(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế hệ thống nạp cho bình điện trên xe gắn máy điện(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế hệ thống nạp cho bình điện trên xe gắn máy điện(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế hệ thống nạp cho bình điện trên xe gắn máy điện(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế hệ thống nạp cho bình điện trên xe gắn máy điện(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế hệ thống nạp cho bình điện trên xe gắn máy điện(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế hệ thống nạp cho bình điện trên xe gắn máy điện(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế hệ thống nạp cho bình điện trên xe gắn máy điện(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế hệ thống nạp cho bình điện trên xe gắn máy điện(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế hệ thống nạp cho bình điện trên xe gắn máy điện(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế hệ thống nạp cho bình điện trên xe gắn máy điện(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế hệ thống nạp cho bình điện trên xe gắn máy điện(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế hệ thống nạp cho bình điện trên xe gắn máy điện(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế hệ thống nạp cho bình điện trên xe gắn máy điện(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế hệ thống nạp cho bình điện trên xe gắn máy điện(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế hệ thống nạp cho bình điện trên xe gắn máy điện(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế hệ thống nạp cho bình điện trên xe gắn máy điện(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế hệ thống nạp cho bình điện trên xe gắn máy điện(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế hệ thống nạp cho bình điện trên xe gắn máy điện
TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Hầu hết các phương tiện giao thông hiện nay sử dụng động cơ đốt trong chạy nhiên liệu hóa thạch, gây ô nhiễm môi trường và phát thải khí nhà kính chiếm tỷ lệ lớn Nghiên cứu cho thấy phương tiện giao thông tạo ra 55% khí NOx, 56% khí CO, và 6% khí SO2 trong khí thải toàn cầu, thúc đẩy xu hướng phát triển xe sử dụng nguồn năng lượng sạch hơn như xe điện (EV) Xe điện đang trở thành xu hướng toàn cầu, dần thay thế xe chạy bằng nhiên liệu hóa thạch truyền thống, với các hãng sản xuất tích cực nghiên cứu và cải tiến công nghệ Hệ thống nạp năng lượng của xe điện đóng vai trò quan trọng, trong đó mạch sạc cung cấp điện vào pin để xe có thể vận hành, đòi hỏi phải đảm bảo điện áp ổn định và dòng điện phù hợp để tránh quá tải và hư hỏng pin Trong nghiên cứu về xe máy điện, bộ pin lithium-ion 60 cell có điện áp khi đầy khoảng 240V, cần mạch chuyển đổi điện áp từ AC-DC với đầu ra hơn 240V, dòng 0.5-1A phù hợp để sạc an toàn Hiện tại, phương pháp sạc chủ yếu sử dụng mạch chỉnh lưu AC-DC khoảng 300V, kết hợp với điện trở và bóng đèn để giảm dòng xuống phù hợp, nhưng cách này khá bất tiện và cồng kềnh Chính vì vậy, đề tài “Nghiên cứu thiết kế mạch nạp cho bình điện trên xe gắn máy điện” được lựa chọn nhằm tạo ra mạch sạc nhỏ gọn, hiệu quả, với đầu ra 300V và dòng ổn định từ 0.5-1A.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
Thiết kế được mạch sạc cho pin chuyển đổi từ điện 220V AC sang 300V DC với dòng điện 0.5-1A,công suất đầu ra vào khoảng từ 150 đến 300W
Tiến hành thử nghiệm trên tải bóng đèn và sạc pin để xem độ ổn định cũng như hiệu suất của mạch
Đối tượng phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Nguồn xung flyback; IC điều xung UC3843; các linh kiện điện tử; phần mềm Proteus
Nghiên cứu này tập trung vào nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các đối tượng trong thiết kế mạch chuyển đổi Các ứng dụng của chúng trong lĩnh vực thiết kế mạch cũng được đề cập, nhằm cung cấp kiến thức toàn diện về cấu trúc và chức năng của các thành phần này Tuy nhiên, bài viết sẽ không đi sâu vào các thuật toán hoặc các phần liên quan đến chuyên ngành điện - điện tử để giữ phạm vi nghiên cứu phù hợp với mục tiêu đề tài.
Phương pháp nghiên cứu
Tìm hiểu lý thuyết : tìm hiểu các tài liệu lý thuyết trên mạng liên quán đến các bộ AC-
Học hỏi kiến thức về DC converter và nguồng xung flyback, đặc biệt từ các thầy cô, bạn bè và những người đi trước, giúp hiểu rõ nguyên lý hoạt động của mạch Thực hiện thiết kế mạch điện theo mẫu chuẩn của hãng Texas Instruments với đầu ra 12V 4A đảm bảo tính ổn định và hiệu quả Sau đó, tiến hành thay đổi linh kiện phù hợp để tối ưu hóa hoạt động của mạch và phù hợp với yêu cầu thực tế.
Phương pháp thực nghiệm bao gồm tính toán thiết kế, thực nghiệm, đo đạc so sánh kết quả và tìm kiếm phương án cải tiến để đạt được kết quả mong muốn Quá trình này thực hiện theo mạch điện chuẩn của hãng Texas Instruments với đầu ra 12V 4A, sau đó thay đổi linh kiện phù hợp để tạo ra mạch có đầu ra 300V 1A.
1.5 Một số đề tài nghiên cứu tương tự trong và ngoài nước
Trong nước, đề tài "Thiết kế bộ chuyển đổi DC – DC mới cho hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời" do Trịnh Trung Hiếu cùng các cộng sự Đoàn Anh Tuấn và Lê Thị Tịnh Minh thực hiện, nhằm nâng cao hiệu quả và độ bền của hệ thống năng lượng mặt trời.
Nghiên cứu tập trung vào thiết kế bộ chuyển đổi DC/DC mới phù hợp với sự thay đổi công suất của nhà máy điện mặt trời, được hình thành từ nhiều bộ chuyển đổi nhỏ nối theo một quy luật nhất định để tạo ra công suất lớn hơn Bằng cách cô lập một số bộ chuyển đổi nhỏ và kết hợp điều khiển góc mở, bộ chuyển đổi có thể đáp ứng điện áp đầu vào và đầu ra rộng theo yêu cầu Đặc biệt, nghiên cứu đã lắp ráp thành công bộ chuyển đổi DC/DC 200W cho tấm pin mặt trời PEPV-48-200, và kết quả thử nghiệm cho thấy thiết bị hoạt động ổn định, hiệu suất được nâng cao, phù hợp để ứng dụng trong thực tế.
Nghiên cứu “Single-stage QR AC-DC converter dựa trên mạch buck-boost và flyback” của nhóm tác giả Yijie Wang, Shu Zhang, Yueshi Guan, Xiaosheng Liu, Dianguo hướng đến việc cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng Trong đó, mạch buck-boost hoạt động ở chế độ DC đầy đủ (DCM) để đạt công suất đầu vào cao, còn bộ flyback converter hoạt động theo chế độ QR nhằm chuyển đổi năng lượng hiệu quả Việc chế độ QR đóng ngắt giúp giảm hao tổn năng lượng, từ đó nâng cao hiệu suất của bộ chuyển đổi Sử dụng cấu trúc single-stage giảm chi phí và tăng hiệu quả hệ thống Hệ thống này được thiết kế với công suất đầu ra 50W, đạt PF tối đa 0.99 và hiệu suất khoảng 90.91% trong điều kiện thử nghiệm thông thường.
1.6 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài
Mạch sạc đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong hệ thống của xe điện, đặc biệt trong các dự án xe máy điện sử dụng bộ pin 60 cell 240V Hiện tại, hệ thống sạc thường sử dụng mạch chỉnh lưu có điện áp đầu ra khoảng 300V, kết hợp với trở công suất để giảm dòng điện xuống dưới 1A, nhằm phục vụ quá trình sạc Tuy nhiên, hệ thống này gây bất tiện và không thích hợp để thương mại hóa do độ ổn định không cao Nghiên cứu chế tạo hệ thống mạch sạc mới không chỉ hỗ trợ quá trình học tập và nghiên cứu, giúp tạo ra nguồn sạc ổn định và nhỏ gọn hơn, mà còn đóng vai trò quan trọng trong quá trình hiện thực hóa xe điện do nhóm đang phát triển.
