnh điện áp đầu ra
Tất cả các loại nguồn xung đều dựa trên điện áp xung, một yếu tố căn bản trong hệ thống Hình 2.2 minh họa sự hoạt động của điện áp xung trong một chu kỳ T P, cho thấy cách điện áp này được điều khiển một cách trực tiếp.
Hình 2.2 Dòng điện trong biến áp [4]
Bộ chuyển đổi sử dụng một công tắc để đóng/mở, từ đó tạo ra điện áp một chiều V OUT Điện áp này được lọc qua bộ lọc L – C, như thể hiện trong hình.
Hầu hết các mạch nguồn xung đều sử dụng mạch lọc L-C, bao gồm cuộn cảm và tụ điện, để ổn định điện áp đầu ra Mạch lọc này hoạt động bằng cách nạp năng lượng khi công tắc đóng và giải phóng năng lượng để duy trì tải khi công tắc mở.
Chu kỳ hoạt động (T ON /T P) được xác định bằng thời gian công tắc mở chia cho thời gian của một chu kỳ, trong khi V PK biểu thị điện áp đỉnh.
- Ta có thể chia làm hai nhóm chính đó là nhóm nguồn không cách ly và nhóm nguồn cách ly, mỗi nhóm gồm nhiều loại khác nhau
- Nhóm nguồn không cách ly:
Mạch có cấu trúc đơn giản với số lượng linh kiện ít và kích thước nhỏ, cho phép hoạt động hiệu quả Nó chạy ở tần số cao trên 100 kilohertz, đạt hiệu suất trên 90%, đồng thời có khả năng ổn định điện áp và dòng điện nhờ vào hệ thống điều khiển tự động.
Khuyết điểm của hệ thống là đầu ra chỉ có một, dẫn đến thiếu linh hoạt và hệ thống hồi tiếp phức tạp để ổn định mạch tự động Do nhóm nguồn không cách ly giữa nguồn và tải, khi các công tắc như MOSFET hay Transistor gặp sự cố, nguồn đầu vào sẽ được truyền trực tiếp ra ngoài cho tải, gây ra hư hỏng.
Hình 2.3 Các nguyên tắc cơ bản của PWM [4]
Nguồn xung là thiết bị được sử dụng để giảm điện áp một chiều, với điện áp đầu ra thấp hơn điện áp đầu vào Thiết bị này thường được áp dụng cho các yêu cầu công suất từ thấp đến cao, khoảng 500W.
700 watt Dưới đây là hình mô tả hoạt động của mạch nguồn xung kiểu buck cơ bản [4]:
Mạch điện bao gồm nguồn, công tắc mắc nối tiếp hoạt động ở tần số cao để băm xung điện áp, bộ lọc LC, tải và diode giúp dẫn dòng liên tục trong cuộn cảm Quá trình hoạt động diễn ra qua hai giai đoạn: công tắc đóng (Switch ON) và công tắc mở (Switch OFF).
Khi công tắc được bật, dòng điện từ nguồn cung cấp sẽ đi qua tụ điện, khiến tụ điện bắt đầu sạc Đồng thời, cuộn cảm sẽ tích trữ năng lượng từ, và dòng điện đi vào cuộn cảm sẽ tăng dần theo thời gian.
Khi công tắc được tắt, dòng điện vẫn tiếp tục lưu chuyển nhờ năng lượng tích lũy trong cuộn cảm Cuộn cảm có xu hướng duy trì dòng điện ổn định và giảm dần theo thời gian Đồng thời, tụ điện cũng giải phóng năng lượng qua tải trong quá trình này.
Pin Lithium-ion
Pin Lithium-ion là thiết bị sản xuất điện một chiều thông qua phản ứng hóa học, với ion lithium di chuyển giữa các cực dương và âm Cực dương thường được làm từ vật liệu oxide kim loại như Cobalt, Nickel hoặc Manganese, trong khi cực âm được cấu tạo từ graphite Cả hai cực đều có cấu trúc lớp mỏng, nơi ion lithium nằm Khi nạp, ion lithium di chuyển từ cực dương sang cực âm, và khi xả, chúng di chuyển ngược lại Chất điện phân đóng vai trò quan trọng, cung cấp môi trường cho sự dẫn truyền ion.
Li + giữa hai bản cực nhưng cũng đồng thời là dung môi không dẫn điện” [8]
Hình 2.18 Cấu tạo pin Lithium [8]
Hình 2.19 Cấu tạo pin Lithium [8]
2.2.2 Cấu tạo pin Lithium-ion
- Pin Lithium-ion gồm 4 phần: Điện cực âm, điện cực dương, màng ngăn cách điện và chất điện phân
Hình 2.20 Cấu tạo pin Lithium-ion [8]
Vật liệu điện cực dương thường được sử dụng là LiCoO2 và LiMnO4, trong đó LiCoO2 có cấu trúc giả tứ diện, giúp ion liti dễ dàng khuếch tán.
Vật liệu 2 chiều được coi là lý tưởng nhờ khả năng cung cấp công suất riêng và công suất theo thể tích lớn, đồng thời hạn chế hiện tượng tự xả, có điện thế cao và vòng đời dài Tuy nhiên, nhược điểm chính của chúng là giá thành cao do chứa Coban, một kim loại hiếm, và độ bền nhiệt không cao Mangan, với hệ tinh thể lập phương, là vật liệu cơ sở cho phép ion liti khuếch tán theo cả ba chiều.
