Ứng dụng : Mạch nguồn được sử dụng vào rất nhiều thiết bị điện trong đời sống điển hình như mạch hạ áp, mạch tăng áp, cấp nguồn cho các thiết bị, mạch ổn áp,… Hiện nay có rất nhiều loại
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Giới thiệu chung về mạch nguồn
Mạch nguồn là mạch dùng để cung cấp nguồn điện cho các thiết bị điện
Ngày nay trong đời sống gia đình của chúng ta thì hầu hết các thiết bị điện mà chúng ta sử dụng (TV, bếp từ, đầu đĩa, điều hòa, máy tính, ) thì các mạch điều khiển đều sử dụng dòng điện một chiều Nhưng mà chúng ta sử dụng hiện nay lại là dòng điện lưới xoay chiều 220V, vậy sao có thể sử dụng được các thiết bị trên thì mạch nguồn chính là một giải pháp
Hình 1.1: Nguyên tắc hoạt động của DC_DC Converter Ứng dụng : Mạch nguồn được sử dụng vào rất nhiều thiết bị điện trong đời sống điển hình như mạch hạ áp, mạch tăng áp, cấp nguồn cho các thiết bị, mạch ổn áp,…
Hiện nay có rất nhiều loại mạch nguồn nhưng tất cả các loại đều có chung một chức năng biến đổi điện áp đầu vào và đưa ra một điện áp đầu ra thích hợp với loại thiết bị cần sử dụng
Mạch nguồn sẽ gồm 1 đầu dây nối với nguồn điện để đưa dòng điện đi qua điện trở hoặc biến áp nhỏ, một công tắc tự đông, một bộ băm xung và chình lưu, tất cả các mạch thì được điều khiển bằng một IC nguồn để đưa điện áp đầu ra Về cơ bản thì có 2 loại mạch nguồn: bộ biến đổi DC-DC và mạch nguồn xung.
Mạch biến đổi DC-DC
Mạch biến đổi DC-DC là mạch thay đổi điện áp của dòng điện phù hợp với thiết bị cần sử dụng, dùng để điều khiển giá trị trung bình điện áp ngõ ra từ dòng điện 1 chiều ở ngõ vào Về cơ bản thì bộ chuyển đổi DC-DC vẫn là 1 mạch nguồn và ứng dụng cảm ứng điện từ Có 3 loại bộ biến đổi DC-Dc cơ bản là Buck Converter, Boost Converter, Buck-Boost Converter
Buck converter còn được gọi là step – down converter: là mạch băm xung một chiều cơ bản nhất Sử dụng một linh kiện bán dẫn mắc nối tiếp thực hiện băm xung điện áp vào, thông qua L và C thực hiện quá trình lọc vào đưa ra tải Diode D thực hiện nhiệm vụ dẫn dòng liên tục trong cuộn cảm L Giá trị điện áp vào sẽ luôn lớn hơn giá trị điện áp ra
Mạch hoạt động dựa trên nguyên lý nạp xả của cuộn dây Ta tính dòng điện qua tải
• Trạng thái nạp: Khi khóa S đóng, có dòng điện chạy qua khóa S và đến L Do chênh lệch điện thế giữa 2 điểm IL Và IO, dòng qua cuộn dây tăng dần lên, tụ C đồng thời được nạp dòng điện chạy qua tải R được tính:
• Trạng thái xả: Khi khóa S mở, dòng IS bị ngắt, thời điểm này thì dòng cấp cho tải R chính là dòng xả của cuộn dây L và tụ C IO= IL – IC ( dấu – vì chiều quy ước của IC chạy về C) Với cuộn dây có điện cảm và tụ có điện dung đủ lớn thì ta sẽ có điện áp đầu ra VO gần như phẳng (gợn sóng chỉ vài mV) VO = IO * R
Boost Converter hay còn gọi là mạch boost hay mạch boost áp: là một trong những loại bộ chuyển đổi điện áp công tắc hoạt động ở chế độ đơn giản nhất Như tên gọi thì khi cấp điện áp cho mạch thì mạch sẽ tăng điện áp đầu vào lên Mạch gồm cuộn cảm, công tắc bán dẫn (ngày nay dùng MOSFET), diode và tụ điện Đồng thời cũng cần có một nguồn sóng vuông tuần hoàn
Nguyên lý hoạt động như sau: Khi khóa đóng thì lúc này điện áp trở L sẽ bằng điện áp đầu vào VIN (giả thiết van là lý tưởng tức khi thông dòng trở CE bằng 0) lúc này thì diode D ngắt do bị phân cực ngược, đồng thời cắt mạch nguồn vào với mạch nguồn ra và trong cuộn dây L xuất hiện dòng điện và tăng dần từ giá trị ban đầu Imin, lúc này thì tụ C xả cung cấp dòng duy trì cho tải Khi khóa mở thì trên cuộn dây L xuất hiện một điện từ cảm chống lại sự giảm dòng IL và khi đó diode dẫn, dòng điện chạy qua nạp cho tụ C đồng thời duy trì điện áp cấp cho tải R Quá trình như vậy lặp đi lặp lại và có điện ấp cấp cho tải
Buck-Boost Converter là bộ chuyển đổi DC-DC dùng cùng khái niệm của hai bộ chuyển đổi Buck và Boost nhưng được tích hợp đơn giản hóa và trong một mạch Cũng như tên gọi tính năng chính của mạch là khả năng làm cho điện áp đầu ra ổn định ở một mức điện áp không đổi ngay cả khi điện áp đầu vào giảm xuống dưới hoặc tăng lên cao hơn điện áp đầu ra, điều này nói lên mạch có thể hoạt động cả hai chế độ Buck hay Boost tùy thuộc vào điện áp đầu vào
Mạch hoạt động theo nguyên lý biến đổi điện áp dương DC ở nguồn đầu vào thành điện áp âm ở nguồn đầu ra Hoạt động của mạch phụ thuộc vào trạng thái bật tắt của MOSFET MOSFET ở trạng thái bật sẽ có dòng điện đi qua cuộn cảm L tăng và diode
D ở trạng thái chặn MOSFET khi ở trạng thái tắt có dòng điện đi qua cuộn cảm L không thể thay đổi đột ngột nên diode D phải mang dòng điện để chuyển mạch và bắt đầu dẫn điện Điện áp được chuyển từ cuộn cảm L sang tụ điện C dẫn đến dòng điện trong cuộn cảm L giảm và điện áp trên điện trở R có cực tính ngược so với điện áp đầu vào.
Mạch nguồn xung
Nguồn xung hiện tại đang được sử dụng rất phổ biến trên các loại thiết bị điện do có hiệu suất cao, linh loạt trong việc chuyển đổi đầu ra Có thể có nhiều đầu ra với 1 đầu đưa nguồn điện vào Bộ nguồn có chức năng biến đổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện một chiều bằng phương pháp xung sử dụng mạch điện tử và kết hợp với một biến áp Flyback
Hình 1.5: Ví dụ về mạch nguồn xung
Nguyên lý hoạt động: Điện áp xoay chiều AC đi qua một mạch lọc nhiễu cao tần để loại những nhiễu cao tần do dòng điện đầu vào gây ra có thể đánh chết cầu diode sau đó chỉnh lưu qua cầu diode trở thành dòng điện một chiều DC sau đó được làm phẳng bởi tụ lọc sơ cấp Dòng điện sau khi chỉnh lưu sẽ đi qua điện trở mồi và đến biến áp Flyback Dòng điện đi qua điện trở mồi sẽ bị sụt áp trên đó để cấp nguồn vào chân Vcc của IC nguồn hay còn gọi là nguồn cấp trước Sau đó điện áp nguồn Vcc của IC nguồn sẽ lấy từ mạch nguồn phụ của biến áp Flyback Mạch nguồn phụ này bao gồm một diode và một điện trở và tụ duy trì để IC nguồn hoạt động
Khi IC nguồn hoạt động nó sẽ đưa ra xung điều khiển đến chân G của MOSFET nhằm điều khiển MOSFET làm việc ở chế độ đóng mở để tạo ra từ trường bên sơ cấp khi đó tạo ra điện áp cảm ứng bên thứ cấp của biến áp Flyback Điện áp cảm ứng của biến áp Flyback bên thứ cấp được chỉnh lưu thành điện môt chiều và được làm phẳng bởi tụ lọc Điện áp ra bên thứ cấp sẽ được kết nối với mạch lấy mẫu và mạch phát hiện điện áp lỗi nhằm khống chế điện áp đầu ra Khi điện áp đầu ra tăng hoặc giảm thì mạch sẽ báo về IC nguồn để IC nguồn điều khiển MOSFET khống chế điện áp đầu ra
Nguồn xung gồm các loại: Flyback, Forward, Haif-Bridge,…
Forward Converter hay còn gọi là bộ biến đổi Forward là một bộ chuyển đổi giống như bộ chuyển đổi Flyback và Haif-bridge, có thể cung cấp điện áp đầu ra cao hơn hoặc thấp hơn điện áp đầu vào và cách ly điện áp thông qua biến áp Mặc dù phức tạp hơn Flyback nhưng thiết kế bộ chuyển đổi thuận có thể mang lại công suất đầu ra cao hơn (thường lên tới 200W) cùng với hiệu suất năng lượng cao hơn
Mạch điện ở phía thứ cấp (tức là bên phải) gần giống với bộ chuyển đổi Buck và bộ chuyển đổi forward lưu trữ và cung cấp năng lượng theo cách tương tự Phần tử chuyển mạch, thường là MOSFET, lý tưởng nhất là được mở hoặc đóng để bộ chuyển đổi forward sẽ luân phiên giữa hai trạng thái khác nhau
Hình 1.6: Sơ đồ cơ bản của bộ chuyển đổi Forward
Khi công tắc đóng (MOSFET ở trạng thái bật), dòng điện chạy qua cả cuộn dây sơ cấp (ngoài cùng bên trái) và cuộn dây thứ cấp Ở trạng thái này, năng lượng được lưu trữ trong cuộn cảm và tụ điện, và không có dòng điện chạy qua cuộn dây cấp ba (giữa) do diode cấp ba bị phân cực dự trữ