1.7 Kết quả dự kiến đạt được
Mạch chuyển đổi điện áp với đầu vào là điện xoay chiều 220V và đầu ra là 300V và dòng điện vào khoảng 0.5-1A.
Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài
Mạch sạc đóng vai trò thiết yếu trong hệ thống xe điện, đảm bảo quá trình cung cấp năng lượng cho pin hoạt động hiệu quả Hiện tại, dự án xe máy điện sử dụng mạch chỉnh lưu có điện áp đầu ra khoảng 300V, nối tiếp với trở công suất để giảm dòng điện xuống dưới 1A nhằm sạc pin Tuy nhiên, hệ thống này gặp phải những bất tiện lớn về tính ổn định, khiến khó có thể ứng dụng thương mại Việc nghiên cứu và phát triển hệ thống mạch sạc mới không chỉ hỗ trợ quá trình học tập và nghiên cứu, mà còn góp phần tạo ra nguồn sạc ổn định, nhỏ gọn hơn, thúc đẩy khả năng thương mại hóa xe điện trong tương lai.
Kết quả dự kiến đạt được
Mạch chuyển đổi điện áp với đầu vào là điện xoay chiều 220V và đầu ra là 300V và dòng điện vào khoảng 0.5-1A
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Mạch chỉnh lưu
Một mạch chỉnh lưu là hệ thống điện tử sử dụng các linh kiện như diode bán dẫn hoặc đèn chỉnh lưu thủy ngân để chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều, thường được dùng trong bộ nguồn cung cấp dòng điện DC hoặc trong các mạch tách sóng tín hiệu vô tuyến Các linh kiện tích cực trong mạch giúp đảm bảo quá trình chỉnh lưu hiệu quả, góp phần cải thiện hiệu suất hệ thống điện Mạch chỉnh lưu đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng điện tử, đặc biệt trong các thiết bị cần nguồn DC ổn định và sạch.
Mạch chỉnh lưu nửa sóng chỉ truyền qua một nửa chu kỳ dương hoặc âm nhờ diode, trong khi nửa kia bị khóa tùy vào chiều lắp đặt của diode Do chỉ chỉnh lưu một nửa chu kỳ, mạch có hiệu suất truyền công suất thấp và thường được thiết kế với một diode bán dẫn trong các mạch nguồn một pha.
Hình 2.1 Mạch chỉnh lưu nửa sóng[3]
Mạch chỉnh lưu toàn sóng
Mạch chỉnh lưu toàn sóng biến đổi cả hai thành phần cực tính của dạng sóng đầu vào thành một chiều Do đó nó có hiệu suất cao hơn
Hình 2.2 Mạch chỉnh lưu toàn sóng [3]
Mạch chỉnh lưu toàn sóng biến đổi cả hai nửa chu kỳ của dòng xoay chiều thành một điện áp một chiều duy nhất, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu nguồn điện ổn định Nó hoạt động bằng cách chuyển hướng dòng điện của nửa chu kỳ âm (hoặc dương) của sóng xoay chiều, giúp tạo ra điện áp một chiều liên tục Nửa còn lại của dòng điện sẽ kết hợp với nửa kia để hình thành một điện áp chỉnh lưu hoàn chỉnh, nâng cao hiệu quả và độ ổn định của nguồn điện đầu ra.
Nguồn xung
Nguồn xung (Switching regulator) là loại nguồn cung cấp điện đầu ra dựa trên công nghệ chuyển mạch bán dẫn, thay vì sử dụng phương pháp tuyến tính truyền thống Nguồn xung cơ bản bao gồm hai thành phần chính: bộ phận chuyển đổi năng lượng (biến áp) và mạch điều khiển để tạo ra các xung đóng ngắt dòng điện Công nghệ chuyển mạch giúp nguồn xung hoạt động hiệu quả hơn, tiết kiệm năng lượng và ổn định điện áp đầu ra theo yêu cầu.
Hình 2.3 Sơ đồ tổng thể của 1 nguồn xung [4]
Nguồn xung bao gồm các loại như sau:
Nguồn xung Buck là loại nguồn xung hạ áp, có khả năng giảm điện áp đầu ra xuống thấp hơn điện áp đầu vào, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu công suất nhỏ Thiết kế của nguồn xung Buck tập trung vào việc cung cấp hiệu quả cao trong việc điều chỉnh điện áp, giúp tiết kiệm năng lượng và tối ưu hóa hoạt động của các thiết bị điện tử Với đặc điểm nhỏ gọn, dễ lắp đặt và vận hành, nguồn xung Buck là giải pháp lý tưởng cho các hệ thống có yêu cầu công suất thấp và độ ổn định cao.
Hình 2.4 Mạch nguồn xung kiểu buck cơ bản [5]
Mạch gồm nguồn điện, công tắc bán dẫn (thường là BJT hoặc MOSFET) được điều khiển đóng mở với tần số cao nhờ mạch điều khiển TR1 Hệ thống còn kết hợp với diode D1, cuộn cảm L1 và tụ lọc nhằm ổn định dòng điện và giảm nhiễu, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
C1 để giúp cho mức điện áp đầu ra đạt được như mong muốn Mạch sẽ có 2 giai đoạn hoạt động là dựa vào công tắc TR1 ON hay OFF
Khi diode D1 không cho dòng điện chạy qua, dòng điện sẽ đi qua cuộn cảm L1, cung cấp năng lượng cho tải và tích trữ vào tụ C1 Đồng thời, quá trình này cũng tạo ra từ trường bên trong cuộn dây, đóng vai trò quan trọng trong quá trình hoạt động của mạch.
Khi TR1 OFF, dòng điện từ nguồn bị ngắt đột ngột, gây ra sự thay đổi đột ngột của từ thông trong cuộn dây Sự thay đổi này sinh ra dòng điện cảm ứng, tiếp tục chạy qua tải và trở về cuộn dây thông qua diode, đảm bảo dòng điện vẫn duy trì trong mạch.
Nguồn xung boost là loại nguồn cung cấp điện theo nguyên tắc ngược so với nguồn buck, trong đó điện áp đầu ra cao hơn điện áp đầu vào Cấu tạo của nguồn xung boost tương tự như nguồn buck, nhưng điểm khác biệt nằm ở cách sắp xếp các linh kiện, giúp tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi điện năng.
Hình 2.5 Mạch nguồn xung kiểu boost cơ bản [5]
Dòng điện đi qua cuộn dây rồi trở về mass gây ra hiện tượng ngắn mạch, làm tăng dòng điện và tích tụ năng lượng từ cuộn dây Khi đó, tụ C1 đóng vai trò là nguồn cung cấp năng lượng cho tải, đảm bảo hoạt động liên tục của hệ thống.
Khi TR1 OFF, dòng điện từ nguồn kết hợp với dòng điện đã tích trữ trong cuộn cảm trước đó sẽ đi qua diode và đến tải Quá trình này còn giúp nạp năng lượng cho tụ, từ đó tăng điện áp đầu ra hiệu quả.
Kiểu buck-boost là mạch tạo điện áp trái dấu, cung cấp đầu ra có điện áp đối chiều với đầu vào DC (âm hoặc dương) Mạch này có khả năng điều chỉnh điện áp đầu ra phù hợp bằng cách thay đổi trị tuyệt đối, có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp đầu vào Đây là giải pháp hiệu quả để duy trì mức điện áp ổn định trong các ứng dụng yêu cầu biến đổi điện áp linh hoạt.
Hình 2.6 Mạch kiểu buck-boost cơ bản[5]
TR1 ON: Điện áp vào Vin khiến dòng đi qua cuộn dây tăng lên Lúc này dòng cấp cho tải chỉ là dòng do tụ phóng ra
TR1 OFF xảy ra khi điện áp vào Vin bị ngắt, dẫn đến dòng qua cuộn dây giảm dần Khi dòng giảm, điện áp trên cuộn dây tăng lên, nạp vào tụ để duy trì nguồn điện Đồng thời, diode D1 mở thông giúp dòng phóng ra từ cuộn dây cấp nguồn cho tải, đảm bảo hoạt động liên tục của hệ thống.
Nguồn xung flyback là loại nguồn linh hoạt nhất trong các loại nguồn xung thông dụng, cho phép thiết kế nhiều đầu ra ở các mức điện áp khác nhau, kể cả đầu ra điện áp âm Mạch flyback thường được sử dụng trong các hệ thống cung cấp năng lượng từ nguồn năng lượng mặt trời, gió, và các hệ thống yêu cầu nhiều mức điện áp đầu ra theo nhu cầu của hệ thống như +5V, +12V, -12V… với hiệu suất cao Sơ đồ nguyên lý cơ bản của mạch nguồn flyback giúp hiểu rõ chức năng và ưu điểm của loại nguồn này trong các ứng dụng điện tử.