Mangan đang được quan tâm hơn Coban do giá thành rẻ, hiệu năng cao và vòng đời dài hơn, mặc dù còn một số hạn chế cần khắc phục như khả năng hòa tan trong dung dịch điện ly, làm giảm độ bền và công suất của pin Trong khi vật liệu cực dương chứa Coban vẫn là lựa chọn phổ biến nhất, các nghiên cứu đang được tiến hành để phát triển các vật liệu khác nhằm giảm chi phí và nâng cao hiệu suất pin Đến năm 2017, LiFePO4 được kỳ vọng sẽ mang lại ứng dụng cao cho các loại pin kích thước lớn, như pin xe điện, nhờ vào giá thành hợp lý và công suất cao, mặc dù nó có nhược điểm là kém dẫn điện và cần sử dụng chất phụ gia dẫn điện cacbon.
Vật liệu âm cực phổ biến thường được sử dụng là graphite và các vật liệu cacbon khác, nhờ vào giá thành rẻ, tính phổ biến và độ dẫn điện tốt Cấu trúc của chúng cho phép ion liti xen kẽ vào giữa các lớp trong mạng cacbon, giúp dự trữ năng lượng hiệu quả với khả năng phình ra lên đến 10% Bên cạnh đó, silicon cũng được xem là vật liệu âm cực tiềm năng vì khả năng chứa ion liti vượt trội hơn cacbon Tuy nhiên, silicon có thể phình ra hơn 400% thể tích ban đầu khi chứa ion liti, điều này có thể gây ra sự phá vỡ kết cấu của pin.
Silicon có thể được sử dụng làm điện âm cực, nhưng phản ứng với liti có thể gây ra nứt gãy vật liệu Những vết nứt này làm cho các lớp silicon bên trong tiếp xúc trực tiếp với dung dịch điện ly, dẫn đến sự phân hủy và hình thành lớp điện ly rắn giao pha Solid Electrolyte Interphase (SEI) trên bề mặt silicon mới Lớp SEI này có khả năng dày lên, từ đó ngăn chặn quá trình khuếch tán.
Sự hiện diện của Li làm giảm dung lượng và công suất của pin, đồng thời ảnh hưởng đến độ bền của âm cực Để khắc phục tình trạng biến đổi cấu trúc do nứt gãy của silicon, nhiều phương pháp đã được nghiên cứu, bao gồm tổng hợp silicon dưới dạng sợi nano, ống nano, khối cầu rỗng, hạt nano và các cấu trúc xốp nano.
- Dung dịch điện ly (electrolyte)
Dung dịch điện ly là môi trường truyền ion Liti giữa các điện cực trong pin Li-ion, với yêu cầu độ dẫn ion liti đạt mức 10 −2 S/cm ở nhiệt độ phòng Độ dẫn này có thể tăng 30-40% khi nhiệt độ đạt 40 độ C và giảm nhẹ khi xuống 0 độ C Trong quá trình sạc và xả pin, ion liti di chuyển, tạo ra chênh lệch điện thế và sinh ra dòng điện, trong đó electron di chuyển từ cực âm sang dương, cùng chiều với ion liti.
Để đảm bảo phản ứng trong pin không bị đoản mạch, dung dịch điện ly cần có độ dẫn electron tối đa là 10 −8 S/cm Trong pin Li-ion, dung dịch điện ly lỏng thường chứa muối liti như LiPF6, LiBF4 hoặc LiClO4 hòa tan trong các dung môi hữu cơ như etylen cacbonat, dimetyl cacbonat, và dietyl cacbonat Trong quá trình sạc, các dung môi này có thể phân hủy ở cực âm, dẫn đến việc hình thành lớp điện ly rắn giao pha (SEI) trong lần sạc đầu tiên, giúp giảm độ dẫn của âm cực Lớp giao pha này không chỉ ngăn chặn sự phân hủy của dung dịch điện ly mà còn tạo ra một lớp giao diện bền Ngoài ra, dung dịch điện ly composit dựa trên polymer hữu cơ POE cũng có thể được sử dụng để bảo vệ bề mặt điện cực trong pin Li-polyme và các pin Li-ion thông thường khác.
Để giảm thiểu rò rỉ dung dịch điện ly với dung môi hữu cơ và nâng cao tính an toàn, các nghiên cứu hiện nay đang tập trung vào việc phát triển dung môi gel, polymer, cũng như các chất điện ly dạng rắn từ ceramic Những giải pháp này không chỉ giúp giảm khả năng bắt cháy khi dung môi tiếp xúc với không khí mà còn cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống.
Sử dụng chất điện ly dạng rắn trong pin lithium-ion giúp loại bỏ lớp màng ngăn, từ đó đơn giản hóa quy trình lắp ráp và nâng cao tính an toàn cho pin.
- Một vài thông số của pin Lithium-ion 18650:
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của pin Lithium-ion 18650
Công suất thông thường: 2600 mAh (0,52A discharge; 2,75V)
Công suất điển hình: 2550 mAh (0,52A discharge; 2,75V) Công suất nhỏ nhất: 2500 mAh (0,52A discharge; 2,75V) Điện áp thông thường 3,7V Điện trở nội ≤ 70mΩ
22 Điện áp ngắt xả 3,0V Điện áp sạc tối đa 4,2 ± 0,05V
Dòng điện sạc tiêu chuẩn 0,52A
Dòng điện xả tiêu chuẩn 0,52A
Dòng điện xả xung tối đa 2,6A
Kích thước Đường kính 18,4mm, chiều cao 65,2mm
Nhiệt độ hoạt động Sạc: 0 - 45 o C, xả: -20 - 60 o C
2.2.3 Nguyên lý hoạt động của pin Lithium-ion
Khi nạp pin, các ion lithium được giải phóng tại điện cực dương và di chuyển qua chất điện phân Chúng thẩm thấu qua lớp ngăn cách và gắn kết với bản cực âm.
Hình 2.21 Quá trình nạp của pin Lithium-ion [9]
Trong quá trình xả, ion Lithium được giải phóng từ bản cực âm và sử dụng chất điện phân làm môi trường dẫn Ion Lithium thẩm thấu qua lớp ngăn cách và quay trở lại bản cực dương.