Khi công tắc mở, dòng điện bị ngăn cản chạy trong cuộn sơ cấp và thứ cấp Nguồn được cung cấp cho tải bằng cuộn cảm trong khi diode ngoài cùng bên phải cung cấp đường dẫn trở lại cho dòng điện Tuy nhiên, cuộn dây máy biến áp vẫn hoạt động như cuộn cảm ghép nối, do đó cuộn dây thứ ba được thêm vào để thiết lập lại từ thông được lưu trữ trong lõi máy biến áp, tạo ra dòng điện ngược chiều kim đồng hồ để trả lại năng lượng cho nguồn điện áp đầu vào
Khi cuộn cảm tiếp tục cung cấp năng lượng dự trữ cho tải, dòng điện trong cuộn cảm sẽ bắt đầu giảm Sự sụt giảm dòng điện này tiếp tục cho đến trạng thái bật tiếp theo, khi dòng điện tăng lên giá trị trước đó Hiện tượng không mong muốn này được gọi là gợn sóng đầu ra và thường được giảm xuống mức chấp nhận được bằng cách đặt một tụ điện "làm mịn" lớn phù hợp song song với đầu ra Độ gợn đầu ra cũng có thể được giảm bằng cách thiết kế bộ chuyển đổi hoạt động ở tần số chuyển mạch cao hơn, rút ngắn khoảng thời gian ở trạng thái tắt
Flyback Converter hay bộ biến đổi Flyback là một cấu trúc liên kế cung cấp điện sử dụng cuộn cảm ghép đôi lẫn nhau, để lưu trữ năng lượng khi dòng điện chạy qua và giải phóng năng lượng khi nguồn điện bị ngắt Bộ biến đổi Flyback tương tự như mạch Boost về cấu tạo và hiệu suất Tuy nhiên, cuộn sơ cấp của máy biến áp thay thế cuộn cảm trong khi cuộn thứ cấp cung cấp đầu ra Trong cấu hình Flyback, cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp được sử dụng như hai cuộn cảm riêng biệt
Hình 1.7: Sơ đồ cơ bản của Flyback Converter
Khi có dòng điện chạy qua cuộn cảm bị cắt, năng lượng tích trữ trong từ trường được giải phóng do sự đổi chiều đột ngột của điện áp ở cực Nếu một diode được đặt ở vị trí để dẫn năng lượng tích trữ đến một nơi nào đó hữu ích, thì diode đó được gọi là diode Flyback Điều này chỉ yêu cầu một cuộn dây trên cuộn cảm, vì vậy cuộn cảm sẽ được gọi là biến áp Flyback Sự sắp xếp này có đặc tính thú vị là chỉ truyền năng lượng sang phía thứ cấp của nguồn điện khi công tắc sơ cấp tắt
Mạch Flyback cơ bản sử dụng một số lượng linh kiện tương đối nhỏ Thiết bị chuyển mạch cắt điện áp một chiều DC đầu vào và năng lượng trong cuộn sơ cấp được chuyển sang thứ cấp thông qua máy biến áp chuyển mạch Một diode trong cuộn thứ cấp chỉnh lưu điện áp trong khi tụ điện làm mịn điện áp chỉnh lưu Trong mạch thực tế, một mạch phản hồi được sử dụng để giám sát điện áp đầu ra
Trong ứng dụng điển hình, thiết bị chuyển mạch như MOSFET được bật và tắt thường bằng tín hiệu điều chế độ rộng xung Cực của máy biến áp thường được đảo ngược để khi MOSFET bật, dòng điện chạy trong cuộn sơ cấp, tuy nhiên, diode thứ cấp được phân cực ngược và dòng điện không chạy trong cuộn dây này Năng lượng được lưu trữ trong máy biến áp cho đến khi tắt MOSFET Năng lượng được lưu trữ tạo ra dòng điện phân cực thuận diode sẽ chỉnh lưu nó để tạo ra đầu ra một chiều DC
Haif-Bridge hay còn gọi bộ biến đổi nửa cầu là một loại bộ chuyển đổi có thể cung cấp điện áp đầu ra cao hơn hoặc thấp hơn điện áp đầu vào và có thể cách ly điện thông qua máy biến áp So với bộ chuyển đổi Flyback hoặc Forward, thiết kế bộ chuyển đổi nửa cầu có thể mang lại công suất đầu ra cao hơn và sử dụng các bộ phận nhỏ hơn và ít tốn kém hơn Cấu trúc liên kết hai đầu của bộ chuyển đổi nửa cầu giúp tối đa hóa việc sử dụng máy biến áp
Hình 1.8: Sơ đồ cơ bản của Haif-Bridge Converter
Trong hình 1.8, cho thấy sơ đồ giai đoạn công suất của bộ chuyển đổi nguồn cấu trúc liên kết Half-Bridge Có ba trạng thái hoạt động của bộ chuyển đổi nguồn Half- Bridge Máy biến áp thứ cấp được bố trí theo cấu hình có vòi ở giữa với vòi ở giữa được kết nối với bộ lọc LC đầu ra
Bộ chỉnh lưu đồng bộ được sử dụng để chỉnh lưu thứ cấp Với bộ chuyển đổi nửa cầu, MOSFET đồng bộ thường được bật Tuy nhiên, khi một trong các MOSFET chính được bật thì các MOSFET đồng bộ sẽ bị tắt.
Các chế độ dòng điện và các nguyên lý điều khiển
Các mạch nguồn mà ta đã phân tích ở trên đều có mạch lọc LC ở đầu ra với nhiệm vụ làm phẳng điện áp đầu ra Tác dụng của mạch LC được hiểu: Chúng sẽ nạp điện áp khi công tắc bán dẫn mở và sẽ xả dòng điện khi công tắc bán dẫn ngắt để cung cấp năng lượng cho tải Trong đó, cuộn cảm L có nhiệm vụ làm cho chiều dòng điện không đổi Khi công tắc bán dẫn đóng thì dòng qua L sẽ không tăng đột ngột mà tăng dần theo hiện tượng cảm ứng điện từ và khi công tắc bán dẫn ngắt dòng sẽ không giảm đột ngột mà giảm dần
Trong thực tế thì có 3 chế độ xảy ra cho cuộn cảm:
Chế độ dòng liên tục(CCM): IL tăng dần từ giá trị Ivalley đến giá trị Ipeak rồi giảm xuống Ivalley khi công tắc bán dẫn khóa Do đó dòng của mạch sẽ không bao giờ về 0 nên được gọi là dòng liện tục
Chế độ dòng gián đoạn (DCM): IL tăng từ 0 đến Ipeak khi công tắc bán dẫn khóa và ngắt và dòng sẽ giảm về 0 tr khi trước công tắc bán dẫn khóa lại ở chu kỳ tiếp theo Chế độ biên(BCM): Mạch điều khiển sẽ điều chỉnh sao cho khi IL vừa giảm về 0 thì công tắc bán dẫn sẽ khóa để nạp lại năng lượng cho L, tức năng lượng của L sẽ được giải phóng hết trước chu kỳ tiếp theo
Hình 1.9: Ba chế độ dòng qua cuộn cảm
1.4.2 Các nguyên lý điều khiển
Các bộ nguồn phải đưa ra được điện áp mong muốn trong điều kiện tải hay điện áp đầu vào thay đổi Để thay đổi điện áp đầu ra thay đổi tỉ số làm việc D, có nghĩa là thay đổi thời gian đóng ngắt của công tắc bán đẫn
Hình 1.10: Nguyên tắc điều khiển điện áp
Hình 1.10 thể hiện nguyên tắc cơ bản của các bộ nguồn, nguyên tắc điều khiển điện áp Dòng điện đầu ra sẽ được đo và so sánh với điện áp ghim Sau đó sai lệch sẽ khuếch đại và so sáng với xung răng cưa có tần số cùng với tần số của công tắc bán dẫn và đưa ra xung để đóng mở công tắc bán dẫn
Nguyên tắc điều khiển điện áp có ưu điểm về độ đơn giản và linh hoạt Mạch điều khiển nhanh với tất cả các biến đổi của tải Nhưng nếu điện dòng điện đầu vào thay đổi thì mạch cần một thời gian lâu mới phát hiện và điều chỉnh Với vấn đề này thì nguyên lý điều khiển dòng điện khắc phục điều này
Dòng điện qua công tắc hoặc qua cuộn dây sẽ được phản hồi dưới dạng tín hiệu điện áp, và đưa về bộ so sánh thay cho tín hiệu xung Trạng thái đầu vào của bộ nguồn được phản ánh qua tín hiệu dòng điện này, do đó bộ điều khiển theo nguyên tắc phản ứng rất nhanh với cả thay đổi của tải và thay đổi đầu vào
Hình 1.11: Nguyên tắc điều khiển dòng điện.
Lý do chọn đề tài
Ngày nay với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, các thiết bị điện tử ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế-xã hội, cũng như trong đời sống hằng ngày Trong tất cả thiết bị điện tử nói chung thì vấn đề về nguồn luôn là vấn đề cần phải quan tâm và xem xét cẩn thân, vì nó quyết định đến tính an toàn , ổn định và vận hành hiệu quả của hệ thống Hầu hết các thiết bị đều sử dụng nguồn một chiều được ổn áp cẩn thận Khi tính toán thiết kếmạch nguồn ổn áp cho một mạch điện tử thì ta có hai hướng thiết kế: Một là thiết kế nguồn tuyến tính, hai là thiết kế nguồn xung Thì với trình độ phát triển của kỹ thuật hiện đại thì nguồn xung càng tỏ rõ được ưu thế vượt trội so với nguồn tuyến tính về hiệu năng, công suất, tính nhỏ gọn,… Có rất nhiều mô hình nguồn xung để cho ta lựa chọn : Mô hình nguồn xung kiểu Buck , mô hình nguồn xung kiểu Boost , hay mô hình nguồn Flyback,… Đề tài này em chọn nguồn Flyback để tìm hiểu vì tính linh hoạt của nó, có thể tạo được nhiều đầu ra theo ý muốn, có thể thiết kế đầu ra tăng áp hay giảm áp tùy theo thiết kế mong muốn.