Hình 2.7 Sơ đồ mạch nguồn xung flyback cơ bản[6]
Mạch nguồn flyback có đặc tính quan trọng nhất là cực tính của hai cuộn sơ cấp và thứ cấp Để tạo ra điện áp dương, cực tính của hai cuộn dây phải ngược nhau, trong khi để tạo ra điện áp âm, chúng cần cùng chiều Nguyên tắc hoạt động của mạch dựa trên sự điều chỉnh cực tính giữa các cuộn dây để điều chỉnh chiều điện áp và dòng điện Hiểu rõ đặc tính cực tính này giúp thiết kế và vận hành mạch nguồn flyback hiệu quả hơn trong các ứng dụng công nghiệp và điện tử.
Khi công tắc đóng, dòng qua cuộn sơ cấp tăng lên, làm điện thế ở đầu có dấu chấm nhỏ hơn so với đầu còn lại, dẫn đến điện thế ở cuộn thứ cấp cũng có hiện tượng tương tự Điện thế ở đầu có dấu chấm của cuộn thứ cấp nhỏ hơn đầu kia, gây ra điện áp âm đặt lên diode theo chiều thuận, làm diode bị khóa Lúc này, nguồn cấp cho tải chỉ dựa vào tụ phóng ra, cung cấp năng lượng tạm thời cho tải trong quá trình này.
Khi công tắc mở, dòng điện qua cuộn sơ cấp giảm, gây ra sự chênh lệch điện thế giữa các đầu của cuộn sơ cấp Đầu có dấu chấm lớn hơn nắm giữ điện thế dương cao hơn so với đầu còn lại, từ đó tạo điều kiện cho điện áp trong cuộn thứ cấp cũng tăng lên tương ứng Điện áp dương đặt theo chiều thuận của diod, khiến diod mở ra và dẫn dòng từ cuộn thứ cấp để nạp năng lượng cho tụ điện và cung cấp điện cho tải.
2.2.3 Các yếu tố khác trong nguồn xung
Tất cả các loại nguồn xung thông dụng đều có dạng điện áp đầu ra là xung vuông với tần số xác định, gọi là Pulse Width Modulation (PWM) hay băm xung trong tiếng Việt Công nghệ PWM giúp điều chỉnh công suất và hiệu suất hoạt động của các thiết bị điện tử, tối ưu hóa quá trình chuyển đổi năng lượng Nhờ vào khả năng kiểm soát chính xác các xung, PWM được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển – từ nguồn cung cấp điện cho đến điều khiển mô-tơ, mang lại hiệu quả cao và tiết kiệm năng lượng.
UC3843
Đây là IC thuộc họ UCx84x dùng để điều xung, cung cấp các tính năng cần thiết cho các mạch tạo xung trong chuyển đổi DC-DC với tần số cố định IC tích hợp mạch khóa sụt áp (undervoltage lockout), mạch hạn dòng khởi động chỉ tiêu thụ không quá 1mA, cùng với mạch khuếch đại lỗi để tham chiếu điện áp đầu vào Ngoài ra, IC còn gồm mạch điều chế độ rộng xung (PWM) và mạch so sánh để điều khiển hạn dòng (current-limit control), giúp kiểm soát dòng điện chính xác Đầu ra của IC dạng xung thường được sử dụng để điều khiển MOSFET kênh N, điều khiển dòng điện đi qua biến áp xung trong các ứng dụng chuyển đổi nguồn hiệu quả.
Hình 2.11 Cấu tạo bên trong của UC3843 [7]
Hình 2.12 Sơ đồ chân của UC3843 [7]
Chân COMP là chân nhận hồi tiếp quan trọng giúp điều chỉnh bộ khuếch đại lỗi trong IC Người dùng có thể đưa chu kỳ hoạt động (duty cycle) của IC về 0 bằng cách nối chân COMP với GROUND, từ đó kiểm soát chính xác hoạt động của mạch.
Chân VFB trong bộ khuếch đại IC hoạt động như chân hồi tiếp nội bộ để kiểm soát điện áp đầu ra ổn định Điện áp tại chân này so sánh với điện áp chuẩn nội bộ 2.5V; khi điện áp này cao hơn, IC sẽ giảm độ rộng xung để điều chỉnh, còn khi thấp hơn, nó sẽ tăng độ rộng xung để đạt mức điện áp mong muốn, giúp duy trì sự ổn định của đầu ra.
ISENSE là chân cảm dòng quan trọng, thường được kết hợp với điện trở cảm dòng để hồi tiếp tín hiệu dòng điện từ cuộn sơ cấp về cho IC Chức năng chính của ISENSE là đảm bảo dòng điện trong mạch duy trì ở mức mong muốn, giúp điều chỉnh và kiểm soát hoạt động của hệ thống một cách chính xác và ổn định.
Chân RT/CT xác định tần số dao động của mạch (fosc), được tính toán dựa trên cách nối chân này giữa điện trở RCT và tụ điện CCT Trong các bộ IC UCx84x, tần số tối đa có thể đạt khoảng 500kHz, phù hợp với ứng dụng yêu cầu tần số cao Rở lại, giá trị của RCT nên trong khoảng từ 5kΩ đến 100kΩ để đảm bảo hoạt động ổn định và chính xác của mạch.
CCT vào khoảng 1nF – 100nF Giá trị fosc được xác định như sau: f 𝑜𝑠𝑐 = 1,72
𝑅 𝑅𝑇 𝐶 𝐶𝑇 (2) GROUND: Là chân nối mass của IC
OUTPUT là chân gửi tín hiệu xung của IC để điều khiển đóng mở công tắc bán dẫn như MOSFET, với tần số hoạt động là fosc Tần số đóng ngắt của công tắc (fsw) được xác định bằng chính tần số này, giúp đảm bảo hiệu quả điều khiển trong mạch.
Chân VCC là nguồn cung cấp điện áp đầu vào cho IC hoạt động, yêu cầu dòng điện nhỏ khoảng 0.5mA, thường được nối với resistor hạn dòng để bảo vệ linh kiện Điện áp tối đa mà chân VCC có thể chịu đựng là 32V, đảm bảo hoạt động an toàn cho mạch Đặc biệt, với IC UC3843, chỉ số VON phải lớn hơn 8.4V còn VOFF thì nhỏ hơn 7.6V để đảm bảo hoạt động đúng chức năng.
VREF: Là 1 chân đóng vai trò cung cấp 1 điện áp chuẩn 5V của của IC với dòng điện tối đa vào khoảng 30mA.
TL431
TL431 là một IC điều chỉnh điện áp có tham chiếu, cho phép thiết lập điện áp ngõ ra trong khoảng từ Vref (2,5V) đến 36V bằng cách sử dụng hai điện trở ngoài Dòng điện chạy từ chân K (Cathode) sang chân A (Anode) của IC dao động từ 1mA đến 100mA, với trở kháng đầu ra là 0.2Ω, giúp điều chỉnh nguồn điện chính xác IC này thường thay thế diode Zener trong các ứng dụng điều chỉnh điện áp nguồn, đặc biệt là trong các mạch xung như mạch flyback, để duy trì điện áp ổn định và chính xác hơn.
Hình 2.13 Cấu tạo TL431 và sơ đồ chân [8]
Nguyên lý hoạt động của TL431 dựa trên việc mở dòng IKA khi điện áp đặt vào chân tham chiếu R vượt quá mức từ 2,48VDC đến 2,57VDC, tùy vào từng ứng dụng Khi VREF lớn hơn khoảng 2,48VDC, TL431 sẽ hoạt động và dẫn dòng, còn khi VREF thấp hơn 2,5VDC, thiết bị sẽ không dẫn dòng IKA Đây là nguyên lý chính giúp điều chỉnh và ổn định điện áp trong các mạch điện tử sử dụng TL431.