+ “Ở cực dương sẽ sinh ra phản ứng hoá học sau:
+ Ở cực âm sẽ sinh ra phản ứng hoá học sau:
Hình 2.22 Quá trình xả của pin Lithium-ion [9]
+ Phản ứng tổng cộng của cả hai quá trình nạp và xả trong pin là:
+ Trong đó, nạp chính là chiều thuận và xả là chiều nghịch
Trong quá trình xả, C6 1- (cathode) sẽ bị oxy hóa thành C6 0, trong khi Co 4+ bị khử thành Co 3+ Ngược lại, trong quá trình nạp, các phản ứng này sẽ diễn ra theo chiều ngược lại Nếu pin Lithium-Ion bị xả quá mức, Lithi Coban Oxide bão hòa sẽ chuyển đổi thành Lithi Oxide.
+ Nếu pin LCO được nạp quá điện thế vượt trên 5,2 V sẽ biến đổi thành Coban IV Oxide, theo một chiều của phản ứng sau:
2.2.4 Đặc tính xả và nạp của pin Lithium-ion
+ Đặc tính xả của một pin Lithium-ion được mô tả như hình sau:
Hình 2.23 Đặc tính xả của pin Lithium-ion [10]
+ “Ở ví dụ này thì dung lượng danh định của pin là C = 3,250 mAh và cường độ dòng điện phóng được định nghĩa là Id = C
+ Để đảm bảo an toàn cho pin, trong ví dụ này, điện áp pin được giới hạn trong khoảng
Vb = 4.2 ÷ 2.5 (V) Đặc tính trên thể hiện dòng điện phóng càng lớn thì điện áp đo được ở pin ứng với một dung lượng càng nhỏ” [10]
+ Đặc tính nạp của một pin Lithium-ion được mô tả như hình sau Trong ví dụ này, dung lượng danh định của pin là C = 3,250 mAh
Hình 2.24 Đặc tính nạp của pin Lithium-ion [10]
Pin Li-ion có quy trình sạc đặc thù, khác biệt so với các loại pin và ắc quy khác Quá trình điều tiết sạc và xả của một tế bào pin Li-ion, cũng như toàn bộ hệ thống pin Li-ion bao gồm nhiều tế bào nối tiếp, diễn ra một cách riêng biệt.
Các linh kiện điện tử được sử dụng trong đề tài
- Cấu tạo và nguyên lý hoạt động cơ bản:
Hình 2.32.Cấu tạo của diode [16]
Diode được cấu tạo từ hai điện cực A (Anode) và K (Cathode) với lớp tiếp xúc p-n Khi điện thế tại cực A lớn hơn cực K, lớp tiếp xúc phân cực thuận, cho phép dòng điện đi qua theo chiều thuận với điện áp trên diode rất nhỏ, khoảng dưới 1 vôn; đối với diode lý tưởng, giá trị này bằng 0 Ngược lại, khi điện thế tại cực K lớn hơn cực A, diode không cho dòng điện đi qua.
Khi cực A nhỏ hơn cực K, lớp tiếp xúc phân cực ngược khiến diode không dẫn dòng, và dòng điện chạy ngược qua diode được gọi là dòng rò, có giá trị bằng không đối với diode lý tưởng Diode sẽ phân cực thuận khi cực dương của nguồn được kết nối với cực A phía p, trong khi cực âm của nguồn nối với cực K phía n Các lỗ mang điện tích dương trong chất bán dẫn loại p bị đẩy bởi cực dương nguồn, và các hạt mang điện tích âm trong chất bán dẫn loại n cũng bị đẩy bởi cực âm nguồn Quá trình này làm cho các hạt di chuyển về phía lớp tiếp xúc p-n, dẫn đến việc các lỗ dương và âm hút lẫn nhau, cho phép dòng điện chạy qua lớp tiếp xúc p-n, lúc này diode dẫn.
Khi kết nối các cực âm và dương của nguồn vào cực A và K của diode, diode sẽ bị phân cực ngược Điều này dẫn đến việc các lỗ dương trong lớp p bị hút về phía cực âm của nguồn, trong khi các hạt âm bị hút về phía cực dương Kết quả là các hạt âm và dương bị tách ra khỏi lớp tiếp xúc p-n, khiến dòng điện không thể đi qua và diode ở trạng thái ngắt.
Hình 2.33 Nguyên lý hoạt động của diode [17]
- Đường đặc tính vôn – ampere (v – i) của diode:
Hình 2.34 Đường đặc tính vôn – ampere (v – i) của diode [18]
Khi điện áp thuận (V D) nằm trong khoảng 0 < V D < V TD, diode bắt đầu dẫn điện với dòng điện rất nhỏ Khi V D vượt quá điện áp ngưỡng (V TD), dòng điện qua diode tăng nhanh, đưa diode vào trạng thái ổn định V D được gọi là điện áp thuận trên diode, trong khi V TD là điện áp ngưỡng.
Khi vùng phân cực ngược xảy ra, tức là khi V D < 0, dòng điện qua diode sẽ giảm dần về 0 Dòng điện không tắt ngay lập tức mà tiếp tục dẫn theo chiều ngược lại với tốc độ giảm dần Cuối cùng, khi dòng điện mất hoàn toàn, khả năng dẫn ngược dòng cũng sẽ bị mất đi.
+ Vùng đánh thủng: khi V D < −V BR , diode bị phá hủy −V BR là điện áp đánh thủng (breakdown voltage), V D lúc này là điện áp ngược
- Các thông số cơ bản của diode:
+ Dòng điện định mức: dòng điện thuận cực đại qua diode mà nhiệt độ của nó không vượt qua mức cho phép
+ Điện áp đánh thủng: điện áp mà tại đó diode bị phá hủy
Điện áp định mức của diode là điện áp ngược cực đại mà nó có thể chịu được trước khi xảy ra hiện tượng đánh thủng Khi diode dẫn, điện áp giữa hai cực A và K được gọi là điện áp thuận Ngoài ra, dòng điện ngược là dòng điện chảy qua diode khi điện áp ngược thấp hơn điện áp đánh thủng.