Mục tiêu nghiên cứu
Tìm hiểu và thực hiện thi công một mạch nguồn xung Cụ thể là tìm hiểu mạch nguồn xung Flyback
Tìm hiểu và thiết kế biến áp Flyback
Thiết kế và thi công mô hình.
Đối tượng nghiên cứu
Mạch nguồn xung Flyback có điện áp đầu ra chính là 12V - 3A và điện áp đầu ra phụ là 5V - 3A.
Nội dung thực hiện
Tìm hiểu nguyên lý hoạt động và thiết kế mạch nguồn xung Flyback
Thiết kế biến áp Flyback
Thiết kế mạch nguồn xung Flyback
Thử nghiệm và điều chỉnh phần cứng cũng như chương trình để mô hình được tối ưu hóa Đánh giá các thông số của mô hình
Viết báo cáo thực hiện.
Bố cục đồ án
Chương 1: Tổng quan về đề tài
Chương này trình bày các phần: Các vấn đề liên quan đến mạch nguồn, ứng dụng của mạch nguồn Từ đó nêu ra lý do chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu và bố cục đồ án.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Nguồn xung Flyback
Mạch nguồn Flyback được thiết kế từ 70 năm qua để thực hiện bất kỳ loại chuyển đổi nào từ chuyển đổi dòng điện xoay chiều AC sang dòng điện một chiều DC hoặc dòng điện 1 DC sang điện một chiều DC Thiết kế của Flyback đã mang lại lợi thế cho việc phát triển truyền hình cho việc liên lạc vào đầu những năm 1930 đến 1940 Nó sử dụng khái niệm cung cấp chuyển mạch phi tuyến tính
Máy biến áp Flyback lưu trữ năng lượng từ trường và hoạt động như một cuộn cảm khi so sánh với các mạch nguồn khác
Mạch nguồn Flyback chuyển đổi AC thành DC với cách ly điện áp đầu vào và đầu ra Lưu trữ năng lượng khi có dòng điện chạy qua và giải phóng năng lượng khi mất điện và sử dụng một cuộn cảm được ghép nối lẫn nhau, và hoạt động như một bộ chuyển đổi chuyển mạch cách ly cho các máy biến điện áp tăng hoặc giảm điện áp
Nó có thể điều khiển và điều chỉnh nhiều điện áp đầu ra với nhiều loại điện áp đầu vào Các thành phần cần thiết để thiết kế bộ chuyển đổi Flyback là rất ít khi so sánh với các mạch cấp nguồn chế độ chuyển mạch khác Từ Flyback được coi là hành động bật/tắt của công tắc được sử dụng trong thiết kế
Tùy vào từng mạch mà kết cấu của các mạch có một số điểm khác biệt Nhưng xét về cấu tạo cơ bản thì đa phần giống nhau bao gồm như:
Hình 2.1: Cấu tạo của một mạch nguồn Flyback
Biến áp Flyback: Được làm từ các cuộn dây quấn trên một lõi từ giống với biến áp thường Biến áp Flyback sử dụng lõi ferit và có công suất khá lớn, chúng hoạt động tốt ngay cả ở những dải tần số cao Điều mà biến áp thường không thể làm được hoặc khó có thể đáp ứng được
Cầu chì: Cầu chì là một thiết bị bảo vệ trong mạch điện, được sử dụng để ngăn chặn dòng điện quá tải gây ra nguy hiểm cho các thiết bị điện Cầu chì thường được làm bằng chất liệu sợi thủy tinh hoặc kim loại, có hình dạng như một chiếc ống nhỏ, được đặt giữa nguồn điện và thiết bị điện Khi dòng điện vượt quá mức cho phép, cầu chì sẽ nhanh chóng tan chảy và ngắt mạch, ngăn chặn dòng điện tiếp tục lưu thông và bảo vệ các thiết bị điện khác trong mạch Cầu chì thường được sử dụng trong các mạch điện gia đình và công nghiệp để đảm bảo an toàn và tránh sự cố điện nguy hiểm
Cuộn chống nhiễu, tụ lọc sơ cấp và diode chỉnh lưu: Các thiết bị như cuộn chống nhiễu, tụ lọc sơ cấp và diode chỉnh lưu có chức năng chuyển đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều Sau đó, chúng tích trữ năng lượng điện trên các tụ lọc để cung cấp cho cuộn dây sơ cấp của bộ nguồn Các thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong các mạch nguồn xung, giúp cung cấp năng lượng ổn định cho các thiết bị điện tử và giảm thiểu các tác động gây nhiễu cho mạch
Linh kiện bán dẫn công suất: Linh kiện bán dẫn công suất là một loại linh kiện điện tử được sử dụng để cung cấp công suất cho các thiết bị điện tử, đặc biệt là trong các mạch khuếch đại hoặc nguồn điện Linh kiện bán dẫn công suất thường được sử dụng trong các mạch điện có khối lượng lớn và nhu cầu điện năng cao, nó có khả năng chịu được dòng điện và áp suất cao hơn so với các loại linh kiện điện tử khác
Tụ lọc nguồn thứ cấp: Tụ lọc nguồn thứ cấp là một thành phần quan trọng trong các mạch điện tử cung cấp điện áp đóng vai trò lọc nhiễu và giữ cho nguồn cấp ổn định
Tụ lọc nguồn thứ cấp thường được đặt sau một đầu cầu chỉnh lưu và trước một linh kiện điện tử cần được cung cấp điện Nó hoạt động bằng cách lưu trữ một lượng điện năng trong thời gian đầu của chu kỳ sóng điện và giải phóng nó trong thời gian sau đó, giúp giữ cho đầu ra nguồn điện ổn định Tụ lọc nguồn thứ cấp thường được làm bằng các loại tụ điện lớn có dung lượng cao và khả năng chịu điện áp cao Khi nguồn cấp được thiết kế tốt, tụ lọc nguồn thứ cấp sẽ giúp giảm độ rộng của xung sóng điện và làm giảm nhiễu điện từ, giúp cho các linh kiện điện tử có được nguồn cấp điện ổn định hơn và độ tin cậy cao hơn
IC quang: IC quang là viết tắt của cụm từ (OptICal Integrated Circuit) và được sử dụng để mô tả các vi mạch sử dụng ánh sáng để truyền thông dữ liệu Các IC quang thường được sử dụng trong các thiết bị mạng, thiết bị truyền thông, máy tính và các thiết bị điện tử khác để tăng tốc độ truyền dữ liệu và giảm thiểu độ trễ trong việc truyền tải thông tin Các ứng dụng của IC quang bao gồm truyền thông quang, ladar, các thiết bị cảm biến và các hệ thống tương tác ánh sáng
Mạch có cấu tạo bởi một linh kiện bán dẫn đóng cắt và một biến áp Flyback Biến áp dùng để truyền công suất từ đầu vào cho đầu ra Điện áp đầu ra phụ thuộc vào băm xung PWM và tỉ số truyền của lõi
Như chúng ta đã biết chỉ có dòng điện biến thiên mới tạo được ra từ thông và tạo được ra sức điện động cảm ứng trên các cuộn dây trên biến áp Do đây là điện áp một chiều nên dòng điện không biến thiên theo thời gian do đó ta phải dùng van đóng cắt liên tục để tạo ra được từ thông biến thiên
Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động cơ bản của mạch nguồn Flyback
Khi công tắc bán dẫn được đóng thì dòng điện trong cuộn dây sơ cấp tăng dần lên Cực tĩnh của cuộn dây sơ cấp có chiều như hình vẽ và khi đó bên cuộn dây thứ cấp sinh ra một điện áp có cực tính dương như hình vẽ Điện áp ở sơ cấp phụ thuộc bởi tỷ số giữa cuộn dây sơ cấp và thứ cấp Lúc này do diode chặn nên tải được cung cấp bởi tụ C Khi công tắc bán dẫn được mở ra Cuộn dây sơ cấp mất điện đột ngột lúc đó bên thứ cấp đảo chiều điện áp qua Diode cung cấp cho tải và đồng thời nạp điện cho tụ Trong các mô hình của nguồn xung thì nguồn Flybach được sử dụng nhiều nhất bởi tính linh hoạt của nó, cho phép thiết kế được nhiều nguồn đầu ra với một nguồn đầu vào duy nhất kể cả đảo chiều cực tính Các bộ biến đổi kiểu Flyback được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống sử dụng nguồn pin hoặc acqui, có một nguồn điện áp vào duy nhất để cung cấp cho hệ thống cần nhiều cấp điện áp (+5V,+12V,-12V,…) với hiệu suất chuyển đổi cao Đặc điểm quan trọng của bộ biến đổi Flyback là pha (cực tĩnh) của biến áp Flyback được biểu diễn bởi các dấu chấm trên các cuộn sơ cấp và thứ cấp
Flybacks (và nhiều loại bộ chuyển đổi khác) có thể được thiết kế để hoạt động ở một trong hai chế độ Trong chế độ dẫn không liên tục (DCM), máy biến áp được phép khử từ hoàn toàn trong mỗi chu kỳ đóng cắt Thông thường, điều này được thực hiện với tần số đóng cắt cố định và điều chế dòng điện đỉnh để đáp ứng các yêu cầu tải Ở chế độ dẫn liên tục (CCM), dòng điện luôn chạy trong máy biến áp trong mỗi chu kỳ đóng cắt Do đó, một số năng lượng dư luôn có trong máy biến áp, bởi vì mỗi chu kỳ đóng cắt bắt đầu trước khi dòng điện hoàn toàn cạn kiệt
Biến áp Flyback
Biến áp Flyback được biết là một trong những thiết bị được sử dụng để truyền tải điện năng Nó được dùng để biến đổi xung điện áp hoặc cường độ xung giúp giải quyết được vấn đề chuyển đổi năng lượng điện với hiệu suất cao
Trong thực thế thì biến áp Flyback được tích hợp rất nhiều trong các bo mạch nguồn xung, mạch sạc điện thoại, máy tính, điều hòa, máy giặc Nhưng đi kèm với nó là rất nhiều các linh kiện điện tử khác để tăng hiệu suất làm việc, cũng như độ chính xác cao cho nguồn ra