MOSFET
MOSFET, viết tắt của "Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor," là một loại transistor hiệu ứng trường có cấu tạo đặc biệt khác so với transistor thông thường, hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo dòng điện Linh kiện này có trở kháng đầu vào lớn, phù hợp cho việc khuếch đại tín hiệu yếu Nhờ khả năng đóng cắt nhanh với dòng điện và điện áp lớn, MOSFET thường được sử dụng trong các bộ dao động tạo ra từ trường và các mạch điều khiển điện áp cao S đặc điểm đóng cắt nhanh giúp dòng điện biến thiên liên tục, phù hợp trong các bộ nguồn xung và mạch điều khiển công suất cao.
Hình 2.14 MOSFET và kí hiệu [9]
Cấu tạo MOSFET bao gồm:
G (Cổng) là cực điều khiển hoàn toàn cách ly khỏi cấu trúc bán dẫn nhờ vào lớp điện môi mỏng nhưng có độ cách điện cao, thường là dioxit silic Cấu trúc này giúp điều chỉnh dòng điện trong thiết bị bằng cách kiểm soát lượng điện tích qua cổng mà không gây ảnh hưởng trực tiếp đến phần còn lại của mạch bán dẫn Nhờ đặc điểm cách điện tốt của lớp điện môi, cổng G đảm bảo hoạt động ổn định, giảm thiểu mất mát năng lượng và nâng cao hiệu suất của các linh kiện điện tử.
D (Drain): cực máng đón các hạt mang điện
MOSFET có điện trở cực G với cực S và cực G với cực D rất lớn, giúp ngăn dòng điện không mong muốn trong mạch Điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G và cực S (UGS), ảnh hưởng đến khả năng điều chỉnh dòng điện của MOSFET Hiểu rõ đặc tính này giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của các mạch sử dụng MOSFET trong công nghiệp và điện tử tiêu dùng.
Khi điện áp UGS bằng 0, điện trở RDS có giá trị rất lớn, tượng trưng cho trạng thái đóng hoàn toàn của MOSFET Tuy nhiên, khi điện áp UGS tăng lên dương, hiệu ứng từ trường sẽ làm giảm điện trở RDS, giúp dòng điện dễ dàng lưu thông hơn Do đó, mức độ giảm của RDS càng lớn khi điện áp UGS càng cao, tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của thiết bị.
Hiện nay các loại MOSFET thông dụng bao gồm hai loại:
N-MOSFET: chỉ hoạt động khi nguồn điện Gate là 0, các electron bên trong vẫn tiến hành hoạt động cho đến khi bị ảnh hưởng bởi nguồn điện đầu vào
P-MOSFET: các electron sẽ bị cut-off cho đến khi gia tăng nguồn điện thế vào ngõ Gate
MOSFET hoạt động trong hai chế độ đóng và mở, do là một phần tử bán dẫn có các hạt mang điện cơ bản, nên có khả năng đóng cắt với tần số rất cao Tuy nhiên, để đảm bảo thời gian đóng cắt ngắn, việc điều khiển chính xác là yếu tố cực kỳ quan trọng trong ứng dụng của MOSFET.
Mạch điện tương đương của MOSFET cho thấy cơ chế đóng cắt phụ thuộc vào các tụ điện ký sinh trên thiết bị Đối với MOSFET n-channel, điện áp điều khiển mở là UGS = 0, giúp dòng điện chảy từ S đến D Trong khi đó, với MOSFET p-channel, điện áp điều khiển mở có thể là UGS > 0, và điện áp điều khiển đóng là UDS Hiểu rõ các đặc điểm này giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của MOSFET trong các mạch điện tử.
≤ 0 Dòng điện sẽ đi từ D xuống S.
Photocoupler (Opto quang)
Photocoupler, hay phần tử cách ly quang (opto-isolator), là linh kiện bán dẫn dùng để truyền tín hiệu giữa hai mạch điện cách ly nhau về mặt điện bằng cách sử dụng ánh sáng Thiết bị này giúp ngăn ngừa nhiễu và bảo vệ các thành phần mạch khỏi các tác động không mong muốn, đồng thời đảm bảo hiệu quả truyền tín hiệu an toàn và chính xác Với tính năng cách ly quang, photocoupler thường được ứng dụng trong các hệ thống công nghiệp, truyền thông và tự động hóa để nâng cao độ bền và độ ổn định của thiết bị.
Nguyên lý hoạt động của photocoupler dựa trên nguyên tắc chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện Khi LED phát sáng, ánh sáng truyền qua cửa sổ của diode quang hoặc transistor cảm quang, khiến vùng base của transistor cảm quang nhận ánh sáng và giảm điện trở thuần, từ đó làm dòng Ic qua transistor tăng lên Đây là cơ sở để photocoupler thực hiện chức năng cách ly tín hiệu điện trong các mạch điện tử Khi LED phát sáng với cường độ nhất định, sẽ xuất hiện hai mức độ chính trong tín hiệu điện: mức cao và mức thấp, đảm bảo hoạt động chính xác của mạch.
Khi cường độ sáng đủ mạnh, transistor cảm quang sẽ đạt trạng thái bão hòa, giúp thiết bị hoạt động ổn định Photocoupler chủ yếu được sử dụng để truyền tín hiệu logic, đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống điện tử cách ly và điều khiển tự động.
Khi cường độ sáng đủ yếu, transistor cảm quang không đạt trạng thái bão hòa, ảnh hưởng đến khả năng truyền tín hiệu Photocoupler hoạt động trong chế độ truyền tín hiệu analog, tuy có thể sử dụng, nhưng ít phổ biến do đường đặc tính vào-ra có đoạn tuyến tính hẹp, không đảm bảo truyền trung thực tín hiệu.
Hình 2.15 Nguyên lí hoạt động của Opto quang [10]
Photocoupler là thiết bị quan trọng trong các hệ thống điện tử công nghiệp và đo đạc, giúp cách ly điện an toàn giữa các phần mạch nhằm ngăn ngừa sốc điện và nhiễu tín hiệu Trong các thiết bị đo đạc thí nghiệm, photocoupler thường được sử dụng để truyền dữ liệu số hóa sang máy tính nhúng, đảm bảo an toàn và chính xác trong quá trình truyền tải dữ liệu Ngoài ra, photocoupler còn tích hợp vào các linh kiện công suất như transistor, MOSFET, IGBT và TRIAC để đóng mở dòng điện, tạo thành các linh kiện gọi là rơ le bán dẫn, phục vụ trong các ứng dụng điều khiển công suất tự động.
Một số linh kiện khác cần dùng trong mạch
Điện trở (Resistor) là linh kiện điện tử thụ động với hai tiếp điểm dùng để hạn chế dòng điện, điều chỉnh tín hiệu và chia điện áp trong mạch điện Điện trở công suất có khả năng tiêu tán lượng lớn năng lượng chuyển thành nhiệt trong các hệ thống điều khiển động cơ và phân phối điện Các điện trở thông thường có trở kháng cố định, ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và điện áp hoạt động Biến trở là loại điện trở có thể điều chỉnh trở kháng như núm vặn để kiểm soát âm lượng hoặc các chức năng khác Ngoài ra, các cảm biến như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, lực tác động và phản ứng hóa học sử dụng điện trở biến thiên để đo lường và phản ứng với các yếu tố môi trường.
Hình 2.16 Kí hiệu của điện trở trong mạch điện [10]
Tụ điện là linh kiện điện tử không thể thiếu trong các mạch lọc, mạch dao động và các hệ thống truyền dẫn tín hiệu xoay chiều Tụ điện, hay Capacitor trong tiếng Anh, là một linh kiện thụ động gồm hai bề mặt dẫn điện ngăn cách bởi điện môi, giúp lưu trữ năng lượng điện Khi có chênh lệch điện thế giữa hai bề mặt, sẽ xuất hiện điện tích cùng điện lượng nhưng trái dấu, tương tự như ắc quy về khả năng lưu trữ năng lượng điện, mặc dù cách hoạt động hoàn toàn khác nhau Tụ điện có cấu tạo gồm hai bản cực đặt song song, có tính chất cách điện một chiều nhưng cho dòng điện xoay chiều đi qua nhờ nguyên lý phóng nạp Các loại tụ điện phổ biến giúp tối ưu hoá các ứng dụng trong ngành điện tử.