- Các loại diode được sử dụng và ký hiệu của chúng:
+ Trên thị trường hiện nay có rất nhiều loại diode nhưng trong đề tài này chỉ sử dụng những loại như sau:
Diode tín hiệu nhỏ, hay còn gọi là diode thường, được sử dụng phổ biến trong nhiều ứng dụng như bộ chỉnh lưu, mạch ngưỡng, mạch tụ điện và mạch tạo sóng.
Hình 2.35 Ký hiệu diode thường [18]
Diode Schottky là linh kiện bán dẫn nổi bật với điện áp phân cực thuận thấp và khả năng ngắt nhanh Khi hoạt động ở chế độ phân cực thuận, điện áp rơi của diode Schottky chỉ nằm trong khoảng 0,15 – 0,45 vôn, so với 0,6 – 0,7 vôn của các diode thông thường Điều này cho phép diode Schottky có tốc độ chuyển mạch nhanh chóng, giảm thiểu tổn hao công suất hiệu quả.
Hình 2.36 Ký hiệu diode Schottky [18]
Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng diode Schottky Hyperfast RHRG30120, một linh kiện siêu nhanh với thời gian phục hồi mềm (trr 0, các hạt mang điện trong kênh dẫn được hình thành, tương tự như trong MOSFET Các hạt này di chuyển đến collector, vượt qua lớp tiếp giáp n-p, tạo ra dòng collector như trong transistor thông thường.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Mô tả
Hình 3.1 Mạch mô tả hệ thống
Nguyên lý hoạt động của mạch nạp
Mạch điều chỉnh nguồn điện áp xoay chiều thành một chiều sử dụng các diode đơn được kết nối thành diode cầu, hoặc có thể sử dụng một diode cầu hoàn chỉnh.
Nhóm sử dụng nguồn điện xoay chiều 220 vôn, được chỉnh lưu qua mạch cầu toàn sóng một pha để tạo ra nguồn điện một chiều Tuy nhiên, điện áp một chiều sau khi chỉnh lưu vẫn có dạng sóng gợn, không phù hợp để sử dụng ngay Để khắc phục vấn đề này, một tụ điện (Cin) được lắp ở đầu ra của mạch chỉnh lưu nhằm lọc và làm phẳng điện áp.
Hình 3.2 Đồ thị dạng sóng của nguồn điện xoay chiều [23]
Hình 3.3 Đồ thị dạng sóng của điện áp một chiều sau khi chỉnh lưu [23]
Hình 3.4 Đồ thị dạng sóng của điện áp một chiều khi có tụ lọc [23]
3.2.2 Dạng điện áp và dòng điện trên mạch
Hình 3.5 Đồ thị điện áp và dòng điện bên phía sơ cấp và thứ cấp [33]
Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý mạch điện khi IGBT đóng [33]
Khi IGBT đóng, dòng điện IP từ nguồn Vi đi qua cuộn dây sơ cấp của biến áp xung và xuống mass qua IGBT, làm cho dòng Ip tăng dần Lúc này, điện áp ở cực Drain của IGBT (Vdrain) bằng không Ở phía thứ cấp, diode bị phân cực ngược, do đó không có dòng điện chạy qua bên thứ cấp Dòng điện Iout cung cấp cho tải được lấy từ tụ điện.
Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý mạch điện khi IGBT ngắt [33]
Khi IGBT ngắt, dòng điện IP sẽ bằng 0, dẫn đến việc điện áp ở cực Drain của IGBT (Vdrain) tăng vọt lên từ 600 đến 800 vôn do độ cảm rò trong cuộn dây sơ cấp của máy biến áp xung Nếu không có biện pháp khống chế, xung gai này có thể gây hỏng hóc cho các linh kiện điện tử trong mạch Do đó, mạch Clamp được thiết kế để dập tắt xung gai, giúp ổn định điện áp Vdrain của IGBT.
Vi : điện áp một chiều đi vào biến áp xung
Vo : điện áp đầu ra cấp cho tải n : tỉ số quấn của máy biến áp n = NP /NS, NP là số vòng dây quấn của cuộn sơ cấp và
NS là số vòng dây quấn của cuộn thứ cấp
- Ở bên phía thứ cấp, diode lúc này được phân cực thuận Cho nên sẽ có một dòng điện
Io cấp cho tải và nạp cho tụ Sau một khoảng thời gian cấp cho tải và nạp cho tụ thì dòng điện
Khi IGBT ngắt, điện áp tại cực Drain của nó có thể tăng vọt từ 600 đến 800 vôn do hiện tượng cảm rò trong biến áp xung, dẫn đến sự hình thành của xung gai Những xung gai với điện áp cao này có khả năng gây hỏng hóc cho các linh kiện trong mạch.
Hình 3.8 Điện áp ở cực Drain của IGBT khi không có mạch dập xung gai [35]
Để giảm thiểu tác hại của xung gai, người ta thiết kế mạch điện dập xung gai bao gồm diode, điện trở và tụ điện Mạch điện này được gọi là mạch Snubber hay mạch Clamp.
Hình 3.9 Sơ đồ mạch dập xung gai [34]
- Sau khi có mạch dập xung gai này, điện áp ở cực Drain của IGBT sẽ được khống chế lại
Hình 3.10 Điện áp ở cực Drain của IGBT khi có mạch Snubber [35]
- Do đó trong mạch hạ áp này nên chọn IGBT có điện áp giữa cực Drain và cực Source (VCES ) trên 600 vôn
Trong mạch nạp, dòng điện bên phía sơ cấp của máy biến áp xung là dòng điện một chiều, có từ trường không biến thiên Để tạo ra từ trường biến thiên, dòng điện một chiều cần được đóng ngắt liên tục Sự biến thiên từ trường ở phía sơ cấp sẽ cảm ứng sang các cuộn thứ cấp, tạo ra điện áp trên các cuộn này Để thực hiện việc đóng cắt dòng điện sơ cấp, một con IGBT được sử dụng và được kích hoạt bởi xung PWM Mạch tạo xung PWM sử dụng IC dao động NCP1203P60.
