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 với nhiên liệu hóa thạch, dẫn đến hiệu suất thấp và thải ra một phần ba lượng khí gây hiệu ứng nhà kính Theo nghiên cứu năm 2017, khí thải từ phương tiện giao thông chiếm 55% khí NOx, 56% khí CO và 6% khí SO2, tạo động lực cho việc phát triển xe điện (EV) như một giải pháp giảm ô nhiễm môi trường và tiết kiệm năng lượng Xe điện đang trở thành xu hướng toàn cầu, với nhiều hãng lớn nghiên cứu và sản xuất xe điện tối ưu Hệ thống nạp năng lượng cho xe điện rất quan trọng, trong đó mạch sạc cung cấp điện cho pin Mạch sạc cần đảm bảo đầu ra điện áp ổn định và dòng điện vừa phải để tránh quá tải pin Ví dụ, xe máy điện sử dụng pin lithium-ion 60 cell với điện áp đầy khoảng 240V, cần mạch chuyển đổi AC-DC với đầu ra ổn định lớn hơn 240V và dòng từ 0.5-1A Hiện tại, phương pháp sạc đang nghiên cứu sử dụng mạch chỉnh lưu AC-DC với đầu ra khoảng 300V, nhưng còn cồng kềnh và không tiện lợi Do đó, người nghiên cứu đã chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế mạch nạp cho bình điện trên xe gắn máy điện” nhằm tạo ra mạch sạc gọn hơn với đầu ra 300V và dòng điện ổn định khoảng 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

Đề tài nghiên cứu này tập trung vào cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của các đối tượng trong thiết kế mạch chuyển đổi, mà không đi sâu vào các thuật toán hay các lĩnh vực chuyên ngành điện - điện tử.

Phương pháp nghiên cứu

Tìm hiểu lý thuyết : tìm hiểu các tài liệu lý thuyết trên mạng liên quán đến các bộ AC-

DC converter và nguồn xung flyback UC3843 là những thiết bị quan trọng trong lĩnh vực điện tử Việc học hỏi từ thầy cô, bạn bè và những người đi trước giúp nâng cao kiến thức và kỹ năng Chúng tôi thực hiện mạch điện chuẩn theo mẫu của Texas Instruments với đầu ra 12V 4A, sau đó điều chỉnh linh kiện để tạo ra mạch phù hợp với yêu cầu cụ thể.

Phương pháp thực nghiệm bao gồm việc tính toán thiết kế, thực hiện thí nghiệm, đo đạc và so sánh kết quả để tìm ra phương án cải tiến cho đến khi đạt được kết quả mong muốn Đầu tiên, thực hiện mạch điện chuẩn của hãng Texas Instruments với đầu ra 12V 4A, sau đó điều chỉnh các linh kiện phù hợp để tạo ra mạch với đầu ra 300V 1A.

1.5 Một số đề tài nghiên cứu tương tự trong và ngoài 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 với các cộng sự Đoàn Anh Tuấn và Lê Thị Tịnh Minh thực hiện, tập trung vào việc phát triển công nghệ chuyển đổi năng lượng hiệu quả trong các hệ thống điện mặt trời.

Nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế bộ chuyển đổi DC/DC mới nhằm thích ứng với sự thay đổi công suất của nhà máy điện mặt trời Bộ chuyển đổi này được cấu thành từ nhiều bộ chuyển đổi DC/DC công suất nhỏ, được kết nối theo quy luật nhất định để tạo ra công suất lớn hơn Bằng cách cô lập một số bộ chuyển đổi nhỏ và điều khiển góc mở, điện áp đầu vào và đầu ra có thể đáp ứng dải điện áp rộng mong muốn Ngoài ra, nghiên cứu còn thực hiện lắp ráp bộ chuyển đổi DC/DC 200W thực tế cho tấm pin mặt trời PEPV-48-200 và đã tiến hành kiểm tra, đo đạc Kết quả cho thấy bộ chuyển đổi hoạt động ổn định, hiệu suất được cải thiện và có khả năng ứng dụng thực tiễn.

Nghiên cứu "Bộ chuyển đổi AC-DC QR một giai đoạn dựa trên mạch buck-boost và flyback" của nhóm tác giả Yijie Wang, Shu Zhang, Yueshi Guan, Xiaosheng Liu, Dianguo, tập trung vào việc sử dụng mạch buck-boost ở chế độ dẫn không liên tục (DCM) để đạt được hệ số công suất (PF) cao Bộ chuyển đổi flyback hoạt động ở chế độ QR giúp giảm tổn thất khi đóng ngắt, từ đó nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng Việc áp dụng cấu trúc một giai đoạn không chỉ giảm chi phí mà còn cải thiện hiệu suất hệ thống Hệ thống được nghiên cứu với công suất đầu ra 50W, đạt PF tối đa 0.99 và hiệu suất khoảng 90.91% trong điều kiện thử nghiệm bình thường.