Tụ hóa: là tụ có phân cực (-), (+) và luôn có hình trụ Trên thân tụ được thể hiện giá trị điện dung từ 0,47 àF đến 4700 àF
Tụ giấy, tụ mica và tụ gốm là các loại tụ không phân cực, có hình dạng dẹt và không xác định cực âm hay dương Chúng thường có trị số được ghi rõ qua ba chữ số trên thân, thể hiện dung lượng điện dung của tụ, mặc dù điện dung của các tụ này thường khá nhỏ, chỉ khoảng 0,47 µF Những loại tụ này phù hợp cho các ứng dụng không yêu cầu phân cực rõ ràng, mang lại hiệu quả ổn định trong các mạch điện tử.
Tụ xoay là loại tụ có thể xoay để điều chỉnh giá trị điện dung, thường được lắp đặt trong radio để thay đổi tần số cộng hưởng khi dò đài.
Tụ Lithium ion: có năng lượng cực cao dùng để tích điện 1 chiều
Hình 2.17 Kí hiệu tụ điện.[10]
Transistor, hay còn gọi là tranzito, là loại linh kiện bán dẫn chủ động được sử dụng phổ biến làm phần tử khuếch đại hoặc khóa điện tử Với khả năng đáp ứng nhanh và chính xác, transistor thường được ứng dụng trong các mạch khuếch đại, điều chỉnh điện áp, tạo dao động và điều khiển tín hiệu, đóng vai trò quan trọng trong các thiết bị điện tử hiện đại.
Hình 2.18 Cấu tạo và phân loại transitor [10]
Transistor được cấu tạo từ hai lớp bán dẫn điện ghép lại với nhau, gồm loại P (dương) và loại N (âm) Transistor loại PNP hình thành khi một bán dẫn N nằm giữa hai bán dẫn P, còn transistor loại NPN được tạo thành khi một bán dẫn P nằm giữa hai bán dẫn N, giúp kiểm soát dòng điện trong mạch điện tử một cách hiệu quả.
Transistor được chia thành hai loại chính là NPN và PNP, dựa trên cấu trúc các lớp bán dẫn tạo thành Một transistor gồm ba lớp bán dẫn liên kết thành ba cực: cực gốc (Base - B), cực phát (Emitter - E), và cực thu (Collector - C) Lớp giữa gọi là cực gốc, rất mỏng và chứa nồng độ tạp chất thấp để kiểm soát dòng điện Các lớp bán dẫn bên ngoài là cực phát và cực thu, đều có cùng loại bán dẫn (N hoặc P) nhưng khác về kích thước và nồng độ tạp chất, điều này khiến chúng không thể hoán đổi cho nhau.
Transistor giống như 1 công tắc điện tử Nó có thể bật hoặc tắt dòng điện, có thể xem nó như
Rơ-le không có bộ phận chuyển động, vì hoạt động dựa trên transistor sử dụng vật liệu bán dẫn Khi dòng điện chạy từ cực gốc đến cực phát, nó kích hoạt dòng điện thứ hai từ cực thu đến cực phát, giúp kiểm soát dòng điện hiệu quả trong mạch điện tử.
Diode là một linh kiện điện tử bán dẫn được chế tạo từ hợp chất giữa Silic, Photpho và Bori, tạo thành hai lớp bán dẫn loại P và loại N tiếp xúc với nhau Một cực của diode, gọi là Anode, đấu với lớp P, còn cực kia, gọi là Cathode, đấu với lớp N Đặc tính nổi bật của diode là cho phép dòng điện đi từ Anode sang Cathode một chiều duy nhất, hoạt động như một van điện một chiều trong các mạch điện Vì vậy, diode thường được sử dụng để điều chỉnh hướng dòng điện và đảm bảo dòng điện chỉ chạy theo một chiều cố định.
Hình 2.19 Kí hiệu diode trong mạch điện [10]
Diode có nhiều loại và mỗi loại có công dụng và vai trò khác nhau
Diode chỉnh lưu thường hoạt động ở dải tần thấp, có khả năng chịu dòng điện lớn và điện áp ngược dưới 1000V Chúng chủ yếu được sử dụng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành dòng DC ổn định trong các mạch điện tử.
Diode xung là loại diode có khả năng đáp ứng tần số cao, từ vài chục kilo Hertz đến cả Mega Hertz Chúng thường được sử dụng rộng rãi trong các mạch nguồn xung và các thiết bị điện tử cao tần, nhờ khả năng hoạt động chính xác trong các ứng dụng yêu cầu tần số cao.
Diode phát quang: Là những đèn LED được sử dụng nhiều làm đèn chiếu sáng, đèn báo hiệu, đèn quảng cáo
Diode ổn áp Zener được sử dụng phổ biến trong các mạch nguồn điện áp thấp nhờ đặc tính ổn định điện áp của nó Với chức năng hoạt động đặc biệt, diode Zener cho phép dòng điện chạy từ cực K sang A khi nguồn điện áp đủ lớn hơn điện áp ghim của nó Khi dòng ngược chạy qua, diode Zener duy trì một điện áp ghim nhất định theo thông số datasheet, đảm bảo ổn định điện áp cho các ứng dụng điện tử.
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, THỰC HIỆN HỆ THỐNG
Sơ đồ hệ thống mạch sạc
Mạch sạc hoạt động dựa trên nguyên lý của nguồn xung flyback, giữ điện áp đầu vào ổn định để cung cấp dòng điện tùy chỉnh qua dây quấn biến áp Nhờ nguyên lý flyback, dòng điện đầu ra có thể được điều chỉnh dễ dàng bằng cách thay đổi kích thước của dây quấn biến áp Mạch sạc gồm các thành phần chính như nguồn xung, biến áp, và các bộ lọc giúp tối ưu hóa quá trình sạc Với nguyên tắc hoạt động này, mạch sạc mang lại hiệu quả cao và khả năng điều chỉnh dòng điện phù hợp với từng thiết bị.
Trong đồ án này, người nghiên cứu tập trung vào mạch nguồn xung flyback của hãng Texas Instruments với đầu ra 12V 4A, đơn vị cung cấp nguồn năng lượng ổn định và hiệu quả Sau khi thiết kế và vận hành mạch đạt yêu cầu ban đầu, người nghiên cứu sẽ tiến hành điều chỉnh các thông số kỹ thuật và thực hiện các thử nghiệm thực tế nhằm tối ưu hóa hiệu suất Mục tiêu cuối cùng là điều chỉnh mạch để đạt được đầu ra 300V với dòng tối đa là 1A, đảm bảo phương pháp hoạt động phù hợp với yêu cầu của dự án.
300V DC 1A Mạch chỉnh lưu Biến áp xung
Bộ tạo xung Mạch hồi tiếp
Hình 3.2 Sơ đồ mạch điện của hãng Texas Instruments [7]
Thiết kế mạch chỉnh lưu
3.2.1 Thiết kế và tính toán mạch
Mạch có vai trò tạo ra dòng điện áp 1 chiều ổn định để cung cấp cho biến áp xung hoạt động
KBL610 là loại cầu diode có khả năng cung cấp dòng điện cao đến 6A, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu dòng lớn Nó còn chịu được điện áp ngược lên đến 1000V, đảm bảo độ bền và độ tin cậy trong các mạch điện KBL610 thường được sử dụng để chỉnh lưu nguồn điện 220V, giúp chuyển đổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều một cách hiệu quả và an toàn.
Cuộn lọc: được đặt đầu vào của nguồn dùng để lọc nhiễu, ổn định dòng điện cho nguồn
Tụ lọc nguồn xoay chiều 0.1uF 310V: Dùng để lọc nguồn xoay chiều
Cầu chì 1A đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ các linh kiện điện tử trong mạch khỏi các sự cố ngắn mạch Ngược lại, điện trở nhiệt NTC 5D-8 giúp kiểm soát và ngăn chặn tình trạng quá nhiệt, đảm bảo an toàn và độ bền cho hệ thống điện Sử dụng đúng loại cầu chì và điện trở nhiệt phù hợp giúp nâng cao hiệu quả bảo vệ và ổn định hoạt động của các thiết bị điện tử.