+ Quá trình tự khởi động (startup sequence)
Hình 3.11 Sơ đồ mạch cấp nguồn cho NCP1203P60 [30]
Khi khởi động, NCP1203P60 nhận điện trực tiếp từ nguồn điện một chiều chỉnh lưu với dòng sạc 6,0mA cho tụ CVCC Khi điện áp trên tụ CVCC đạt 12,8 vôn, nguồn hiện tại sẽ ngắt, và tụ điện CVCC sẽ cung cấp năng lượng cho NCP1203P60 hoạt động cho đến khi nguồn từ cuộn hồi tiếp Aux ổn định Nguồn này được chỉnh lưu qua diode và cấp vào chân để tạo thành nguồn nuôi ổn định cho NCP1203P60.
Hình 3.12 Đồ thị biểu diễn quá trình tự khởi động của NCP1203P60 [30]
Có 4 tuỳ chọn mặc định: 40 kHz − 60 kHz –100 kHz – 150kHz
Tuỳ vào mục đích sử dụng mà ta chọn loại có tần số phù hợp để nâng cao hiệu suất của mạch
Xung PWM từ chân Drv của NCP1203P60 đi qua điện trở 10 ohm vào chân Gate của IGBT Khi xung PWM ở mức High, điện áp VGS giữa chân Gate và Source của IGBT lớn hơn 0, làm giảm điện trở giữa chân Drain và Source, cho phép IGBT dẫn điện Khi xung PWM ở mức Low, điện áp VGS vẫn lớn hơn 0 do tụ điện bên trong IGBT, nhưng điện trở RBLEEDER nối giữa chân Gate và mass sẽ xả điện áp của các tụ điện, khiến VGS = 0 Điều này làm tăng điện trở giữa chân Drain và Source, ngừng dẫn điện của IGBT Bảo vệ quá dòng được thực hiện trong quá trình này.
Khi cuộn dây phụ bị sập xuống dưới UVLOlow, NCP1203P60 sẽ ngừng tạo ra xung
Nguồn điện duy trì chế độ hoạt động cho đến khi Vcc đạt 4,9 V, kích hoạt nguồn khởi động lại và bắt đầu một quy trình khởi động mới Điều này giúp nguồn điện hoạt động liên tục và ngăn chặn tình trạng quá dòng Khi chuyển sang chế độ mặc định, nguồn điện tự động tiếp tục hoạt động.
NCP1203 tự động bỏ qua các chu kỳ chuyển đổi khi nhu cầu điện đầu ra giảm xuống dưới một ngưỡng nhất định bằng cách theo dõi chân FB Trong hoạt động bình thường, chân 2 điều chỉnh cường độ dòng điện tối đa tương ứng với giá trị tải Khi nhu cầu tải giảm, vòng lặp nội bộ yêu cầu cường độ dòng điện tối đa thấp hơn Khi điểm đặt đạt đến mức xác định (Vpin1), IC ngăn dòng điện giảm thêm và bắt đầu làm trống các xung đầu ra, dẫn đến chế độ Skipping cycle Quá trình truyền công suất giờ đây phụ thuộc vào độ rộng của các chùm xung.
3.2.5 Mạch ổn định điện áp đầu ra
Điện áp đầu ra của mạch nạp có thể biến đổi do sự thay đổi của nguồn đầu vào hoặc dòng điện tiêu thụ ở tải Để duy trì điện áp đầu ra ổn định, nhóm đã sử dụng mạch điện ổn áp, bao gồm các linh kiện chính như TL431 và Opto-Coupler.
- Nguyên lý hoạt động của mạch ổn áp đầu ra như sau:
Dòng điện từ ngõ ra đi qua hai điện trở RFBU và RFBB, tạo thành một cầu phân áp trước khi xuống mass Điện áp tại chân Ref của TL431 được tính dựa trên cầu phân áp này.
VRef : điện áp tại chân Ref của TL431
VOUT : điện áp ở đầu ra
Khi điện áp đầu ra vượt quá 310 vôn, điện áp VRef sẽ tăng lên, vượt quá 2,5 vôn Điều này khiến điện áp chân Ref của TL431 cao hơn điện áp chuẩn 2,5 vôn bên trong, dẫn đến việc TL431 dẫn dòng điện từ Cathode (K) sang Anode (A) Kết quả là dòng điện từ đầu ra qua điện trở RLED và đèn LED trong Opto-Coupler tăng lên, làm cho đèn LED sáng mạnh hơn Khi đèn LED bên trong Opto sáng lên, dòng điện qua transistor quang cũng tăng, dẫn đến việc dòng điện từ chân điện áp chuẩn FB của NCP1203P60 đi qua transistor quang và về mass, làm tăng điện áp ở chân FB NCP1203P60 sẽ điều chỉnh độ rộng xung, giảm điện áp đầu ra xuống mức 310 vôn Khi điện áp đầu ra giảm, quá trình này sẽ diễn ra ngược lại.
Tính toán thiết kế biến áp xung cho mạch nạp
3.3.1 Sơ lược về biến áp xung
Biến áp xung là linh kiện quan trọng trong mạch nạp, thực hiện chức năng biến áp nhờ vào sự chênh lệch số vòng dây giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp Cấu tạo của nó bao gồm các cuộn dây quấn quanh lõi ferrite Với ưu điểm gọn nhẹ, biến áp xung được sử dụng rộng rãi trong các bộ nguồn của laptop, tivi và điện thoại.