1.6 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài

Mạch sạc là thành phần thiết yếu trong xe điện, hiện đang được áp dụng cho xe máy điện với bộ pin 60 cell 240V Mạch chỉnh lưu này có điện áp đầu ra khoảng 300V, kết nối với trở công suất để giảm dòng điện xuống dưới 1A phục vụ cho quá trình sạc Tuy nhiên, mạch sạc hiện tại không ổn định và không thể thương mại hóa Nghiên cứu và chế tạo hệ thống mạch sạc mới không chỉ hỗ trợ học tập và nghiên cứu mà còn giúp tạo ra nguồn sạc ổn định và gọn nhẹ hơn, đóng vai trò quan trọng trong việc hiện thực hóa xe điện đang được 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 quan trọng trong xe điện, đặc biệt là trong dự án xe máy điện với bộ pin 60 cell 240V Hiện tại, mạch chỉnh lưu với điện áp đầu ra khoảng 300V được sử dụng để giảm dòng điện xuống dưới 1A cho quá trình sạc Tuy nhiên, mạch này gặp bất tiện và không ổn định, khó đưa vào thương mại Nghiên cứu và chế tạo hệ thống mạch sạc không chỉ phục vụ cho học tập và nghiên cứu mà còn giúp tạo ra nguồn sạc ổn định, gọn nhẹ hơn, góp phần hiện thực hóa chiếc xe điện đang được phát triển.

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

Mạch chỉnh lưu là một mạch điện sử dụng linh kiện điện – điện tử để chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều Nó thường được áp dụng trong các bộ nguồn cung cấp điện một chiều và trong các mạch tách sóng tín hiệu vô tuyến Các thành phần chính trong mạch chỉnh lưu có thể bao gồm diode bán dẫn, đèn chỉnh lưu thủy ngân, hoặc các linh kiện điện tử khác.

Mạch chỉnh lưu nửa sóng cho phép dòng điện chỉ đi qua trong một nửa chu kỳ dương hoặc âm, tùy thuộc vào cách lắp đặt diode Do chỉ có một nửa chu kỳ được chỉnh lưu, hiệu suất truyền công suất của mạch này rất thấp Mạch chỉnh lưu nửa sóng thường được lắp đặt với chỉ 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 chuyển đổi cả hai nửa chu kỳ của dòng điện xoay chiều thành một điện áp một chiều duy nhất, có thể là dương hoặc âm Quá trình này diễn ra khi mạch chỉnh lưu đảo chiều dòng điện của nửa chu kỳ âm hoặc dương, kết hợp cả hai nửa để tạo ra một điện áp chỉnh lưu hoàn chỉnh.

Nguồn xung

Nguồn xung (Switching regulator) là loại nguồn sử dụng kỹ thuật chuyển mạch bán dẫn để cung cấp điện áp đầu ra mong muốn, thay vì sử dụng phương pháp tuyến tính truyền thống Cấu trúc cơ bản của nguồn xung bao gồm hai phần chính: bộ phận chuyển đổi năng lượng (biến áp) và mạch điều khiển, có nhiệm vụ tạo ra xung điều khiển để đóng ngắt dòng điện qua biến áp.

Hình 2.3 Sơ đồ tổng thể của 1 nguồn xung [4]

Nguồn xung bao gồm các loại như sau:

Nguồn xung Buck là một loại nguồn xung hạ áp, có đặc điểm là điện áp đầu ra thấp hơn điện áp đầu vào Thông thường, nguồn này được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu về công suất thấp.

Hình 2.4 Mạch nguồn xung kiểu buck cơ bản [5]

Mạch điện bao gồm nguồn và công tắc bán dẫn như BJT hoặc MOSFET, được điều khiển đóng mở với tần số cao TR1 bởi mạch điều khiển Mạch này còn kết hợp với diode D1, cuộn cảm L1 và tụ lọc để đảm bảo hoạt động hiệu quả.

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 TR1 được bật, diode D1 sẽ ngăn cản dòng điện chảy qua, khiến dòng điện đi qua cuộn cảm L1 và tải, đồng thời nạp năng lượng cho tụ C1 Quá trình này cũng tạo ra từ trường bên trong cuộn dây.