Tụ 100uF 450V: Dùng để lọc nguồn đầu ra của điện áp DC, làm phẳng điện áp
Hình 3.2 Sơ đồ của mạch chỉnh lưu
3.2.2 Mạch thực tế và thử nghiệm
Hình 3.3 Hình ảnh mạch thực tế sau khi hoàn thành Kết quả: Mạch chạy đưa ra điện áp khoảng 310V DC
Mạch thử nghiệm tạo xung cho UC3843
3.3.1 Thiết kế mạch Đây là mạch thử nghiệm đặc tính tạo xung cũng như giúp ta biết được các yếu tố liên quan đến việc điều khiển xung của UC3843 Ở mạch này IC sẽ được lắp với nguồn pin 16V, ngoài ra còn có hai biến trở để giả lập tín hiệu hồi tiếp về cho IC để quan sát được sự thay đổi trong đầu ra xung
Hình 3.4 trình bày mạch tạo thử nghiệm tạo xung của IC, trong đó IC được cấp nguồn Vcc 16V cùng với hai biến trở 1K và 5K dùng để giả lập tín hiệu hồi tiếp về cho IC, giúp quan sát sự thay đổi của đầu ra xung Tần số xung trong mạch sẽ được cố định bởi R1 và CRCT, với giá trị của R1 là 10K và CRCT được sử dụng trong mạch để điều chỉnh tần số xung phù hợp.
= 1nF để cho ra tần số 172kHz
3.3.2 Mạch thực tế và tiến hành thực nghiệm
Hình 3.5 Mạch test thực tế
Trong quá trình thực nghiệm, người nghiên cứu cấp nguồn pin 16V vào mạch và sử dụng máy đo dao động ký để đo xung đầu ra tại chân OUTPUT Thực hiện đo hai lần liên tiếp để quan sát sự biến đổi của các xung đầu ra khi thay đổi giá trị biến trở, giúp phân tích ảnh hưởng của biến trở đến tín hiệu đầu ra và đảm bảo độ chính xác của kết quả.
Hình 3.6 Đầu ra chân output của mạch lần đo 1 Lần hai: RE/A = 0.2kΩ, RISENSE = 2.7kΩ
Hình 3.7 Đầu ra chân output lần đo hai
Qua hai lần đo, tần số đã được cố định ở mức 140kHz mặc dù sai lệch so với giá trị mong muốn ban đầu do có thể liên quan đến sai lệch trong giá trị điện trở, tụ và hiệu suất của mạch Sự khác biệt về độ rộng xung đầu ra tương ứng với hai giá trị RISENSE khác nhau cho thấy IC có khả năng điều chỉnh điện áp đầu ra như mong muốn nhờ vào khả năng thay đổi độ rộng xung dựa trên điện áp hồi tiếp.
Mạch điện hạ áp 12V
3.4.1 Mạch bảo vệ MOSFET (Snubber)
Trong biến áp xung, nhiều cuộn dây quấn với nhau có độ tự cảm khác nhau, gây ra sự kết hợp từ thông không hoàn toàn và tạo ra điện cảm rò hay độ cảm rò của biến áp Khi hoạt động trong mạch nguồn xung, MOSFET đóng ngắt với tần số cao, khiến hai đầu cuộn sơ cấp xuất hiện điện áp ngược phụ thuộc vào độ cảm rò, tạo ra các xung gai gây ra điện áp lớn trên cực Drain Điện áp này có thể gây thủng MOSFET nếu không được kiểm soát chặt chẽ.
Hình 3.8 Điện áp ở cực Drain của MOSFET trong 1 chu kỳ làm việc
Để giảm năng lượng điện cảm tích tụ, cần thiết lập một mạch tiêu hao gồm một điện trở, một tụ điện cao áp và một diode có tác dụng triệt tiêu điện áp rò ở hai đầu cuộn sơ cấp Mạch này giúp hạn chế hiện tượng tích tụ năng lượng gây hại và đảm bảo hiệu quả hoạt động của thiết bị điện tử.
Hình 3.9 Sơ đồ của mạch khử dòng rò
3.4.2 Mạch cấp nguồn cho UC3843 và biến áp
UC3843 chỉ hoạt động khi được cung cấp điện áp vào chân VCC lớn hơn 8.4V và tối đa là 32V, còn ngưng hoạt động khi điện áp giảm xuống dưới 7.6V Do đó, việc thiết kế nguồn điện ổn định cung cấp cho IC là rất quan trọng để đảm bảo hoạt động liên tục và chính xác của UC3843 trong các mạch điều khiển công suất.
Hình 3.10 Mạch cấp nguồn cho UC3843
Biến áp được thiết kế với một cuộn dây để hạ áp, cung cấp nguồn nuôi cho IC, tuy nhiên nguồn này chỉ hoạt động khi IC bắt đầu tạo xung và biến áp bắt đầu làm việc Lúc ban đầu, dòng điện 300V một chiều qua điện trở công suất RSTART khoảng 100K, gây sụt áp xuống còn khoảng 10V vào VCC để kích hoạt IC Khi IC đã hoạt động, dòng tiêu thụ tăng cao khiến dòng qua RSTART không đủ nuôi IC, nhưng khi đó, biến áp đã hoạt động, dòng điện từ cuộn sơ cấp cung cấp qua diode xung và tụ, tạo ra nguồn điện ổn định để duy trì hoạt động của UC3843 Đầu ra PWM được điều khiển đưa vào chân Gate của MOSFET để đóng ngắt dòng qua cuộn sơ cấp, trong khi Rcs đóng vai trò là cầu phân áp gửi tín hiệu dòng về mạch hồi tiếp, giúp điều chỉnh hoạt động của hệ thống.
3.4.3 Mạch hồi tiếp dòng Đầu ra của mạch phải đáp ứng đủ điều kiện mong muốn về điện áp và dòng điện Ngoài ra trong quá trình làm việc, dòng điện sinh ra từ độ cảm rò và các sự cố chập cháy ở tải sẽ khiến dòng điện tăng đột biến trên cuộn sơ cấp gây chập cháy các linh kiện hoặc khi có tải tiêu thụ điện quá nhiều sẽ khiến dòng điện bị sụt giảm ở đầu ra từ đó ảnh hưởng điến dòng điện ở cuộng sơ cấp Chính vì vậy mạch hồi tiếp dòng được thêm vào để gửi các tín hiệu về dòng điện cũng như điều chỉnh độ rộng xung một cách thích hợp để điều chỉnh dòng điện về như mức mong muốn
Hình 3.11 Mạch hồi tiếp dòng dành cho UC3843
Hình 3.11 thể hiện tín hiệu hồi tiếp về chân ISENSE của IC, có dạng điện áp biểu thị dòng điện ISENSE đi qua MOSFET qua điện trở Rcs Tín hiệu này phản ánh quá trình cảm rò trong máy biến áp kết hợp với điện áp dội ngược từ phía thứ cấp, khiến cho tín hiệu xuất ra có các xung gai đặc trưng.
Trong quá trình hoạt động, tín hiệu dòng điện bên sơ cấp đi qua một mạch lọc gồm điện trở RCSF và tụ điện CCSF nhằm làm tín hiệu trở nên rõ nét hơn Chân ISENSE của IC có chức năng giảm độ rộng xung khi điện áp đầu vào vượt quá 1V, giúp kiểm soát dòng điện không vượt quá ngưỡng an toàn Để đảm bảo mạch hoạt động ổn định, tín hiệu nạp xả của tụ điện CCT dạng sóng răng cưa được đưa vào chân ISENSE phối hợp cùng tín hiệu dòng điện của cuộn sơ cấp Tín hiệu dạng sóng này sau đó đi qua một transistor NPN, trong đó cực Collector nối với điện áp tham chiếu VREF, rồi tiếp tục qua tụ CRAMP và điện trở RRAMP trước khi vào chân ISENSE, giúp duy trì ổn định hoạt động của mạch.
Hệ thống mạch hồi tiếp áp được thiết kế để duy trì đầu ra điện áp ổn định theo mong muốn, đảm bảo hoạt động của mạch luôn ổn định Điện áp đầu ra này được điều chỉnh thông qua việc thay đổi chu kỳ hoạt động của MOSFET, dựa vào tín hiệu tại chân VFB của IC UC3843 Trong nghiên cứu này, hệ thống sử dụng dạng hồi tiếp qua bộ điều chỉnh TL431 có cách ly quang, giúp nâng cao độ chính xác và giảm nhiễu cho quá trình điều chỉnh điện áp đầu ra.
Hình 3.12 Mạch hồi tiếp áp [7]
Hai điện trở RFBU và RFBB sẽ kết hợp tạo thành một cầu phân áp nhằm đưa tín hiệu vào chân tham chiếu R của TL431 với điện áp khoảng 2.5V để kích hoạt hoạt động của TL431 Để đạt được điện áp ra khoảng 12V, cặp điện trở của cầu phân áp sẽ được chọn là RFBU = 9.53kΩ và RFBB = 2.49kΩ, đảm bảo công suất ổn định và chính xác cho mạch điều chỉnh điện áp.