Hình 3.14 Các Loại lõi sắt Ferrit [23]
Một đặc điểm quan trọng của biến áp xung là chiều quấn của các cuộn dây quanh lõi, được thể hiện bằng dấu chấm trên sơ đồ nguyên lý Dấu chấm trên cuộn Np và Ns nằm ở hai phía khác nhau, cho thấy hai cuộn dây quấn theo chiều ngược nhau Việc xác định chiều quấn của các cuộn dây trong biến áp xung rất quan trọng; nếu xác định sai, đầu ra đo vẫn có điện áp bình thường nhưng tải điện sẽ không hoạt động khi được kết nối.
3.3.2 Tính toán thiết kế biến áp xung
Dòng điện dân dụng tại Việt Nam là dòng điện xoay chiều một pha, có điện áp dao động trong khoảng từ 85V đến 220V và tần số 50Hz Điều này có nghĩa là giá trị điện áp tối thiểu là 85V (VACmin) và tối đa là 220V (VACmax).
- Ta sẽ dùng dòng điện một chiều được chỉnh lưu bởi cầu diode nên VDC sẽ được tính theo công thức như sau:
- Yêu cầu đầu ra để nạp cho pin Lithium-ion là 310V – 0,3A nên ta sẽ có công suất đầu ra sẽ là:
- Giả sử hiệu suất của mạch ở mức 70%, Eff = 70%, ta sẽ xác định được công suất đầu vào:
- Bên cạnh đó, điện áp của dòng điện xoay chiều cũng sẽ được làm phẳng nhờ tác dụng của tụ điện, với hai yếu tố CDC và Dch Với:
Theo CDC, giá trị của tụ điện đầu vào Cin được tính dựa trên một wattage công suất đầu vào Với dải điện áp xoay chiều đã được xác định, giá trị CDC nằm trong khoảng từ 2 đến 3 uF Do đó, chúng ta sẽ chọn giá trị CDC là 3uF.
Dch : tỉ số nạp điện của tụ điện đầu vào Cin Tỉ số này được tham khảo như hình sau:
V DCmin = √2 V ACmax = √2 265 = 375 (V)Hình 3.15 Đồ thị dạng sóng của điện áp một chiều sau tụ lọc đầu vào [23]
Xác định các yếu tố đầu vào và mục tiêu đầu ra của biên áp xung
Bảng 3.1 Yếu tố đầu vào và mục tiêu đầu ra
Tần số chuyển mạch 60KHz
Do yêu cầu đầu ra cần điện áp cao và dòng điện thấp, chế độ dòng điện không liên tục sẽ được lựa chọn để tính toán biến áp xung này.
- Đầu tiên, ta sẽ chọn tỉ lệ điện áp cũng như tỉ lệ vòng dây của biến áp xung n = N P
- Trong đó: VF là độ sụt áp của diode chỉnh lưu đầu ra Trong mạch sử dụng loại Hyperfast diode RHRG30120 có VF = 3.2V
Mà Dmax là tỉ lệ thời gian dẫn của IGBT Dmax được tính như sau:
Với TONmax, thời gian dẫn tối đa để duy trì chế độ DCM là 0,7T Để hoạt động hiệu quả trong chế độ dòng điện không liên tục, cần có thời gian chết Tdt với giá trị tối thiểu là 0,2T.
Để đảm bảo IGBT FGA25N120ANTD hoạt động an toàn và không bị cháy, việc kiểm tra giá trị điện áp lên IGBT so với giá trị VCES của nó là rất cần thiết.
IGBT FGA25N120ANTD có điện áp VCES đạt 1200V, đáp ứng tốt các yêu cầu làm việc và có khả năng chịu đựng các xung gai hoặc nhiễu điện áp trong quá trình hoạt động.
- Sau đó, xác định thời gian dẫn của IGBT để đạt được yêu cầu đẩu ra mong muốn, với công thức sau:
( 311 − 1) + (310 + 1)(0,894) = 6,304(às) Tiếp theo, tính độ tự cảm của cuộn sơ cấp Lp:
Từ đó, xác định được dòng điện đi qua cuộn sơ cấp :
Và dòng điện hiệu dụng đi qua cuộn sơ cấp là:
= 0,62(A)[24] (3.13) Đường kính dây quấn sẽ là:
Và dòng điện hiệu dụng qua cuộn thứ cấp được xác định như sau:
Với Tr là thời gian khởi động lại,
Từ đây, đường kính dây cuộn thứ cấp được xác định là:
Do không có dây có đường kính 0,39 mm trên thị trường, nhóm đã quyết định sử dụng dây có đường kính 0,5 mm để quấn cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp.
- Tiếp đến, xác định số vòng dây cuộn sơ cấp của biến áp xung để ngăn sự bão hòa lõi,
Np sẽ được tính bằng công thức:
V DC : điện áp một chiều đầu vào qua dây sơ cấp (V)
TONmax: thời gian lớn nhất IGBT đóng (s)
Ae: diện tích mặt cắt ngang của lõi biến áp xung, (mm 2 ) dB: sự biến thiên từ thông bão hòa (T)
Để đảm bảo biến áp xung hoạt động hiệu quả, cần chọn số vòng cuốn lớn hơn N pmin = 37,01 Do đó, lựa chọn Np = 40 vòng sẽ phù hợp, đồng thời cũng để lại phần còn lại cho việc quấn cuộn thứ cấp.