Theo lý thuyết, ta có thể so sánh thấy rõ với các máy biến áp từ thông thường khi điện áp được hạ xuống thì dòng sẽ có thể tăng lên gấp đôi nên công suất VA lúc này sẽ không đổi Nhưng do việc chịu tải của biến áp thông thường thấp nên công suất đầu ra sẽ thấp hơn
Còn đối với biến áp Flyback được thiết kế với số vòng dây đồng ít và thường có tiết diện dây đồng lớn hơn, cùng với sự kết hợp với bộ băm xung nên sẽ cho công suất gọn nhẹ hơn
2.2.2 Lịch sử ra đời máy biến áp Flyback
Cái tên Flyback ra đời do ứng dụng của máy biến áp Flyback trong ống CRT Máy biến áp Flyback có thể được cấp điện với điện áp rất thấp Khi cuộn sơ cấp của máy biến áp được kích thích bằng điện áp răng cưa, có giá trị thấp, do tính chất của sóng răng cưa nên nó được cấp điện và mất điện nhanh chóng Do đó, chùm tia trên CRT bị bay ngược từ phải sang trái Với đặc tính đặc biệt này có được nhờ hoạt động của máy biến áp, cái tên này được đặt ra là máy biến áp Flyback
2.2.3 Giới thiệu máy biến áp Flyback
Máy biến áp Flyback (Flyback Transformer) là một loại máy biến áp đặc biệt Về cơ bản, nó là một máy biến áp tăng cường, nhưng có khả năng tăng điện áp rất lớn So với máy biến áp điện, nó có kích thước nhỏ gọn và di động Một trong những ứng dụng phổ biến của máy biến áp Flyback là trong TV ống CRT, nơi cần có điện áp rất cao trong ống hình Đối với đầu vào 230V, máy biến áp Flyback có thể đạt được điện áp đầu ra lên tới 20.000 V Đó là tiềm năng của máy biến áp Flyback Nó thậm chí có thể hoạt động với điện áp thấp như 12V hoặc 5V Các khía cạnh xây dựng khác nhau với một số máy biến áp thông thường Ứng dụng ban đầu của máy biến áp Flyback bắt đầu bằng việc điều khiển chuyển động ngang của chùm tia điện tử trong ống tia âm cực Với sự ra đời của công nghệ và thiết bị điện tử, hiện nay máy biến áp Flyback thậm chí có thể được cấp điện bằng xung DC với sự trợ giúp của mạch chỉnh lưu bao gồm các thiết bị điện tử như MOSFET
Hình 2.7: Máy biến áp Flyback
Máy biến áp Flyback có thể được định nghĩa là một thiết bị chuyển đổi năng lượng giúp truyền năng lượng từ phần này sang phần khác của mạch điện với công suất không đổi Trong máy biến áp Flyback, điện áp được tăng lên giá trị rất cao tùy theo ứng dụng
Nó còn được gọi là máy biến áp đầu ra đường dây, vì điện áp đường dây đầu ra được đưa đến phần khác của mạch Với sự trợ giúp của mạch chỉnh lưu , cuộn sơ cấp của máy biến áp có thể được điều khiển bằng mạch DC
2.2.4 Cấu tạo máy biến áp Flyback
Hình2.8: Sơ đồ mạch cơ bản của máy biến áp Flyback
Sơ đồ mạch của máy biến áp Flyback được hiển thị dưới đây Như được hiển thị, L1 và L2 là số vòng của cuộn dây Nói chung, đối với máy biến áp Flyback L2 rất cao so với L1, vì cơ bản nó là máy biến áp tăng áp Tụ điện ở phía đầu vào được cung cấp để duy trì điện áp không đổi Công tắc SW được sử dụng để điều chỉnh điện áp đầu vào
Diode D được sử dụng để duy trì dòng điện một chiều của dòng điện thứ cấp Tụ điện ở phía thứ cấp được cung cấp để duy trì điện áp đầu ra không đổi Vin là điện áp đầu vào và Vout là điện áp đầu ra Quy ước dấu chấm thể hiện trong mạch hàm ý độ tự cảm tương đương cộng nối tiếp của nó đối với toàn bộ lõi của máy biến áp
Vòng cung máy biến áp Flyback: Điện áp đầu ra của máy biến áp có giá trị cao thậm chí lên tới 10 đến 20 kV Điện áp cao không có dạng hình sin mà có dạng vòng cung Một vòng cung được hình thành trong không khí khi hai vật dẫn điện cao được đặt gần nhau Không khí ở giữa bị ion hóa và hồ quang được hình thành Khái niệm này giống nhau bất cứ khi nào máy cắt được cấp điện, bộ cách ly được vận hành hoặc hiện tượng quầng sáng
Cuộn dây biến áp Flyback:
Cuộn sơ cấp, cuộn thứ cấp và lõi tạo thành máy biến áp Flyback Bộ chỉnh lưu được bao gồm nếu nó được cấp nguồn bằng nguồn điện một chiều Khi so sánh với số vòng dây quấn thứ cấp, số vòng dây quấn sơ cấp thường ít hơn Các cuộn dây được tách ra khỏi nhau và chất liệu là đồng Cách quấn dây cũng giống như cách quấn dây trong máy biến áp thông thường Một loạt các mạch từ được tạo ra bởi các cuộn dây quấn quanh lõi Điều này cho phép máy biến áp xử lý điện áp lớn hơn trong khi vẫn tuân thủ các yêu cầu năng lượng tối thiểu Các vòng quấn quanh chân trung tâm có kích thước tương tự nhau ở tất cả các phía, nó tạo ra một mạch từ phụ gia Để có được điện áp rất cao ở phía thứ cấp, các vòng dây thứ cấp rất lớn so với các vòng dây sơ cấp Các cuộn dây thường được làm bằng đồng Và giống như máy biến áp thông thường, các cuộn dây được cách điện tốt với nhau Vật liệu cách nhiệt mICa thường được sử dụng để cung cấp vật liệu cách nhiệt Trong một số ứng dụng như SMPS và bộ chuyển đổi, cách điện bằng giấy cũng được sử dụng Không giống như máy biến áp thông thường, dầu không được sử dụng cho mục đích cách điện hoặc va chạm Các cuộn dây thường có kích thước mỏng, do đó tổn hao cuộn dây và hiệu suất được cải thiện
Nguyên lý làm việc của máy biến áp Flyback giống như máy biến áp thông thường ngoại trừ các khía cạnh thiết kế của nó Như thể hiện trong sơ đồ mạch điện, khi cuộn sơ cấp của máy biến áp được kích thích bằng dạng sóng răng cưa điện áp thấp thì cuộn sơ cấp được cấp điện
Trong nửa chu kỳ đầu tiên, máy biến áp Flyback lưu trữ năng lượng dưới dạng từ trường và sau đó giải phóng nó với điện áp đầu cực ngược Để tiến hành và dừng quá trình truyền năng lượng, thiết bị sử dụng một diode (còn được gọi là diode Flyback) Khi bật công tắc cuộn sơ cấp, dòng điện được tạo ra nhờ độ tự cảm Cuộn dây thứ cấp, được nối nối tiếp với diode Flyback, chống lại sự tạo ra dòng điện Thay vào đó, năng lượng được giữ lại trong lõi từ Độ tự cảm sơ cấp tạo ra dòng điện tăng dần khi cuộn sơ cấp được cấp điện, như thể hiện trong dạng sóng Khi dòng điện tăng dần đạt cường độ tối đa, dạng sóng Flyback sẽ tạo ra điện thế cao Điều này được gây ra ở phía thứ cấp Diode ở phía thứ cấp ngăn đoạn đường nối bay sang phía bên kia
Dòng điện trên cuộn thứ cấp giảm trên đoạn đường nối khi điện áp đạt tới điểm uốn Ở phía thứ cấp, lúc này thu được điện áp cao Vì bản chất nó không thể là dòng điện xoay chiều nên nó có hình dạng giống vòng cung với điện thế rất cao, đẩy chùm tia điện tử theo một hướng Tiềm năng thứ hai thấp hơn trong các ứng dụng như SPMS, nhưng nguyên tắc chuyển đổi để chuyển đổi AC thứ cấp ở chế độ chuyển mạch là như nhau Kỹ thuật này có thể được phân loại là liên tục hoặc không liên tục dựa trên đặc điểm dạng sóng
Hình 2.9: Dạng sóng dòng điện của biến áp Flyback
2.2.6 Thiết kế biến áp Flyback
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH
Thiết kế sơ đồ khối
Hình 3.1: Sơ đồ khối của mạch
Với đường kẻ nét đứt thể hiện cho sự cách ly điện áp
Khối lọc nhiễu, chỉnh lưu: Có chức năng bảo vệ ngắn mạch và lọc nhiễu đầu vào từ điện lưới tránh làm hỏng các linh kiện và có chức năng biến đổi điện áp AC thành điện áp DC
Khối chuyển mạch: MOSFET đóng ngắt dưới sự điều khiển của xung dao động để tạo ra dòng điện sơ cấp chạy qua biến áp
Khối tạo xung: Có chức năng tạo ra xung giao động tần số cao điều khiển MOSFET đóng ngắt tạo ra sự biến thiên chạy qua cuộn sơ cấp của biến áp Flyback
Khối biến áp xung: Ghép giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp thực hiện điều khiển điện áp đồng thời lấy ra nhiều mức điện áp khác nhau theo ý muốn Ngoài ra biến áp còn là nơi để thực hiện cách ly giữa mass của điện áp đầu vào và mass của điện áp đầu ra tránh việc giật điện cho người sử dụng và hỏng hóc của động cơ
Khối chỉnh lưu đầu ra: Có chức năng tạo dòng điện đầu ra một chiều DC đồng thời duy trì điện áp và lọc nhiễu đầu ra
Khối ổn áp: Tạo ra điện áp tham chiếu
Khối hồi tiếp: Có chức năng so sánh điện áp đầu ra với điện áp tham chiếu tạo ra điện áp sai lệch hồi tiếp về bộ tạo xung để tự động điều khiển MOSFET hoạt động sao cho điện áp đầu ra ổn định khi điện áp đầu vào thay đổi.