Khi điện áp vào chân R nhỏ hơn 2.5V, nghĩa là Vout chưa đạt mức 12V và TL431 chưa dẫn, gây mất tín hiệu hồi tiếp về chân VFB Trong trạng thái này, IC sẽ tiếp tục băm xung để điều chỉnh và đưa điện áp đầu ra đạt đúng mức 12V.
Khi Vout lớn hơn 12V và VR vượt quá 2.5V, dòng IKA xuất hiện qua TL431, đồng nghĩa với việc có dòng qua opto quang khiến LED phát sáng, dẫn đến opto chuyển mạch và điện áp hồi tiếp về chân VFB IC sẽ điều chỉnh giảm chu kỳ làm việc để hạ Vout xuống gần mức 12V, nhờ vào dòng điện từ ngõ ra qua điện trở RTLbias và diode Zener 10V xuống mass Mạch này tạo ra dòng 10 mA cấp cho cực Cathode của TL431, giúp hoạt động với hiệu suất tối ưu.
Trong mạch điện ổn áp, các linh kiện khác như điện trở RCOMPZ mắc nối tiếp với tụ điện CCOMPZ giúp duy trì hoạt động ổn định của mạch Điện trở RCOMPZ còn được kết nối với cầu phân áp và cực Cathode của TL431 để ổn định điện áp Điện trở RCOMPp mắc song song với tụ điện CCOMPp, tạo thành kết nối giữa chân VFB và chân COMP của UC3843, giúp điều chỉnh tín hiệu phản hồi Ngoài ra, điện trở RFBG nối Opto với chân VFB của UC3843 và ROPTO nối Opto với mass, đảm bảo tín hiệu điều khiển chính xác Các linh kiện này tạo ra các hàm truyền, hàm hồi tiếp, điểm không, điểm cực trong miền tần số để đảm bảo mạch hoạt động ổn định, mặc dù phân tích trong miền tần số khá phức tạp và không được đề cập trong đồ án này.
3.4.5 Mạch khởi động nhanh cho UC3843
Khi khởi động, IC cần được điều khiển để mở rộng dần xung PWM từ mức hoạt động bằng 0, nhằm đảm bảo quá trình khởi động mượt mà và ổn định Do UCx84x không tích hợp sẵn mạch điều khiển khởi động này, cần thiết kế mạch ngoài gồm cặp điện trở và tụ R/C giữa chân VREF và COMP để cố định thời gian cho đầu ra của bộ khuếch đại lỗi, giúp xung PWM khởi động từ từ và tránh hiện tượng quá tải Mỗi chân của IC còn đảm nhiệm các vai trò riêng biệt, do đó cần sử dụng transistor để cách ly giữa các chân này, đồng thời góp phần bảo vệ và điều chỉnh tín hiệu chính xác trong quá trình khởi động.
32 giảm thiểu ảnh hưởng của tải lên bộ cố định tần số dao dộng RT/CT Ở đây người nghiên cứu chọn giá trị Rss = 10kΩ, Css= 10nF
Hình 3.13 Mạch khởi động nhanh cho UC3843 [7]
3.4.6 Lựa chọn chế độ làm việc cho mạch
Mạch nguồn xung flyback hoạt động trong hai chế độ chính là dòng điện không liên tục (DCM) và dòng điện liên tục (CCM), mỗi chế độ đều có ưu nhược điểm riêng Chế độ DCM giúp chuyển mạch tốt hơn cho diode chỉnh lưu DOUT, kích thước máy biến áp nhỏ hơn do lượng năng lượng tích trữ thấp hơn, phù hợp với các ứng dụng điện áp cao, dòng thấp Tuy nhiên, DCM sinh ra dòng đỉnh cao hơn Ipk, gây thất thoát năng lượng và áp lực lớn hơn cho tụ COUT, thích hợp cho các ứng dụng đầu ra cao, dòng thấp Ngược lại, chế độ CCM phù hợp với ứng dụng yêu cầu điện áp thấp, dòng cao, như trong mạch hạ áp chúng ta thiết kế để đạt 12V, 4A, nên lựa chọn CCM để thiết kế biến áp xung hiệu quả.
Hình 3.14 Cách dòng điện hoạt động ở trong mạch ở hai chế độ DCM và CCM [11]
3.4.7 Tính toán thiết kế biến áp xung Điện áp xoay chiều đầu vào đang sử dụng có điện áp Vline = 220V, tuy nhiên đó chỉ là giá trị trung bình của nguồn, vì vậy ta cần chọn giá trị điện áp thấp nhất và điện áp cao nhất của nguồn Ở đây người nghiên cứu chọn giá trị Vline min = 85V, Vline max= 265V, với tần số fline 50Hz
Ta có công suất đầu ra: Pout= 12 x 4 = 48W (3) Ở mạch này người nghiên cứu sẽ chọn hiệu suất của mạch là khoảng 0.8, vậy công suất đầu vào sẽ là: Pin = 48
0,8 = 60W (4) Điện áp một chiều đầu vào nhỏ nhất dược tính bới công thức
V DC min = √2 (V line min) 2 − P in (1−D ch )
Trong đó: CDC là giá trị của tụ điện đầu vào Cin Ở đây ta chọn CDC0uF
Dch là tỉ số nạp điện của tụ điện đầu vào, thông thường sẽ là 0.2
Thay các giá trị vào công thức (5) ta được:
34 Điện áp VDC max được xác định như sau:
Khi MOSFET ngắt, điện áp đầu ra sẽ tạo ra một điện áp dội ngược lại cuộn sơ cấp VRO
Điều chỉnh thông số các linh kiện trong mạch 12V để thiết kế mạch sạc
Sau khi hoàn thành mạch hạ áp theo tiêu chuẩn, người nghiên cứu bắt đầu xác định các phần cần thiết để điều chỉnh nhằm đạt mức điện áp đầu ra 300V Các yếu tố chính cần thay đổi bao gồm biến áp và mạch hồi tiếp, nhằm đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và chính xác với điện áp mong muốn.
Công suất đầu ra: Pout= 300 x 1 = 300W
Công suất đầu vào: Pin = 300
0,8 = 375W Điện áp đầu vào một chiều nhỏ nhất:
100 50 = 120V Điện áp một chiều cao nhất:
V DC max = √2 V line max = √2 265 = 375V Điện áp dội ngược về cuộn thứ cấp:
1− 0,45 120 = 98,2V Độ tự cảm của cuộn sơ cấp:
Với KRF = 1 vì khi hoạt động với đầu ra điện áp cao và dòng thấp nên người nghiên cứu đã chọn chế độ hoạt động là DCM
Tính toán các giá trị cá dòng điện
43 Đường kính dây của các cuộn trong biến áp
Vì dòng điện đầu ra mong muốn là 1A
Cỡ dây của cuộn thứ cấp cấp nguồn cho IC vẫn được giữ nguyên như mạch hạ áp là 0,4mm Lõi biến áp ta vẫn chọn sử dụng ER42
Số vòng dây tối thiể cuộn sơ cấp
Tỉ số vòng dây của cuộn thứ cấp và sơ cấp
300 + 0,5 = 0,32 Ở đây người nghiên cứu chọn diode Schottky cao áp DGP30 với điện áp rơi ở diode là 0,5V
Tỉ lệ số vòng dây của cuộn thứ cấp cấp nguồn nuôi với cuộn sơ cấp vẫn giữ nguyên là
Sau khi tính toán người nghiên cứu chọn số vòng dây các cuộn như sau: NP = 50 vòng,
Vì đường kính dây cuộn thứ cấp khá lớn khoảng 1mm nên không phù hợp để quấn vừa cho biến áp ER42 với số vòng 50 Người nghiên cứu đã chọn lại đường kính dây phù hợp, gồm dây DP có đường kính 0,6 mm và dây DS là 0,2 mm, nhằm đảm bảo dòng điện ổn định Đường kính dây chỉ ảnh hưởng đến dòng điện, không tác động đến điện áp của biến áp Trong quá trình thực hiện, người nghiên cứu sẽ điều chỉnh kích thước dây để đạt được giá trị dòng điện mong muốn, đảm bảo hiệu suất làm việc của biến áp.