Từ đây, tính được số vòng dây của cuộn thứ cấp:
Từ đây, chọn được số vòng dây cho cuộn thứ cấp là 47 vòng
- Lõi ferrite của biến áp xung phải có khe hở để ngăn sự bão hòa lõi sớm Chiều dài khe hở được tính theo công thức sau đây:
AL: là hệ số điện cảm của lõi Theo thông số của nhà sản xuất thì đối với lõi ferrite loại PQ4040 thì giá trị AL sẽ bằng 1029 nH/N 2
Lm: là độ tự cảm của cuộn sơ cấp (nH)
Np: là số vòng của cuộn sơ cấp (vòng)
Ae: diện tích mặt cắt ngang của lõi ferrite (m 2 )
Có được chiều dài khe hở G của lõi là:
Biến áp xung PQ4040 có khe hở G theo thông số của nhà sản xuất là 0,25 mm, vượt qua yêu cầu tối thiểu 0,035 mm Do đó, biến áp này hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu của mạch.
Hình 3.16 Khe hở của lõi biến áp xung EE [23]
Để tính điện dung của tụ lọc đầu ra C1 trong mạch, cần biết dòng điện đầu ra cao nhất là 0,5A và điện áp rơi trên tụ là 0,05V Công thức tính điện dung của tụ điện C1 sẽ được áp dụng để xác định giá trị cụ thể.
0,05 = 70,3(àF)[24] (3.21) Chọn tụ lọc đầu ra C1 là tụ húa 100àF-450V
Có bảng thống kê các số liệu như sau:
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của biến áp xung
Số vòng dây cuộn sơ cấp Np 40 vòng
Số vòng dây cuộn thứ cấp Ns 47 vòng Đường kính dây cuộn sơ cấp 0,5mm Đường kính dây cuộn thứ cấp 0,5mm
Tụ lọc đầu ra C1 100àF-450V
Điện áp VRO trong cuộn sơ cấp được xác định bởi điện áp đầu vào VDC và điện áp ngược trên cuộn thứ cấp Công thức tính điện áp này là yếu tố quan trọng trong việc hiểu rõ hoạt động của hệ thống.
Cuộn sơ cấp có độ tự cảm là:
= 591 (àH) Độ tự cảm rò trên cuộn sơ cấp là:
L Leak = 0,1 L P = 0,1 591 10 −6 = 59 10 −6 (H)[24] (3.24) Cường độ dòng điện tại đỉnh trên cuộn sơ cấp:
Điện áp kẹp VClamp là mức điện áp an toàn cho linh kiện trong quá trình hoạt động Khi điện áp kẹp càng nhỏ, linh kiện sẽ được bảo vệ tốt hơn Giá trị của điện áp kẹp VClamp được xác định dựa trên điện.
VCES của IGBT FGA25N120 với một mức độ an toàn là 90%
V Clamp = 0,9 V CES = 0,9.1200 = 1080 (V)[24] (3.25) Chọn tần số nhiễu là fswmax = 60000 (Hz)
Từ đó, tính được giá điện trở cần thiết cho mạch dập xung gai Snubber bằng công thức:
Trong mạch Snubber, tụ được tính theo công thức dưới đây:
50.50000.60000 = 7,2 (ηF)[24] (3.27) Chọn tụ CSnubber = 22 ηF và mức điện áp là 630V
Và diode cần cho mạch dập xung gai sẽ là một diode phục hồi nhanh (fast recover diode)
Do đó, diode UF4007 sẽ được sử dụng
3.3.3 Chọn phương án quấn dây cho biến áp xung
Trong biến áp xung, độ cảm rò luôn hiện hữu, gây ra xung gai điện áp lớn khi IGBT hoạt động ở tần số cao Để kiểm soát xung gai này, mạch dập xung gai được sử dụng; tuy nhiên, không nên quá phụ thuộc vào nó Thay vào đó, cần tìm cách giảm độ cảm rò trong biến áp, và một trong những phương pháp hiệu quả là cải thiện cách quấn dây cho biến áp.
THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH
Mô tả mạch thử nghiệm
Sơ đồ mạch hình 3.1 mô tả quá trình chuyển đổi nguồn điện xoay chiều 220 vôn, 50 hertz thành điện một chiều 310 vôn (độ gợn cao), sau đó được điều chỉnh qua mạch flyback để tạo ra điện áp 320 vôn một chiều (độ gợn thấp) Tín hiệu điện áp dạng xung PWM khoảng 12V được xuất ra từ chân Drv của IC NCP1203P60, đi qua điện trở 10 ohm và kích hoạt IGBT FGA25N120 với tần số 60000 hertz Sự đóng ngắt liên tục này tạo ra từ trường biến thiên trong biến áp xung, cảm ứng điện áp trên cuộn thứ cấp Để ổn định điện áp đầu ra, nhóm sử dụng mạch hồi tiếp với opto quang PC817, zener TL431 và mạch cầu phân áp, cùng với một biến trở để điều chỉnh tỉ số phân áp, từ đó thay đổi giới hạn điện áp đầu ra Lưu ý rằng mass của hai bên thứ cấp và sơ cấp là khác nhau trong sơ đồ này.
Trong quá trình thử nghiệm, nhóm đã nhận thấy rằng khi cấp điện cho mạch hoạt động, cần cung cấp nguồn 15 vôn cho IC nguồn trước, sau đó mới cấp nguồn đầu vào cho mạch Việc này giúp IC hoạt động ổn định trong thời gian dài và tránh hư hỏng.
Thử nghiệm trên bảng cắm Testboard
Nhóm đã lắp mạch thử nghiệm trên bảng Testboard để tiết kiệm thời gian, giúp thay thế linh kiện và sửa chữa các mạch nhỏ hiệu quả hơn Bảng Testboard còn có ưu điểm về giá thành rẻ hơn so với bảng PCB đục lỗ cùng kích thước, mang lại lợi ích kinh tế cho dự án.
Hình 4.1 Mạch thử nghiệm trên Testboard
Thử nghiệm trên mạch PCB đục lỗ
Sau khi đạt kết quả khả quan từ thử nghiệm trên bảng Testboard, nhóm đã tiến hành hàn mạch lên tấm PCB nhằm giảm thiểu nhiễu tín hiệu, đồng thời tối ưu hóa kích thước và nâng cao tính thẩm mỹ của mạch Bảng mạch PCB mà nhóm sử dụng có màu xanh, một mặt đồng và được thiết kế với kích thước 15x20 mm, có lỗ đục để thuận tiện cho việc hàn.