Khi TR1 OFF, dòng điện từ nguồn bị ngắt đột ngột, dẫn đến sự thay đổi đột ngột của từ thông trong cuộn dây Hiện tượng này tạo ra một dòng điện cảm ứng, tiếp tục chạy qua tải và trở về cuộn dây qua diode.

Nguồn xung boost là loại nguồn xung mà điện áp đầu ra cao hơn điện áp đầu vào, trái ngược với nguồn xung buck Cấu trúc của nguồn xung boost tương tự như nguồn xung buck, nhưng khác biệt ở cách sắp xếp các linh kiện bên trong.

Hình 2.5 Mạch nguồn xung kiểu boost cơ bản [5]

Khi TR1 được kích hoạt, dòng điện sẽ chạy qua cuộn dây và trở về mass, dẫn đến hiện tượng ngắn mạch làm tăng cường độ dòng điện và tích trữ năng lượng trong cuộn dây Trong quá trình này, tụ điện C1 đóng vai trò như một nguồn cung cấp năng lượng cho tải.

Khi TR1 OFF, dòng điện từ nguồn kết hợp với dòng điện tích trữ trong cuộn cảm sẽ đi qua diode và cung cấp năng lượng cho tải, đồng thời nạp năng lượng cho tụ, dẫn đến việc tăng điện áp đầu ra.

Mạch buck boost là một loại mạch chuyển đổi điện áp, cho phép tạo ra điện áp trái dấu từ đầu vào DC Điện áp đầu ra có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp đầu vào, với trị tuyệt đối khác nhau, mang lại tính linh hoạt trong ứng dụng.

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

Khi TR1 OFF, điện áp vào Vin bị ngắt, dẫn đến dòng điện qua cuộn dây giảm dần, làm tăng điện áp trên cuộn dây Điện áp này được nạp vào tụ và đồng thời mở thông diode D1, cho phép dòng phóng từ cuộn dây cung cấp nguồn cho tải.

Nguồn xung flyback là loại nguồn linh hoạt nhất trong các nguồn xung phổ biến, cho phép thiết kế nhiều đầu ra với các mức điện áp khác nhau, bao gồm cả điện áp âm Mạch flyback thường được sử dụng trong hệ thống cung cấp năng lượng như năng lượng mặt trời và gió, khi cần từ một đầu vào để tạo ra nhiều mức điện áp đầu ra theo yêu cầu của hệ thống, thường là +5V, +12V, và -12V, với hiệu suất cao Sơ đồ nguyên lý cơ bản của mạch nguồn flyback thể hiện rõ cấu trúc và cách hoạt động của nó.

Hình 2.7 Sơ đồ mạch nguồn xung flyback cơ bản[6]

Mạch nguồn flyback có 10 đặc tính quan trọng, trong đó cực tính của cuộn sơ cấp và thứ cấp đóng vai trò quyết định Để tạo ra điện áp dương, hai cuộn dây phải có cực tính ngược nhau, trong khi để tạo điện áp âm, chúng phải cùng chiều Nguyên tắc hoạt động của mạch nguồn này dựa trên sự thay đổi cực tính giữa hai cuộn dây.

Khi công tắc đóng, dòng điện qua cuộn sơ cấp tăng lên, tạo ra sự chênh lệch điện thế giữa hai đầu cuộn sơ cấp Điều này cũng xảy ra tương tự ở cuộn thứ cấp, dẫn đến đầu có dấu chấm của cuộn thứ cấp có điện thế thấp hơn, gây ra điện áp âm trên diode theo chiều thuận, khiến diode bị khóa Do đó, nguồn cấp cho tải lúc này chỉ phụ thuộc vào năng lượng từ tụ phóng ra.

Khi công tắc mở, dòng điện qua cuộn sơ cấp giảm, tạo ra điện thế không đều giữa hai đầu cuộn sơ cấp Điều này cũng xảy ra tương tự ở cuộn thứ cấp, dẫn đến điện áp dương được đặt lên diode theo chiều thuận Kết quả là diode mở ra, cho phép dòng điện từ cuộn thứ cấp nạp cho tụ điện và cung cấp năng lượng cho tải.

2.2.3 Các yếu tố khác trong nguồn xung

Tất cả các nguồn xung phổ biến đều tạo ra điện áp đầu ra dạng xung vuông với tần số xác định, được gọi là Điều chế độ rộng xung (PWM), hay còn được biết đến với tên gọi băm xung trong dân gian.