Tính toán và chọn linh kiện
Thông số kỹ thuật yêu cầu: Điện áp đầu vào: 85V AC đến 250V AC
Tần số 50 Hz Điện áp đầu ra: 12V DC và 5V DC
Tần số hoạt động: 80KHz
Tính toán các thông số điện:
Với điện áp đầu ra của cuộn 12V có công suất lớn nhất nên ta chọn cuộn 12V là cuộn thứ cấp chính
Công suất cung cấp đầu vào với hiệu suất nu%: 𝑃 𝑖𝑛 = 𝑃 𝑜𝑢𝑡2
0.75 = 48𝑊 Điện áp DC đầu vào sau chỉnh lưu:
V inMAX = 250 ∗ √2 = 353V Dòng điện trung bình lớn nhất đầu vào:
120 = 0.4A Dòng điện đỉnh trên khóa bán dẫn:
Tổng công suất đầu ra là P out = P out2 + P out1 = 36 + 15 = 51 W Điện dung của tụ điện đầu vào: C 3 = P out ∗ 2 = 51 ∗ 2 = 102 uF (1) Điện áp chịu đựng: 𝑉 𝐶3 = 𝑉 𝑖𝑛 𝑀𝑎𝑥 ∗ √2 = 250 ∗ √2 = 353 𝑉 (2)
Từ (1) và (2): suy ra chọn tụ C3 là tụ 120uF/400V
3.2.2 MOSFET Điện áp giới hạn trên MOSFET
7 + V spike Trường hợp này Vspike rất khó tính nên ước tính là 50 V
Từ đó nhóm chọn MOSFET 10N60 (600V : 10A )
Mạch cổng MOSFET điều chỉnh tổn thất và nhiễu MOSFET
Trở R8 sửa đổi tốc độ bật MOSFET
Trở R và diode phóng điện D6 điều chỉnh tốc độ tắt MOSFET
Nhóm chọn trở 22Ω và diode 1N4148 lần lượt là trở R8 và diode D6
Khi ở DCM (chế độ dòng điện không liên tục), tổn thất chuyển mạch khi tắt chiếm ưu thế và về cơ bản không có tổn thất chuyển mạch khi bật Để giảm tổn thất chuyển mạch khi tắt, hãy giảm R5 để tăng tốc độ tắt, nhưng tiếng ồn chuyển mạch tăng do dòng điện tốc độ cao thoáng qua
Yêu cầu về vật liệu từ và biến áp:
Vật liệu lõi từ muốn sử dụng trong ứng dụng từ thông đơn cực như Flyback ta cần cón hững đặc tính:
• Hệ số từ thẩm à nhỏ, thường chọn à = 60-500
• Ngưỡng cảm ứng từ bão hòa cao, Bsat00-15000 Gauss (1.5T)
Một số giải pháp sử dụng vật liệu từ:
• Sử dụng vật liệu Ferit thường, yêu cầu phải có khe hở không khí để tránh bão hòa lõi sớm, khoảng cách khe hở không khí phải được tính toán chính xác dựa trên mối tương quan giữa dòng xung đỉnh, tiết diện lõi (Ac), cảm ứng từ cực đại (Bmax) và điện cảm sơ cấp (Lpri) Cần phải dùng lõi ferit có sẵn khe hở không khí nếu không sẽ khó làm trong điều kiện thực tế
• Sử dụng vật liệu từ dạng lõi bột (Powder core), vật liệu này được chế tạo dưới dạng các hạt tinh thể được cách ly với nhau, hay được hiểu cách khác là khe hở được phân bố đều trong lõi, không cần tạo khe hở tại một vị trí cố định như ferit Chính vì cỏch chế tạo như vậy nờn nú cú hệ số từ thẩm à thấp và tổn hao dũng xoỏy nhỏ
Vì trên thị trường hiện nay việc lựa chọn lõi và độ chính xác của khe hở từ tính nên nhóm quyết định chọn lõi EI 33 để sử dụng Với lõi EI thì khi đóng lõi ta đo điện cảm trên cuộn sơ cấp và dễ dàng điều chỉnh được khi hở từ tính
Tính toán điện cảm sơ cấp
Dmax là duty lớn nhất khi mạch nguồn Flyback hoạt động ở chế độ gián đoạn, ta chọn Dmax=0.45 Đối với mỗi lõi từ, có một thông số mà ta gọi là hệ số điện cảm, ký hiệu AL , đơn vị nH/T2 (nH chia số vòng bình phương)
Với lõi EI 33 AL 0 nH/T 2
Công thức tổng quát tính số vòng dây cuộn sơ cấp:
A L = √(409 ∗ 1000)/200 ≈ 46 Vòng Dòng điện ở cuộn sơ cấp: Ở trên đã tính ra dòng đỉnh Ipk = 1.65A, tuy nhiên để tính cỡ dây đồng thì ta phải tính dòng hiệu dụng RMS
Dạng sóng của dòng điện sơ cấp là xung răng cưa, do vậy giá trị hiệu dụng bằng:
√3 = 0.63 A Ở tần số cao ta không thể bỏ qua hiệu ứng bề mặt, tức là dòng điện chỉ chạy trên bề mặt của dây dẫn với một độ sâu nhất định
Công thức tính độ sâu bề mặt như sau: e = 66.2
√80000= 0.24mm Khi sử dụng dây dẫn tròn đường kính dây dẫn sẽ là 2 ∗ e ≈ 5mm
Nhóm sử dụng dây đồng tròn đường kính 0.5mm Dây có tiết diện S=0.196mm 2 , lấy mật độ dây đồng J= 5A/mm 2
Mỗi sợi dây 0.5mm dẫn được S ∗ J = 1.96 ∗ 5 = 0.98A (5)
Từ (3), (4), (5) suy ra cuộn sơ cấp dùng 1 dây 0.5mm để quấn 46 vòng
Tính số vòng dây cuộn thứ cấp:
Số vòng dây cuộn 5V (Ns1):
120 ∗ 0.45 ≈ 3 Vòng Với Vd là điện áp rơi cực đại của diode chỉnh lưu đầu ra, Nhóm sử dụng Vd=1V Dòng của cuộn thứ cấp 5V yêu cầu 3A mà mỗi dây 0.5mm chỉ dẫn được 0.98A nên cần tới 4 dây 0.5mm mới đủ dòng cho cuộn thứ cấp 5V
Vậy cuộn thứ cấp 5V cần dùng 4 dây 0.5mm để quấn 3 vòng
Số vòng dây cuộn chính 12V (Ns2):
120 ∗ 0.45 ≈ 7 Vòng Tương tự như cuộn thứ cấp 5V, cuộn thứ cấp 12V yêu cầu 3A mà mỗi dây 0.5mm chỉ dẫn được 0.98A nên cần tới 4 dây 0.5mm mới đủ dòng cho cuộn thứ cấp 5V
Vậy cuộn thứ cấp 12V cần dùng 4 dây 0.5mm để quấn 7 vòng
Số vòng dây cuộn nguồn nuôi IC (Na):
IC nguồn sử dụng dòng rất thấp khoảng 2mA nên chỉ cần sử dụng 1 dây 0.5mm cho cuộn này
Vậy cuộn nguồn nuôi IC cần dùng 1 dây 0.5mm để quấn 8 vòng
Thông số của biến áp Flyback như sau:
Khích thước dây quấn: 0.5 mm Điện cảm cuộn sơ cấp: 409 uH
Cuộn sơ cấp: 1 dây, 46 vòng
Cuộn thứ cấp 12V: 4 dây, 7 vòng
Cuộn thứ cấp 5V: 4 dây, 3 vòng
Cuộn nguồn nuôi IC: 1 dây, 8 vòng
3.2.5 Tính toán bảo vệ quá dòng R12
Với điện áp bảo vệ quá dòng của IC nguồn UC 3842B là 0.8V, đó là điện áp rơi trên điện trở R12 và nhằm đảm bảo dòng điện IPK không vượt qua 1.65A Điện trở R12 được tiến hành tính như sau:
1.65= 0.48Ω Công suất tiêu thụ của R12:
Ta có với hệ số an toàn nên suy ra R12 = 0.336Ω
Suy ra chọn điện trở 0.33Ω/2W là điện trở bảo vệ quá dòng R12
3.2.6 Tính toán khối dập xung ngược
Khối gồm 3 linh kiện C8, D1 và U19 Điện áp kẹp (Vclamp): V clamp = 600 ∗ 0.8 = 480V Điện áp giợn sóng kẹp: Ước tính 50V
L leak ∗ I pk 2 ∗ f Với L leak = L pri ∗ 10% = 409 ∗ 10% = 40 uH
Ta có với hệ số an toàn nên suy ra chọn PU19 là 2 W
Vì lí do hạn hẹp linh kiện nên nhóm chọn U19 có thông số 12 KΩ/2 W
50 ∗ 70000 ∗ 43000= 2.7 nF Điện áp cấp cho tụ C8 là 480 - 353 = 127V Được xem là > 300V với hệ số an toàn
Suy ra chọn tụ 472/2KV là tụ C8
Chọn diode có điện áp chịu đựng > VdsMAX
Suy ra chọn FR207 là diode D1
3.2.7 Điện áp cấp nguồn cho IC nguồn R7, D2, C5
Do độ từ cảm rò rỉ (Lleak) của biến áp, điện áp sẽ tăng đột biến xảy ra khi MOSFET ngắt Điện áp tăng này sẽ gây ra điện áp cao trong cuộn dây cấp nguồn, nó sẽ kích hoạt cơ chế bảo vệ quá dòng của IC Để giảm điện áp tăng vọt này cần lắp trở R7 (từ 5 dến
22 Ω) làm điện trở giới hạn
Nhóm quyết định sử dụng trở 10Ω để làm trở R7
Ta có: V dr = V ccMAX + V inMAX ∗ N d
46= 83.7 V Với hệ số an toàn thì V dr = 120 V Suy ra chọn diode 200V
Cần chọn tụ điện C5 để ổn định điện áp cấp nguồn cho IC Yêu cầu > 2.2 uF Nhóm chọn tụ có điện dung 47 uF làm tụ C5
3.2.8 Điện áp đầu ra cuộn 12 V D3, C9, C10, C11, L1
Nên chọn một diode chỉnh lưu đầu ra nhanh
Khi V outMAX = V out + 5% = 12 + 5% = 12.6 V Điện áp ngược trên diode:
Với hệ số an toàn thì V dr = 96 V
Chọn diode MUR1660CT làm diode D3
Việc lựa chọn tụ điện đầu ra được xác định bởi điện áp gợn sóng đỉnh tới đỉnh ΔVpp và dòng điện gợn sóng được cho phép bởi các thiết bị tải đầu ra
Khi MOSFET bật, diode đầu ra sẽ tắt, khi đó tụ điện đầu ra sẽ cung cấp điện áp cho tải nhờ năng lượng nạp trước
Khi MOSFET tắt, diode đầu ra bật, khi đó tụ điện đầu ra được tích điện và đồng thời cung cấp điện áp cho tải Đặt ∆V pp = 0.2 V
Dòng điện cực đại bên thứ cấp:
3 = 5.6 A Điện áp chịu đựng của tụ điện ước tính gấp 2 lần điện áp đầu ra
Nhóm chọn hai tụ 50V 1000 uF lần lượt là tụ C9 và tụ C10 Và hai tụ được mắc song song với nhau
Chọn lọc nhiễu đầu ra tụ C11 và cuộn cảm L1:
Cuộn cảm L1 có giá trị L uH, tụ C11 có điện dung từ 10 đến 100 uF
Nhóm chọn L1 có giá trị L uH và tụ C11 có điện dung 100 uF
3.2.9 Điện áp đầu ra cuộn 5 V D5, C12, C13, C14, L2