Hình 4.2 Mạch thiết kế trên PCB
Đo độ rộng xung PWM theo từng chế độ hoạt động của mạch điện
Nhóm đã sử dụng máy đo xung để quan sát tín hiệu đầu ra từ IC NCP1203P60, bên cạnh việc đo điện áp đầu ra Điều này hỗ trợ nhóm trong việc chẩn đoán hư hỏng của hệ thống một cách hiệu quả.
IC NCP1203P60 điều chỉnh độ rộng xung để duy trì ổn định điện áp đầu ra, ngăn ngừa quá tải điện áp và bảo vệ linh kiện cũng như toàn bộ hệ thống khỏi hư hỏng.
+ Khi điện áp đầu ra chưa đạt ngưỡng thì độ rộng xung của IC NCP1203P60 như sau:
Hình 4.3 Độ rộng xung khi chưa đạt ngưỡng
+ Khi điện áp đầu ra quá ngưỡng thì chế độ skipping cycle diễn ra, lúc đó xung của IC NCP1203P60 như sau:
Hình 4.4 Độ rộng xung khi quá ngưỡng
Tại đây độ rộng xung giảm xuống và điện áp đầu ra bắt đầu giảm xuống
+ Khi điện áp đầu ra không còn quá ngưỡng và điện áp bắt đầu tăng trở lại thì độ rộng xung của IC NCP1203P60 như sau:
Hình 4.5 Độ rộng xung khi không còn quá ngưỡng
Khi điện áp đầu ra giảm, điện áp gửi về chân FB từ mạch ổn định cũng giảm, khiến IC NCP1203P60 tự động tăng độ rộng xung để phục hồi điện áp đầu ra.
Thử nghiệm thời gian dài không tải và với tải
- Thử nghiệm với không tải:
+ Nhóm tiến hành cấp điện xoay chiều 220V, 50hz và đo điện áp đầu ra của mạch
Kết quả của mạch khi chạy không tải cho thấy điện áp đầu ra đạt 310V, hoàn thành mục tiêu đã đề ra.
Nhóm thực hiện cấp điện xoay chiều 220V, 50Hz cho hai bóng đèn sợi đốt 60W-250V được mắc nối tiếp, đồng thời tiến hành đo điện áp đầu ra của mạch.
Nhóm đã mắc hai bóng đèn theo kiểu nối tiếp để bảo vệ bóng đèn khỏi quá điện áp 250V và tránh tình trạng quá dòng trong mạch.
+ Nhóm đã tiến hành điều chỉnh điều áp đầu ra là 314V và thu được kết quả cường độ dòng điện là 0,21A
Điện trở cao của hai bóng đèn mắc nối tiếp dẫn đến cường độ dòng điện chỉ đạt 0,21A, làm giảm công suất đầu ra so với mục tiêu ban đầu.
+ Bên cạnh đó thì nhiệt độ của linh kiện cũng tăng lên khá cao
+ Nhóm cũng đã tiến hành nâng điện áp đầu ra cao hơn và đạt được kết quả như sau:
Hình 4.8 Điện áp đầu ra được chỉnh cao hơn
+ Kết quả thu được là điện áp đầu ra đạt 324V với cường độ dòng điện đạt 0,21A + Nhiệt độ của mạch lúc này vẫn là khá cao.
Sản phẩm hoàn chỉnh và đánh giá tổng thể
Nhằm nâng cao tính thẩm mỹ và tiện lợi khi sử dụng, nhóm đã thiết kế phần vỏ của bộ sạc và ghi chú những lưu ý quan trọng trong quá trình sử dụng.
Hình 4.9 Sản phẩm hoàn chỉnh
- Trên sản phẩm sẽ có những thông tin như:
+ Đầu vào (Input): 220VAC 1,2A 50Hz
+ Ghi chú đầu cắm nguồn chuyển thành 15V
+ Ghi chú nguồn đầu vào
+ Những lưu ý khi sử dụng bộ sạc
Hình 4.10 Nhưng lưu ý khi sử dụng bộ sạc + Khi sử dụng bộ sạc cần cắm nguồn chuyển thành 15V sau đó mới cắm nguồn đầu vào
Hình 4.11 Các dạng giắc đầu ra + Để thuận tiện trong việc lựa chọn thì nhóm đã làm đầu ra với nhiều loại giắc
Nhóm đã ký hiệu các cực âm (-) và dương (+) để giúp người dùng dễ dàng nhận biết, tránh nhầm lẫn khi sử dụng, nhằm bảo vệ thiết bị, bộ pin và bộ nguồn khỏi hư hại.
- Việc thử nghiệm trên các mạch Testboard, PCB đục lỗ đã mang lại những kết quả tốt như sau:
+ Mang đến sự thuận tiện trong việc sửa chữa khi hư hỏng
+ Bên cạnh đó thì điện áp đầu ra cũng đạt được kết quả như mong đợi
Nhóm đã không chỉ đạt được điện áp đầu ra theo mục tiêu ban đầu mà còn có khả năng cung cấp điện áp đầu ra cao hơn mong đợi.
- Sản phẩm sử dụng được trong thời gian dài với đầu ra điện áp ổn định nhưng nhiệt độ linh kiện vẫn còn khá cao
- Dù sản phẩm hoàn chỉnh nhìn khá gọn gàng nhưng tổng thể vẫn đạt được sự tối ưu về mẫu mã
Một nhược điểm của sản phẩm là yêu cầu phải cắm nguồn chuyển đổi thành 15V trước khi kết nối nguồn đầu vào, điều này gây ra sự bất tiện cho người sử dụng.