UC3843

IC thuộc họ UCx84x được thiết kế để điều xung, cung cấp các tính năng cần thiết cho mạch tạo xung trong các ứng dụng chuyển đổi DC-DC với tần số cố định Bên trong IC tích hợp mạch khóa sụt áp (undervoltage lockout), mạch hạn dòng khởi động dưới 1mA và mạch khuếch đại lỗi để tham chiếu điện áp đầu vào Ngoài ra, IC còn bao gồm mạch điều chế độ rộng xung (PWM) và mạch so sánh cho điều khiển hạn dòng Đầu ra của IC là tín hiệu dạng xung, thường được sử dụng để kết hợp với MOSFET kênh N nhằm điều khiển dòng điện qua biến áp xung.

Hình 2.11 Cấu tạo bên trong của UC3843 [7]

Hình 2.12 Sơ đồ chân của UC3843 [7]

COMP là chân nhận hồi tiếp, giúp điều chỉnh bộ khuếch đại lỗi bên trong IC Người dùng có thể giảm chu kỳ hoạt động của IC (duty cycle) xuống 0 bằng cách kết nối chân này với GROUND.

Chân VFB trong IC đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát điện áp đầu ra, giúp duy trì mức điện áp ổn định Điện áp tại chân này sẽ được so sánh với điện áp chuẩn 2.5V bên trong; nếu điện áp lớn hơn, IC sẽ giảm độ rộng xung, còn nếu nhỏ hơn, IC sẽ tăng độ rộng xung để đạt được mức điện áp mong muốn.

ISENSE là một cảm biến dòng, thường được kết hợp với điện trở cảm dòng để phản hồi tín hiệu dòng điện từ cuộn sơ cấp đến IC, nhằm đảm bảo rằng dòng điện duy trì ở mức mong muốn.

Chân RT/CT xác định tần số dao động của mạch (fosc) bằng cách kết nối với điện trở RCT và tụ điện CCT Trong họ UCx84x, tần số tối đa có thể đạt khoảng 500kHz Giá trị RCT được khuyến nghị trong khoảng 5kΩ - 100kΩ.

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: Chân tín hiệu xung của IC điều khiển việc đóng ngắt công tắc bán dẫn như MOSFET với tần số fosc Do đó, tần số đóng ngắt của công tắc sẽ bằng fsw = fosc.

Chân VCC là nguồn cấp điện áp đầu vào cho IC, yêu cầu dòng điện nhỏ khoảng 0.5mA, thường được kết nối với một điện trở để hạn chế dòng Điện áp tối đa mà chân VCC có thể chịu là 32V Đối với UC3843, điện áp bật VON cần lớn hơn 8.4V và điện áp tắt VOFF phải nhỏ hơn 7.6V.

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 đầu ra trong khoảng từ 2,5V đến 36V thông qua hai điện trở bên ngoài Dòng điện chạy từ chân K (Cathode) sang chân A (Anode) có phạm vi từ 1mA đến 100mA với trở kháng đầu ra chỉ 0,2 Ω IC này thường được sử dụng để thay thế diode Zener trong các ứng dụng điều chỉnh điện áp chính xác, đặc biệt là trong nguồn xung và mạch flyback.

Hình 2.13 Cấu tạo TL431 và sơ đồ chân [8]

Nguyên lý hoạt động của TL431 dựa vào điện áp đặt vào chân tham chiếu R Khi VREF lớn hơn khoảng 2,48VDC đến 2,57VDC, TL431 sẽ cho phép dòng IKA đi qua Ngược lại, TL431 sẽ không dẫn dòng IKA khi VREF thấp hơn 2,5V.

MOSFET

MOSFET, hay Transistor hiệu ứng trường oxit kim loại, là một loại transistor đặc biệt với cấu trúc và nguyên lý hoạt động khác biệt so với transistor thông thường Nó hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện, với trở kháng đầu vào lớn, rất phù hợp cho việc khuyếch đại các tín hiệu yếu MOSFET có khả năng đóng nhanh với dòng điện và điện áp cao, nên thường được sử dụng trong các bộ dao động tạo ra từ trường, giúp dòng điện biến thiên một cách nhanh chóng Loại linh kiện này thường xuất hiện trong các bộ nguồn xung và mạch điều khiển điện áp cao.

Hình 2.14 MOSFET và kí hiệu [9]

Cấu tạo MOSFET bao gồm:

Cực cổng (G) là một phần quan trọng trong cấu trúc bán dẫn, được cách ly hoàn toàn với các cực khác nhờ vào lớp điện môi mỏng nhưng có độ cách điện cao, thường là dioxit silic.

D (Drain): cực máng đón các hạt mang điện

MOSFET có điện trở giữa cực G và cực S, cũng như giữa cực G và cực D, là rất lớn Tuy nhiên, điện trở giữa cực D và cực S lại phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G và cực S (UGS).