Tính toán khe hở từ của biến áp
2800) = 6,22 10 −3 (m) = 6,2 (mm) Cách quấn biến áp xung vẫn áp dụng giống như quấn biến áp cho mạch điện 12V
3.5.2 Tính toán mạch hồi tiếp điện áp
Vì mạch đầu ra có điện áp cao hơn, cần điều chỉnh các thành phần trong mạch hồi tiếp theo hình 3.12 để đảm bảo điện áp đầu ra chính xác là 300V Việc thay đổi các giá trị này giúp duy trì hoạt động ổn định của mạch và đáp ứng yêu cầu về điện áp đầu ra mục tiêu Điều chỉnh đúng các thành phần trong mạch hồi tiếp là yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu suất và độ chính xác của hệ thống.
Cặp giá trị điện trở của cầu phân áp được chọn là RFBU = 297,5kΩ, RFBB = 2.49kΩ để đáp ứng được công thức
Giá trị RLED = 32,5 kΩ để giảm dòng qua opto ở mức 10mA
Giá trị RTLbias = 25kΩ để hạn dòng qua TL431
Người nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm để thay đổi các giá trị điện trở và linh kiện trong mạch hồi tiếp Quá trình này nhằm điều chỉnh để đạt được giá trị đầu ra mong muốn, giữ nguyên các giá trị còn lại của hệ thống.
3.5.3 Thay đổi các linh kiện khác
Vì điện áp đầu ra lần này cảu mạch là 300V nên các linh kiện nối trực tiếp với đầu ra phải chịu được điện áp cao
COUT là 3 tụ 100uF 450V nối song song với nhau
DOUT là diode Schottky cao áp DGP30
Các điện trở RLED, RTLbias, RFBB, RFBU đều được đổi qua điện trở công suất 3W
Tiến hành thực nghiệm
Sau khi tính toán người nghiên cứu đã tiến hành hàn và cho ra mạch thực tế như hình
Hình 3.24 Mạch thực tế của mạch 300V
Hình 3.25.Điện áp đầu ra của mạch khi thử nghiệm lần 1
Kết quả: Giá trị điện áp đầu ra thấp hơn so với mong muốn, chỉ khoảng 75V, không đạt yêu cầu Điện áp không ổn định
Nghi vấn: Có thể do biến áp, tỷ lệ sống vòng dây NPS không đủ để đưa điện áp đầu ra vào khoảng 300V
Để khắc phục vấn đề, bạn có thể thử thay đổi và tăng số vòng dây của cuộn thứ cấp lên 200 vòng, điều này giúp điều chỉnh tỉ lệ NPS phù hợp Cụ thể, việc tăng số vòng dây từ 100 lên 200 tương ứng với việc thiết lập tỉ lệ NPS bằng 0,25, giúp đạt hiệu quả mong muốn trong quá trình thử nghiệm Thử nghiệm lần 2 với biến áp có tỉ lệ NPS là 0,25 sẽ giúp xác định xem phương pháp điều chỉnh này có mang lại kết quả chính xác và ổn định hơn hay không.
3.6.2 Thử nghiệm lần hai với biến áp có N PS = 0,25
Kết quả cho thấy điện áp đầu ra vẫn giữ ở mức khoảng 78V, không có nhiều thay đổi so với lần đo đầu tiên Điều này cho thấy hệ thống không đạt được yêu cầu điện áp đầu ra 300V như mong muốn Vì vậy, nguyên nhân gây ra vấn đề không xuất phát từ biến áp, mà có thể liên quan đến các thành phần khác trong mạch hoặc thiết bị.
Hình 3.26 hiển thị điện áp đầu ra của mạch trong lần đo thứ hai, cho thấy có thể do mạch hồi tiếp bị sai nên cần kiểm tra lại Để xác định nguyên nhân, đã tiến hành đo giá trị điện áp đầu vào tại chân ISENSE của IC UC3843 và kết quả thu được như đã ghi nhận, giúp đánh giá chính xác trạng thái của mạch điều khiển.
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
3.6.3 Thử nghiệm lần ba với sự thay đổi gía trị R CS = 3,3 Ω
Kết quả: Giá trị điện áp đầu ra vẫn không thay đổi nhiều, VOUT = 75V Trong khi đó điện áp chân ISENSE của IC đo được như hình
Hình 3.28 Giá trị điện áp vào chân ISENSE ở lần đo thứ 3 ứng với RCS= 3,3Ω
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Có thể thay đổi giá trị điện trở Ropto để ảnh hưởng đến độ lợi của mạch hồi tiếp áp dành cho UC3843 Khi giá trị Ropto được nâng từ 1kΩ lên 25kΩ, sẽ ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất của mạch điều khiển? Việc điều chỉnh Ropto giúp tối ưu hóa độ ổn định của mạch và cải thiện các đặc tính phản hồi Thay đổi giá trị điện trở này là một phương pháp phổ biến để điều chỉnh mức độ khuếch đại của mạch hồi tiếp, từ đó ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động của UC3843.
3.6.4 Thử nghiệm lần bốn với R opto %kΩ
Kết quả: Điện áp đầu ra đã được cái thiện lên khoảng 100V
Hình 3.29 Giá trị VOUT ở lần đo thứ 4 khi tăng Ropto
Khi tiếp tục tăng giá trị Ropto, giá trị VOUT không thay đổi, cho thấy mức cải thiện của đầu ra chỉ đạt tới 100V và chưa đáp ứng được yêu cầu đề ra Điều này cho thấy sự giới hạn trong khả năng nâng cao điện áp đầu ra qua việc điều chỉnh Ropto Việc này nhấn mạnh cần phải xem xét các phương pháp khác để cải thiện VOUT nhằm đạt mục tiêu đề ra trong dự án.
Tiến hành đo giá trị điện áp tại chân tham chiếu R của TL431, và chân VFB của UC3843 ta có kết quả sau
Hình 3.30 Giá trị điện áp ở chân VFB
Hình 3.31 Giá trị điện áp VR ở chân tham chiếu của TL431
Điện áp VR ở chân tham chiếu của TL431 rất thấp, chỉ khoảng 1,5V tại đỉnh xung, cho thấy trong quá trình hoạt động, TL431 chưa mở cổng dẫn dòng qua opto quang Mặc dù chân VFB vẫn ghi nhận tín hiệu hồi tiếp có điện áp, nhưng sự không hoạt động của TL431 khiến điện áp đầu ra không đạt như mong muốn.
Tìm hiểu nguyên nhân của sự sai lệch điện áp đầu ra
Trong mục 3.6.4, chúng ta cần phân tích lý do tại sao tín hiệu hồi tiếp điện áp xuất hiện tại chân VFB của IC UC3843 ngay cả khi TL431 chưa dẫn, điều này cho thấy có các yếu tố khác ảnh hưởng đến mạch Để hiểu rõ hơn về hiện tượng này, chúng ta sẽ xem xét lại sơ đồ mạch hồi tiếp (hình 3.12) của bộ nguồn hạ áp 12V, nhằm xác định chính xác các thành phần và cơ chế hoạt động gây ra tín hiệu hồi tiếp sớm hơn dự kiến Việc này giúp tối ưu hóa thiết kế và đảm bảo hoạt động ổn định của mạch nguồn.
Khi TL431 chưa dẫn, tức là VR < 2,5V, điện áp trên chân 1 của opto là 12V, còn chân 2 được cố định ở mức 10V nhờ diode zener, tạo nên chênh lệch điện áp 2V Theo datasheet của PC817, điện áp tối đa giữa hai chân 1 và 2 của opto là VFM = 4V; vượt quá mức này, opto sẽ hoạt động không ổn định và không kiểm soát được chính xác Trong mạch đầu ra 300V sử dụng diode zener 10V, điện áp giữa hai chân của opto là 290V (300V - 10V), lớn hơn nhiều so với giới hạn VFM, gây ra hoạt động không ổn định của opto và dẫn đến việc hồi tiếp sai trong hệ thống.
Việc xác định nguyên nhân giúp các nhà nghiên cứu đưa ra các ý tưởng khắc phục, tuy nhiên do hạn chế về thời gian thực hiện đề tài, họ chưa thể xử lý triệt để vấn đề này Do đó, hệ thống vẫn chưa đạt được mức đầu ra 300V cần thiết để sạc pin xe máy điện, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của phương tiện.