Nên chọn một diode chỉnh lưu đầu ra nhanh
Khi V outMAX = V out + 5% = 5 + 5% = 5.25 V Điện áp ngược trên diode:
Với hệ số an toàn thì V dr = 84 V
Chọn diode MUR1660CT làm diode D5
Việc lựa chọn tụ điện đầu ra được xác định bởi điện áp gợn sóng đỉnh tới đỉnh ΔVpp và dòng điện gợn sóng được cho phép bởi các thiết bị tải đầu ra
Khi MOSFET bật, diode đầu ra sẽ phân cực ngược, khi đó tụ điện đầu ra sẽ cung cấp điện áp cho tải
Khi MOSFET tắt, diode đầu ra bật, khi đó tụ điện đầu ra được tích điện và đồng thời cung cấp điện áp cho tải Đặt ∆V pp = 0.2 V
3 = 5.6 A Điện áp chịu đựng của tụ điện ước tính gấp 2 lần điện áp đầu ra:
Nhóm chọn hai tụ 35 V 1000 uF lần lượt là tụ C12 và tụ C13 Và hai tụ được mắc song song với nhau
Chọn lọc nhiễu đầu ra tụ C14 và cuộn cảm L2:
Cuộn cảm L2 có giá trị L uH, tụ C14 có điện dung từ 10 đến 100 uF
Nhóm chọn L2 có giá trị Lu H và tụ C14 có điện dung 100 uF.
Thiết kế từng khối
Nhóm sử sụng phầm mềm EasyEDA để sử dụng thiết kế
Hình 3.2: Phần mềm vẽ mạch EasyEDA
EasyEDA viết tắt của Easy ElectronICs Design Automation là một công cụ thiết kế vi mạch (EDA) miễn phí, không cần cài đặt, trên nền tảng điện toán đám mây, được thiết kế để mang đến cho kỹ sư điện, giảng viên, sinh viên kỹ thuật và những người yêu thích điện tử một trải nghiệm thiết kế mạch dễ dàng hơn Phần mềm cho phép người dùng vẽ thư viện linh kiện cũng như có thể được dùng thư viện người dùng chung giúp việc tìm kiếm linh kiện dễ dàng, đa dạng hơn
3.3.1 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
Dưới đây là sơ đồ nguyên lý toàn mạch thể hiện tất cả các khối và kết nối với nhau:
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
3.3.2 Khối lọc nhiễu, chỉnh lưu
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý khối lọc nhiễu,chỉnh lưu
Khi điện áp xoay chiều AC đi vào thì đầu tiên sẽ đi qua khối lọc nhiễu
Như trên hình 3.4 ta thấy tụ C1, C2 và cuộn L5 có nhiệm vụ chống nhiễu cao tần của điện áp xoay chiều AC vào trong mạch gây hỏng cầu diode và đồng thời cũng chống nhiễu ngược từ mạch vào lại điện lưới
Ngoài ra khối còn có thêm chức năng bảo vệ ngắn mạch nhờ vào cầu chì F1 nhằm bảo vệ điện lưới khi mạch xảy ra sự cố hoặc khi điện áp vào bị sự cố tăng cao đột ngột thì sẽ bảo vệ mạch
Sau khi đã qua khối lọc nhiễu thì dòng điện xoay chiều AC chạy đến khối chỉnh lưu Khối thực hiện chỉnh lưu điện áp xoay chiều 220V AC thành điện áp một chiều DC nhờ vào cầu diode Điện áp sau khi chỉnh lưu toàn chu kỳ dòng điện một chiều DC sẽ qua tụ lọc đầu vào C3 sẽ làm phằng và đưa ra điện áp một chiều 300V DC cung cấp cho mạch hoạt động
Khối chuyển mạch sử dụng MOSFET 10N60
Có vai trò như một công tắc, đóng ngắt dòng điện từ chân dương của tụ lọc đầu vào tới cuộn sơ cấp của may biến áp Flyback và đồng thời trở U8 đóng vai trò giúp mạch bảo vệ quá dòng
Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý khối chuyển mạch
3.3.4 Khối biến áp xung Đây được xem là khối quan trọng nhất của mạch Khi khối chuyển mạch hoạt động thì dòng điện đầu vào chạy qua cuộn sơ cấp và tạo ra từ trường biến thiên trên lõi ferti của biến áp Các cuộn thứ cấp nằm trên biến áp Flyback sẽ có điện áp cảm biến ra và tạo ra điện áp đầu ra Đồng thời khi khối chuyển mạch ngắt sẽ sinh ra một điện áp ngược, để triệt tiêu điện áp ngược: Khi MOSFET ngắt thì trên cuộn sơ cấp sinh ra một điện áp ngược với chiều dòng điện ban đầu đồng thời cộng thêm điện áp 300V ở tụ lọc đầu vào thì điện áp tăng cao có thể dẫn đến đánh thủng MOSFET Để khắc phục thì ta sử dụng bộ dập xung ngược gồm 3 linh kiện là D1, U19 và C8 Bộ hoạt động như sau: Khi có dòng điện ngược thì dòng ngược sẽ chạy qua diode D1 nạp cho tụ C8 và qua trở U19 nhằm giảm điện áp
Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý khối biến áp Flyback
Khối ổn áp nhóm sử dụng IC TL 431
Khi điện áp ra đạt mực ổn định thì dòng điện chạy qua qua điện trở và biến trở tạo thành cầu phân áp và điện áp sẽ qua chân R của TL 431 tạo dòng chảy K-A và đồng thời sẽ ghim điện áp ổn định lại Khi điện áp đầu ra tăng hoặc giảm thì dòng K-A đồng thời sẽ tăng hoặc giảm theo
Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý khối ổn áp
Khi điện áp ra đạt mực ổn định thì dòng điện chạy qua qua điện trở và biến trở tạo thành cầu phân áp và điện áp sẽ qua chân R của TL 431 tạo dòng chảy K-A và đồng thời sẽ ghim điện áp ổn định lại Khi điện áp đầu ra tăng hoặc giảm thì dòng K-A đồng thời sẽ tăng hoặc giảm theo
Khối hồi tiếp nhóm sử dụng opto PC 817 Điện áp đầu ra của mạch sẽ có một dòng điện chạy vào chân 1 và ra chân 2 của PC
817 làm cho đèn led sáng và được nối với điểm K của TL 431 qua A xuống đất tạo thành dòng K-A Khi đèn led sáng thì ánh sáng được nhận bởi Transistor quang làm cho nó ở trạng thái bão hòa Khi đó sẽ có một dòng điện được chạy từ chân 4 đến chân 3
Khi mạch hoạt động sẽ có giai đoạn điện áp đầu ra bị tăng hoặc giảm, lúc đó led sẽ sáng mạnh hoặc yếu đồng thời Transistor quang sẽ dẫn mạnh hoặc yếu
Nhóm sử dụng IC UC 3842 làm IC nguồn cho mạch
Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý khối tạo xung Đầu tiên để khối hoạt động thì ta cần một điện áp cấp trước từ điện áp 300V, sau khi mạch hoạt động thì nguồn nuôi của khối sẽ được lấy từ cuộn thứ cấp
Khối tạo ra một xung dao động điều khiển đóng ngắt của MOSFET, đồng thời chân
1 của IC UC 3842B sẽ nối với khối hồi tiếp tạo thành dòng điện chạy qua chân 4 tới chân 3 của opto PC 817
Khi điện áp ra giảm do lắp tải thì điện áp qua đèn led của opto sẽ giảm thì khả năng dẫn của transistor quang cũng giảm theo và dòng điện chạy từ chân 1 về đất cũng giảm Lúc này IC UC 3842B sẽ hiểu là mạch đang bị xụt áp và sẽ đưa ra xung dao động có độ rộng xung rộng hơn ban đầu làm cho dòng điện biến thiên trên cuộn sơ cấp tăng và điện áp đầu ra tăng theo đên mức ổn định
3.3.8 Khối chỉnh lưu đầu ra
Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý khối chỉnh lưu đầu ra
Trên biến áp tạo ta điện áp đầu ra thì diode sẽ chỉnh lưu điện áp và giúp cho điện áp ra ở điện áp 1 chiều DC Sau đó dòng điện qua tụ lọc C9 làm phẳng điện áp và nạp chô tụ C11 nhằm duy trì năng lượng cho tải khi MOSFET dẫn Tiếp theo thì dòng điện sẽ được lọc nhiễu qua cuộn cảm L1 và tụ C10
3.3.9 Nguyên lý hoạt động của mạch
Khi bật công tắc nguồn, điện áp xoay chiều 220V AC sẽ qua cầu chì và qua cuộn lọc nhiễu để loại bỏ các nhiễu công nghiệp trên lưới điện sau đó được chỉnh lưu qua cầu diode trở thành điện áp một chiều DC và nạo cho tụ đầu vào Sau khi nạp cho tụ đầu vào thì điện áp lúc này là 300V DC và đi qua điện trở mồi cấp nguồn cho IC UC 3842B và biến áp Flyback Sau một thời gian hoạt động thì IC UC 3842B sẽ lấy nguồn nuôi từ 1 cuộn thứ cấp của biến áp Flyback Sau khi IC UC 3842B hoạt động thì nó sẽ điều khiển MOSFET 10N60 làm việc với chế độ đóng ngắt tạo ra điệnnáp biến thiên trên cuộn sơ cấp, khi đó ở bên cuộn thứ cấp của biến áp sẽ xuất hiện dòng cảm ứng
Dòng điện cảm ứng này sẽ qua diode chình lưu và làm phẳng bởi tụ tạo thành dòng điện một chiều Và ở điện áp ra được nối với IC TL 431 thực hiện việc lấu mẫu và phát hiện điện láp lỗi để điều chỉnh điện áp ra Khi điện áp ra tăng hoặc giảm thì opto PC 817 sẽ hồi tiếp về IC UC 3842B và sẽ điều tiết độ rộng xung điều khiển MOSFET nhằm điều chỉnh lại điện áp ra.