Khi điện áp UGS bằng 0, điện trở RDS đạt giá trị cao nhất Khi điện áp UGS lớn hơn 0, hiệu ứng từ trường làm giảm điện trở RDS Sự giảm điện trở RDS càng rõ rệt hơn khi điện áp UGS tăng lên.

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 chủ yếu ở hai chế độ: đóng và mở Với khả năng đóng cắt ở tần số rất cao nhờ vào cấu trúc hạt mang điện cơ bản, MOSFET yêu cầu kỹ thuật điều khiển hiệu quả để đảm bảo thời gian đóng cắt ngắn.

Mạch điện tương đương của MOSFET cho thấy cơ chế đóng cắt phụ thuộc vào các tụ điện ký sinh Đối với MOSFET kênh P, điện áp điều khiển để mở MOSFET là UGS = 0, cho phép dòng điện chảy từ S đến D Trong khi đó, đối với MOSFET kênh N, điện áp điều khiển mở là UGS > 0 và điện áp điều khiển đóng là UDS.

≤ 0 Dòng điện sẽ đi từ D xuống S.

Photocoupler (Opto quang)

Photocoupler, hay còn gọi là phần tử cách ly quang (opto-isolator) hoặc optocoupler, là một linh kiện bán dẫn dùng để truyền tín hiệu giữa hai mạch điện được cách ly bằng ánh sáng.

Nguyên lý hoạt động của photocoupler khá đơn giản, bao gồm một diode phát quang LED chiếu sáng vào một diode quang hoặc phototransistor, tất cả được bọc trong vỏ kín ánh sáng Khi LED phát sáng với cường độ nhất định, ánh sáng chiếu vào vùng base của phototransistor, làm giảm điện trở thuần của nó và tăng dòng điện qua transistor Quá trình này tạo ra hai mức độ chính trong hoạt động của photocoupler.

Khi cường độ sáng đạt mức đủ mạnh, transistor cảm quang sẽ vào trạng thái bão hòa Photocoupler chủ yếu được sử dụng để truyền tín hiệu logic trong thực tế.

Khi cường độ sáng không đủ mạnh, transistor cảm quang sẽ không đạt trạng thái bão hòa Photocoupler có khả năng truyền tín hiệu analog, nhưng chế độ này ít được sử dụng do đường đặc tính quan hệ vào-ra có đoạn tuyến tính hẹp, dẫn đến việc không đảm bảo truyền tín hiệu một cách trung thực.

Hình 2.15 Nguyên lí hoạt động của Opto quang [10]

Photocoupler là thiết bị quan trọng trong các hệ thống số, giúp cách ly điện giữa các mạch để ngăn chặn sốc điện và nhiễu tín hiệu Trong các thiết bị đo đạc thí nghiệm, photocoupler hỗ trợ số hóa dữ liệu và truyền tín hiệu đến máy tính nhúng thông qua các module nguồn khác nhau Ngoài ra, photocoupler còn được tích hợp vào các linh kiện như transistor, MOSFET, IGBT và TRIAC công suất lớn, cho phép điều khiển dòng điện hiệu quả Những linh kiện này thường được gọi là rơ le bán dẫn.

Một số linh kiện khác cần dùng trong mạch

Điện trở (Resistor) là linh kiện điện tử thụ động với hai tiếp điểm kết nối, chủ yếu dùng để hạn chế cường độ dòng điện, điều chỉnh tín hiệu và chia điện áp trong mạch Chúng cũng kích hoạt các linh kiện điện tử chủ động như transistor và có vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng khác nhau Điện trở công suất có khả năng tiêu tán lượng lớn điện năng thành nhiệt, thường thấy trong bộ điều khiển động cơ và hệ thống phân phối điện Các điện trở thường có trở kháng cố định, ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và điện áp Biến trở cho phép thay đổi trở kháng, tương tự như núm vặn điều chỉnh âm lượng, trong khi các cảm biến như cảm biến nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm và lực tác động sử dụng điện trở biến thiên để hoạt động.

Hình 2.16 Kí hiệu của điện trở trong mạch điện [10]

Tụ điện, hay còn gọi là Capacitor, là một linh kiện điện tử thụ động quan trọng trong các mạch lọc, mạch dao động và mạch truyền dẫn tín hiệu xoay chiều Nó được cấu tạo từ hai bề mặt dẫn điện ngăn cách bởi điện môi, khi có chênh lệch điện thế, sẽ tạo ra điện tích trái dấu tại hai bề mặt Tụ điện có khả năng lưu trữ năng lượng tương tự như ắc quy, mặc dù cơ chế hoạt động của chúng khác nhau Với cấu trúc hai bản cực song song, tụ điện có tính chất cách điện 1 chiều nhưng cho phép dòng điện xoay chiều đi qua nhờ nguyên lý phóng nạp Các loại tụ điện phổ biến rất đa dạng và được ứng dụng rộng rãi trong các mạch điện.

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 phân biệt âm dương Trị số điện dung của chúng được ký hiệu bằng ba số trên thân tụ, thường có giá trị khá nhỏ, chỉ khoảng 0,47 àF.

Tụ xoay là loại tụ điện có khả năng xoay để điều chỉnh giá trị điện dung, thường được sử dụng trong các thiết bị radio nhằm 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 linh kiện bán dẫn chủ động, thường được sử dụng để khuếch đại hoặc khóa điện tử Với khả năng đáp ứng nhanh và chính xác, transistor đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng tương tự và số, bao gồm mạch khuếch đại, điều chỉnh điện áp, tạo dao động và điều khiển tín hiệu.

Hình 2.18 Cấu tạo và phân loại transitor [10]

Transistor được cấu tạo từ hai lớp bán dẫn điện ghép lại, bao gồm hai loại bán dẫn là loại P (dương) và loại N (âm) Khi một bán dẫn điện âm được đặt giữa hai bán dẫn điện dương, ta có Transistor loại PNP Ngược lại, khi một bán dẫn điện dương nằm giữa hai bán dẫn điện âm, ta có Transistor loại NPN.

Transistor được chia thành hai loại chính là NPN và PNP, bao gồm ba lớp bán dẫn tạo thành ba cực Cực giữa gọi là cực gốc (B) với lớp bán dẫn rất mỏng và nồng độ tạp chất thấp Hai lớp bán dẫn bên ngoài được nối ra thành cực phát (E) và cực thu (C), trong đó vùng bán dẫn E và C cùng loại nhưng khác kích thước và nồng độ tạp chất, do đó không thể hoán vị cho nhau.

Transistor giống như 1 công tắc điện tử Nó có thể bật hoặc tắt dòng điện, có thể xem nó như

Rơle không có bộ phận chuyển động, mà hoạt động dựa trên transistor sử dụng vật liệu bán dẫn Khi dòng điện chạy từ cực gốc đến cực phát, nó cho phép một dòng điện khác đi từ cực thu đến cực phát.

Diode là linh kiện điện tử bán dẫn được chế tạo từ hợp chất Silic, Photpho và Bori, tạo ra hai lớp bán dẫn P và N Cực Anode kết nối với lớp P, trong khi cực Cathode kết nối với lớp N Đặc tính nổi bật của diode là cho phép dòng điện chỉ đi theo một chiều từ Anode sang Cathode, hoạt động như một van điện một chiều, giúp kiểm soát hướng dòng điện trong mạch.

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 hoạt động hiệu quả ở dải tần thấp, có khả năng chịu đựng dòng điện lớn và áp ngược dưới 1000V Chúng chủ yếu được sử dụng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều.

Diode xung là loại diode có tần số đáp ứng cao, từ vài chục kilo Hertz đến cả Mega Hertz Chúng thường được sử dụng phổ biến trong các bo nguồn xung và các thiết bị điện tử cao tần.

Diode phát quang: Là những đèn LED được sử dụng nhiều làm đèn chiếu sáng, đèn báo hiệu, đèn quảng cáo

Diode ổn áp Zenner là một linh kiện quan trọng trong các mạch nguồn điện áp thấp nhờ vào khả năng ổn định điện áp Linh kiện này cho phép dòng điện chạy từ cực K sang cực A khi điện áp nguồn vượt quá điện áp ghim Khi có dòng điện ngược, diode sẽ giữ lại một điện áp ghim tương ứng với thông số trong datasheet của nó.

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, THỰC HIỆN HỆ THỐNG

Sơ đồ hệ thống mạch sạc

Mạch sạc hoạt động dựa trên nguyên tắc của nguồn xung flyback, cho phép duy trì điện áp không đổi trong khi điều chỉnh dòng điện đầu ra thông qua kích thước dây quấn biến áp Các thành phần chính của mạch sạc bao gồm:

Trong đồ án này, người nghiên cứu sẽ tập trung vào việc thiết kế mạch nguồn xung flyback của Texas Instruments, với đầu ra 12V 4A Sau khi mạch hoạt động đạt yêu cầu, người nghiên cứu sẽ tiến hành điều chỉnh các thông số để đạt được đầu ra mong muốn là 300V và dòng tối đa 1A.