Thi công phần cứng
3.4.1 Thi công biến áp Flyback
Sau quá trình tính toán, nhóm tiến hành quấn biến áp Flyback trên lõi EI 33 với dây đồng tròn kích thước 0.5mm
Vì biến áp Flyback có dòng điện cảm rò nên nhóm quyết định quấn nhiều lớp: Phương pháp quấn nhiều lớp này là việc chia cuộn Np (cuộn sơ cấp) thành 2 cuộn và quấn nối tiếp nhau, ở giữa cuộn sơ cấp là cuộn Ns1 (cuộn thứ cấp 5V) và cuộn Ns2
(cuộn thứ cấp 12V) và cuộn Na (cuộn nguồn nuồi IC nguồn) được quấn ngoài cùng Hình vẽ sau thể hiện các lớp quấn của biến ấp xung:
Hình 3.11: Bố trí các lớp dây của biến áp Flyback
Sau đây là các lớp quấn thực tế:
(e) Hình 3.12: Quá trình quấn biến áp Flyback
Hình 3.12 thể hiện quá trình tiến hành quấn biến áp Flyback với hình 3.12a thể hiện kết quả sau khi quấn một nữa cuộn sơ cấp (Np/2), với số dây là 1 dây và quấn 23 vòng Hình 3.12b thể hiện kết quả quấn cuộn thứ cấp 12V (Ns2), với số dây là 4 dây và quấn 7 vòng Hình 3.12c là kết quả quấn cuộn thứ cấp 5V (Ns1), cuộn sử dụng 4 dây và được quấn 3 vòng Hình 3.12d là cuộn một nữa cuộn sơ cấp còn lại (Np/2), được sử dụng 1 dây và quấn 23 vòng Hình 3.12e là cuộn nguồn nuôi IC (Na) và được quấn 8 vòng với 1 dây
Quấn xong tất cả các cuộn nhóm tiến hành đo độ tự cảm của cuộn sơ cấp và lót các tấm phim vào giữa lõi E và lõi I của biến áp Flyback cho đến khi độ từ cảm của cuộn sơ cấp đạt yêu cầu và tiến hành quấn keo cố định lõi biến áp và hàn dây đồng vào chân nhằm đảm bảo độ tiếp xúc giữa dây đồng với chân của biến áp và hoàn thiện biến áp
(c) Hình 3.13: Quá trình đo và đóng lõi biến áp
Hình 3.13 thể hiện quá trình nhóm tiến hành đo độ từ cảm của cuộn thứ cấp với giá trị Lpri= 409uH đã tính toán ở trên để lắp lõi biến áp Hình 3.13a thể hiện giá trị điện cảm của cuộn thứ cấp khi chưa có độ hở không khí Lpri = 6.78 mH Hình 3.13b thể hiện quá trình tạo khe hở không khí nhằm mục đích làm giảm độ từ cảm của cuộn sơ cấp, nhóm sử dụng tấm phim cách nhiệt cắt nhỏ và lót vào giữa hai lõi E và I Hình 3.13c thể hiện kết quá sau khi đã lót các tấm phim cách nhiệt và đo lại độ từ cảm nằm ở khoảng cho phép Lpri= 438 uH
Hình 3.14: Hoàn thiện biến áp Flyback
3.4.2.1 Các bước thi công phần cứng gồm:
Mạch in được thiết kế trên phần mềm công cụ EasyEDA
Thực hiện và tiến hành thi công mạch
Sau khi thi công xong, sẽ dùng đồng hồ VOM để kiểm tra ngõ vào, ngõ ra để kiểm tra có lỗi trong lúc thi công hay không Nếu có, nhóm tiến hành tìm nguyên nhân gây ra lỗi và nghiên cứu sửa chữa
Hình 3.15: Sơ đồ bố trí linh kiện
Sau khi làm mạch in ra board đồng, cần kiểm tra các đường mạch đã nối với nhau như thiết kế ban đầu chưa Sử dụng mũi khoan phù hợp với kích thước chân cho từng linh kiện để việc sắp xếp linh kiện lên mạch và hàn mạch được thuận tiện và chính xác
Thực hiện xong quá trình khoan, nhóm tiến hành bôi hỗn hợp xăng và nhựa thông nhằm hạn chế việc oxi hóa đường dây đồng Khi board khô tiến hành sắp xếp linh kiện lên board theo như thiết kế và tiến hành hàn linh kiện
Khi mạch được hoàn thiện tiến hành chạy thử Nhóm sử dụng một đèn sợi đốt mắt nối tiếp mạch nhằm mục đích khi mạch xảy ra sự cố thì bóng đèn sẽ sáng tránh hư hại đến mạch và gây nguy hiểm Bóng đèn không sáng hoặc chớp nháy đồng nghĩa mạch hoạt động bình thường, tiến hành sử dụng đồng hồ VOM đo điện áp đầu vào và điện áp đầu ra của mạch
3.4.2.3 Thống kê linh kiện được sử dụng trong mạch
Bảng 3.1: Danh sách linh kiện
STT Tên linh kiện Số lượng
STT Tên linh kiện Số lượng
2 Lọc từ UU10.5 10mH 1 7 Tụ hóa 400V/120uF 1
5 Lọc từ UU10.5 10mH 1 10 Tụ hóa 400V/120uF 1
STT Tên linh kiện Số lượng
STT Tên linh kiện Số lượng
12 Opto quang PC817 1 21 Tụ hóa 50V/1000uF 2
13 IC TL431 1 22 Tụ hóa 50V/47uF 1
16 Diode FR107 1 25 Tụ cao áp 4.7nF 2KV 1
17 Diode MUR1660CT 2 26 Tụ tạo dao động 1
18 Lõi biến áp EI33 (6+6) 1 27 Điện trở 18
Thi công mô hình
Sau khi thi công, kiểm tra, lắp ráp và hàn các board mạch của hệ thống, nhóm tiến hành thi công mô hình: Mô hình được làm bằng chất liệu nhựa ABS Loại nguyên liệu này rất dễ mua, có thể tìm thấy và mua ở các cửa hàng điện dân dụng hoặc các trang mua hàng trực tuyến,… Tùy theo nhu cầu sử dụng mà có thể mua theo kích thước khác nhau Đặc điểm của nhựa này là cứng cáp, bền
Nhóm sử sụng hộp nhưa ABS có nắp trong suốt giúp dễ dàng quan sát được mạch bên trong Hộp nhằm mục đích bảo vệ mạch bên trong tránh các tác nhân môi trường bên ngoài gây hỏng hóc
Chịu nhiệt độ ngưỡng: -20 0 C đến 90 0 C
Cuối cùng, để hoàn thiện mô hình, nhóm sẽ tiến hành cắt phần dư của board đồng vừa với kích thước hộp, khoan lỗ đưa dây cấp nguồn,lắp công tắc nguồn, lắp đặt đồng hồ hiển thị và đưa jack cắm điện áp đầu ra ra ngoài để tiện sử dụng sau này
Hình 3.19: Mô hình hoàn thiện.
KẾT QUẢ, NHẬT XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ
Kết quả đạt được
Sau 15 tuần nghiên cứu và thi công dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy Phạm Văn Phát , nhóm đã hoàn thành được đề tài, giải quyết các vấn đề cho mô hình để đưa vào việc sử dụng trong thực tế và hoàn thành được các yêu cầu mà ở chương một đã đặt ra:
Hiểu và thực hiện thi công một mạch nguồn xung Cụ thể là tìm hiểu mạch nguồn xung Flyback
Tiếp cận, thực hiện và hoàn thiện mô hình mạch nguồn Flyback
Biết được cách thiết kế một board mạch nguồn
Hiểu được nguyên lý hoạt động của biến áp Flyback và tính toán, quấn được biến áp Flyback
Hiểu nguyên lý hoạt động của các linh kiện như MOSFET, IC UC3842, PC 817,….