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 một cầu diode có khả năng cung cấp dòng điện lên đến 6A và chịu được điện áp ngược tối đa 1000V, thường được sử dụng để chỉnh lưu trong hệ thống điện 220V.

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 được sử dụng để bảo vệ các linh kiện điện tử trong mạch, ngăn chặn các trường hợp ngắn mạch, trong khi điện trở nhiệt NTC 5D-8 giúp bảo vệ mạch khỏi tình trạng quá nhiệt.

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

Mạch tạo xung thử nghiệm sử dụng IC được kết nối với nguồn Vcc 16V, kèm theo hai biến trở 1K và 5K để mô phỏng tín hiệu hồi tiếp cho IC, giúp quan sát sự thay đổi ở đầu ra xung Tần số xung được xác định bởi R1 và CRCT, trong đó R1 được thiết lập là 10K.

= 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 đã cấp nguồn pin 16V cho mạch và sử dụng máy đo dao động ký để đo xung đầu ra tại chân OUTPUT Các phép đo được thực hiện hai lần để quan sát sự thay đổi của xung ra ứng với các giá trị biến trở khác nhau.

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

Kết luận cho thấy tần số đã được cố định ở mức 140kHz, mặc dù có sai lệch so với giá trị mong muốn ban đầu, điều này có thể do sai số trong giá trị điện trở và tụ cũng như hiệu suất của mạch Qua hai giá trị RISENSE khác nhau, chúng ta nhận thấy độ rộng xung đầu ra cũng khác nhau, từ đó cho thấy IC điều chỉnh điện áp đầu ra hoạt động theo mong muốn nhờ khả năng thay đổi độ rộng xung thông qua giá trị điện áp hồi tiếp gửi về cho IC.

Mạch điện hạ áp 12V

3.4.1 Mạch bảo vệ MOSFET (Snubber)

Trong biến áp xung, các cuộn dây quấn với nhau có độ tự cảm khác nhau, dẫn đến sự kết hợp từ thông không hoàn toàn và tạo ra điện cảm rò, hay còn gọi là độ cảm rò của biến áp Khi hoạt động trong mạch nguồn xung, MOSFET đóng ngắt với tần số cao, tạo ra điện áp ngược ở hai đầu cuộn dây sơ cấp, phụ thuộc vào độ cảm rò của biến áp Điện áp này sinh ra các xung gai, khiến điện áp đặt lên cực Drain tăng cao, có khả năng đánh thủng MOSFET.

Hình 3.8 Điện áp ở cực Drain của MOSFET trong 1 chu kỳ làm việc

Để tiêu hao năng lượng điện cảm, cần thiết phải có một mạch gồm điện trở, tụ điện cao áp và diode Mạch này có tác dụng triệt tiêu điện áp rò ở hai đầu cuộn dây sơ cấp, giúp cải thiện hiệu suất hoạt động.

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 điện áp vào chân VCC lớn hơn 8.4V và tối đa là 32V, đồng thời sẽ ngừng hoạt động khi điện áp giảm xuống dưới 7.6V Do đó, việc thiết kế một nguồn điện ổn định để cung cấp cho IC hoạt động từ điện áp đầu vào là rất cần thiết.

Hình 3.10 Mạch cấp nguồn cho UC3843

Biến áp được thiết kế với một cuộn dây để hạ áp và cấp điện cho IC, nhưng nguồn điện chỉ hoạt động khi IC bắt đầu tạo ra xung Dòng điện 300V một chiều sẽ đi qua điện trở công suất RSTART khoảng 100K, làm giảm điện áp xuống còn khoảng 10V để kích hoạt IC Khi IC hoạt động, nó tiêu thụ nhiều dòng điện, khiến dòng qua RSTART không đủ cung cấp Tuy nhiên, khi biến áp hoạt động, dòng điện từ cuộn nuôi sẽ được lọc qua diode và tụ, cung cấp điện áp ổn định cho UC3843 Đầu ra sẽ là xung PWM được đưa vào cực Gate của MOSFET để điều khiển dòng điện qua cuộn dây sơ cấp, trong khi Rcs đóng vai trò như cầu phân áp cung cấp tín hiệu dòng cho IC trong mạch hồi tiếp.

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

Tín hiệu hồi tiếp tại chân ISENSE của IC, như hình 3.11, thể hiện dòng điện ISENSE qua MOSFET thông qua điện trở Rcs Sự xuất hiện các xung gai trong tín hiệu này là do độ cảm rò của máy biến áp kết hợp với điện áp dội ngược từ phía thứ cấp.