Kết quả thực nghiệm
Sau quá trình nghiên cứu, thiết kế và thi công, nhóm đạt được một số kết quả sau:
Hình 4.1: Mô hình khi chưa có tải
Hình 4.2: Mô hình khi có tải
Khi hoạt động thì trên mô hình sẽ có hai đồng hồ hiển thị dòng điện và điện áp đầu ra của mô hình Bên phải là đồng hồ hiển thị của nguồn 5V và bên trái sẽ hiển thị nguồn 12V Trên đồng hồ hiển thị thì với các số mày đỏ ở trên sẽ thể hiện giá trị điện áp và số màu xanh ở dưới sẽ hiển thị dòng điện cử nguồn ra
Nhóm thực hiện tiến hành đo điện áp trên máy hiện sóng GW Instek GDS-1102B
Kết quả đo khi mạch chưa có tải
(a) Dạng sóng đầu ra nguồn 12V khi không có tải
(b) Dạng sóng đầu ra nguồn 5V khi không có tải Hình 4.3: Dạng sóng đầu ra khi không có tải Điện áp đầu đầu ra khi chưa có tải nguồn 12v ổn định ở điện áp 12V và nguồn 5V dao động từ 4.8V đến 5.2V
Kết quả đo khi mạch có tải
(a) Dạng sóng đầu ra nguồn 12V khi có tải
(b) Dạng sóng đầu ra nguồn 5V khi có tải
Hình 4.4: Dạng sóng đầu ra khi có tải
Khi mạch nguồn có tải thì điện áp đầu ra trên cuộn 12V bị xụt áp xuống 11.2V nhưng mạch hồi tiếp đã điều chỉnh lên điện áp 12V ổn định và nguồn 5V khi có tải vẫn giao động từ 4.8V đến 5.2V Điện áp hồi tiếp của mạch khi có tải và khi không có tải:
(a) Điện áp hồi tiếp khi không có tải
(b) Điện áp hồi tiếp khi có tải
Hình 4.5: Điện áp hồi tiếp của mạch
Khi mạch nguồ không có tải mạch hoạt động ổn định điện áp hồi tiếp là 1.68V, khi có tải điện áp đầu ra bị sụt áp lúc này điện áp hồi tiếp tăng lên 1.96V và đưa về IC nguồn và IC nguồn sẽ điều chỉnh xung rộng hơn khi chưa có tải để đưa điện áp đầu ra lên điện áp ban đầu
Dạng xung của mạch khi có tải và không có tải
(a) Xung điều khiển khi chưa có tải
(b) Xung điều khiển khi có tải
Hình 4.6: Xung điều khiển của mạch
Khi có tải độ rộng xung của xung điều khiển rộng hơn khi chưa có tải Điện áp tụ của nguồn nuôi IC nguồn
(a) Điện áp tụ nguồn nuôi khi không tải
(b) Điện áp tụ nguồn nuôi khi có tải
Hình 4.7: Điện áp tụ nguồn nuôi
Nhóm sử dụng các động cơ DC mini và trở công suất có giá trị 4Ω/50W, 12Ω/50W, 2Ω/50W, 4.7 Ω/50W để sử dụng thay cho tải với các dòng điện khác nhau
Hình 4.8: Các điện trở công suất
Kết quả đo thực tế:
Bảng 4.1: Kết quả đo thực tế
Nguồn 12V Nguồn 5V Điện áp đầu ra (V)
Công suất đầu ra (W) Điện áp đầu ra (V)
Hình 4.9: Biểu đồ điện áp đầu ra nguồn 12V
Hình 4.10: Biểu đồ điện áp đầu ra nguồn 5V
Hình 4.9 thể hiện điện áp đầu ra của nguồn 12V với các dòng khác nhau từ thấp đến cao Ta thấy nguồn 12V hoạt động tốt ở các dòng điện Với dòng nhỏ hơn 2A thì mạch ổn định ở mức điện áp 12V, khi ở dòng lớn hơn từ 2A đến 3A thì nguồn có bị sụt
Biểu đồ điện áp ra nguồn 12V Điện áp ra (V)
Biểu đồ điện áp ra nguồn 5V Điện áp ra (V) áp so với điện áp ban đầu, cụ thể là khi ở dòng 2A thì nguồn xục xuống 11.9V và khi ở dòng 3A thì nguồn giảm còn 11.7V Tỉ lệ sụt áp khi tải lớn so với khi chưa có tải là 3.3% và độ sụt áp này nằm trong mức cho phép của mạch
Hình 4.10 thể hiện điện áp đầu ra của nguồn 5V Với biểu đồ ta thấy nguồn 5V hoạt động chưa đúng với yêu cầu đặt ra ban đầu Cụ thể đó là nguồn 5V cho ra dòng điện chưa đủ so với thiết kế ban đầu là 3A và độ sụt áp khi dòng lớn của mạch vượt quá ngưỡng cho phép
Nguyên nhân có thể xảy ra lỗi sụt áp lớn là do mạch chỉ so sánh điện áp và hồi tiếp ở cuộn 12V, cuộn 5V không được hồi tiếp về IC nguồn nên độ sụt áp này IC nguồn sẽ không biết và không điều chỉnh được xung để đưa điện áp tăng lên lại mức ổn định Nguyên nhân của việc chưa đủ công suất của nguồn 5V, nhóm đưa ra các nguyên nhân sau:
• Chênh lệch điện cảm: Khi biến áp hoạt động, ở cuộn sơ cấp sẽ tạo ra từ trường biến thiên trong lõi và từ thông biến thiên của từ trường đó qua hai cuộn thứ cấp gây ra suất điện động cảm ứng trong hai cuộn thứ cấp Tuy nhiên cuộn 12V được sử dụng là nguồn chính nên có thể từ trường biến thiên của lõi bị cuộn thứ cấp nguồn 12V chiếm phần lớn và ở cuộn thứ cấp nguồn 5V không đủ để tạo ra được công suất lớn
• Chất liệu cấu thành lõi Ferrit: Hiện nay có rất nhiều nhà sản xuất thiết bị điện tử và tính cạnh tranh về giá rất cao, đồng thời lõi ferit được chế tạo bởi rất nhiều thành phần khác nhau nên khi sản xuất có thể các hợp chất bị lẫn nhiều tạp chất khác hoặc tinh luyện hợp chất chưa đảm bảo dẫn đến khi hoạt động tần số cao tổn thất năng lượng trong lõi và từ hóa cao hơn so với tính toán và thông số kỹ thuật
Nhóm đã tìm hiểu nhiều nguyên nhân và thực hiện khắc phục nhưng chưa khắc phục được lỗi này
Hướng giải quyết: Nhóm tiếp tục nghiên cứu tìm ra nguyên nhân để khắc phục lỗi và tìm hiểu và chọn mua vật liệu, linh kiện ở những hàng sản xuất lớn, đáng tin cậy có sai lệch với thông số thấp.
Nhận xét
Sau khi thi công xong mô hình, nhóm đã vận hành khảo sát thực tế Mạch hoạt động ổn định, đưa điện áp đầu ra đúng như yêu cầu Công cuộn thứ cấp 12V đạt đủ công suất, tuy nhiên còn có nhiều hạn chế như khi cuộn thứ cấp 12V có tải mà cuộn thứ cấp 5V không có tải thì điện áp ở cuộn thứ cấp 5V bị tăng cao, điện áp hồi tiếp chưa chuẩn, hồi tiếp chỉ được một cuộn thứ cấp, cuộn thứ cấp 5V chưa đủ công suất theo yêu cầu và biến áp bị kêu trong một khoảng thời gian ngắn khi có dòng điện tăng lên đột ngột Để khắc phục vấn đề này thì cần quấn biến áp Flyback chắc chắn hơn, chọn mua dây đồng tránh bị pha tạp chất nhiều, tính toán biến áp chuẩn xác hơn
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Sau khoảng thời gian kể từ khi chúng em được nhận và tìm hiểu sau đó thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế mạch nguồn ổn áp DC kiểu Flyback với nhiều mức điện áp đầu ra” nhóm đã đạt đuợc khoảng 85% mục tiêu đặt ra ban đầu
• Tìm hiểu nguyên lý hoạt động và thiết kế mạch nguồn xung
• Thiết kế biến áp Flyback
• Thiết kế mạch nguồn xung
Sau thời gian 15 tuần nghiên cứu và thi công, nhóm đã thực hiện được công việc như thiết kế, xây dựng phần cứng Hiểu được cơ bản về cơ chế và cách thức hoạt động của một nguồn xung Flyback Từ những yêu cầu đặt ra đó, nhóm đã đạt được một số yêu cầu sau:
• Kết quả thi công hoàn thiện
• Hệ thống chạy tương đối ổn định
• Board mạch thiết kế gọn gàng và hợp lý, dễ sử dụng và sửa chữa
Nhưng vẫn còn nhiều vấn đề chưa giải quyết được trong đề tài này :
• Cuộn thứ cấp 5V chưa đạt đủ công suất
• Điện áp hồi tiếp chỉ hồi tiếp được một cuộn thứ cấp
• Và vì rất nhiều nguyên nhân khách quan như phần cứng không chính xác, nhiễu loạn, chất liệu sản xuất linh kiện lẫn nhiều tạp chất,… nên không thể ổn định tuyệt đối như mong muốn
• Tiếp tục nghiên cứu hồi tiếp điện áp đầu ra được hai cuộn thứ cấp nhằm ổn định điện áp cả hai cuộn thứ cấp
• Tiếp tục khắc phục lỗi cuộn thứ cấp 5V
• Thiết kế mạch nhỏ gọn hơn nữa để dễ dàng sử dụng các thiết bị ở không gian hẹp
• Tiếp tục nghiên cứu và khắc phục lỗi nhằm đưa vào sử dụng trong thực tiễn.