Tín hiệu dòng điện từ cuộn sơ cấp sẽ đi qua mạch lọc gồm điện trở RCSF và tụ điện CCSF, giúp cải thiện độ chính xác của tín hiệu Chân ISENSE của IC sẽ giảm độ rộng xung nếu điện áp đầu vào lớn hơn 1V, đảm bảo dòng điện không vượt quá ngưỡng quy định Để duy trì sự ổn định của mạch, tín hiệu nạp xả của tụ điện CCT với dạng sóng răng cưa sẽ được kết hợp với tín hiệu dòng điện từ cuộn sơ cấp Tín hiệu này sẽ được truyền qua transistor NPN, với cực Collector nối vào chân điện áp chuẩn VREF, sau đó đi qua tụ điện CRAMP và điện trở RRAMP trước khi vào chân ISENSE.

Mạch hồi tiếp áp được thiết kế để đảm bảo đầu ra điện áp ổn định và đáp ứng đúng yêu cầu Việc điều khiển điện áp thực hiện thông qua việc thay đổi chu kỳ hoạt động của MOSFET, sử dụng chân VFB của UC3843 Nghiên cứu này áp dụng phương pháp hồi tiếp qua TL431, với cách ly bằng photo quang.

Hình 3.12 Mạch hồi tiếp áp [7]

Hai điện trở RFBU và RFBB kết hợp tạo thành cầu phân áp, cung cấp 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 phân áp được chọn là RFBU = 9.53kΩ và RFBB = 2.49kΩ.

Khi điện áp tại chân R thấp hơn 2.5V, Vout sẽ nhỏ hơn 12V, dẫn đến việc TL431 chưa hoạt động và không có tín hiệu hồi tiếp tới chân VFB Do đó, IC sẽ tiếp tục điều chỉnh xung để nâng cao điện áp đầu ra đạt 12V.

Khi Vout > 12V và VR > 2.5V, dòng IKA của TL431 xuất hiện, kích hoạt dòng qua opto quang khiến LED phát sáng, đồng thời tạo điện áp hồi tiếp về chân VFB IC sẽ điều chỉnh chu kỳ làm việc giảm xuống, có thể về 0, nhằm đưa Vout gần với giá trị 12V Một dòng điện từ ngõ ra qua điện trở RTLbias và diode zener 10V xuống mass tạo ra dòng 10 mA cấp cho cực Cathode của TL431, giúp TL431 hoạt động với hiệu suất tối ưu.

Trong mạch điện ổn áp, các linh kiện như điện trở RCOMPZ và tụ điện CCOMPZ được mắc nối tiếp, kết nối với cầu phân áp và cực Cathode của TL431, giúp duy trì sự ổn định cho mạch Điện trở RCOMPp và tụ điện CCOMPp được mắc song song, kết nối chân VFB với chân COMP của UC3843, trong khi điện trở RFBG nối Opto với chân VFB của UC2843 và điện trở ROPTO nối Opto với mass Những linh kiện này tạo ra các hàm truyền, hàm hồi tiếp và điểm không, điểm cực, được phân tích trong miền tần số để đảm bảo hoạt động ổn định cho mạch điện Tuy nhiên, các lý thuyết phân tích trong miền tần số là khá phức tạp và sẽ không được đề cập trong bài viết 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 chu kỳ hoạt động bằng 0 Do IC không được trang bị mạch điều khiển khởi động, nên cần thiết phải có mạch bên ngoài Mạch này bao gồm một cặp điện trở và tụ R/C giữa hai chân VREF và COMP, giúp cố định thời gian đầu ra của bộ khuếch đại lỗi, cho phép độ rộng xung khởi động từ từ Trong quá trình hoạt động, mỗi chân có vai trò riêng, vì vậy cần sử dụng một transistor để cách ly giữa hai chân này, đồng thời transistor cũng hỗ trợ quá trình điều khiển.

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 ở hai chế độ: chế độ dòng điện không liên tục (DCM) và chế độ dòng điện liên tục (CCM), mỗi chế độ có ưu nhược điểm riêng Chế độ DCM giúp diode chỉnh lưu DOUT chuyển mạch hiệu quả hơn do dòng điện qua diode Io về không trước khi phân cực ngược, và kích thước máy biến áp nhỏ hơn nhờ năng lượng tích trữ thấp Tuy nhiên, DCM tạo ra dòng điện đỉnh Ipk cao, dẫn đến thất thoát điện năng qua MOSFET và áp lực lớn hơn cho tụ điện COUT Chế độ DCM thường được sử dụng cho ứng dụng có điện áp đầu ra cao và dòng thấp, trong khi CCM thích hợp cho điện áp đầu ra thấp và dòng cao Đối với mạch điện hạ áp yêu cầu điện áp đầu ra 12 V và dòng 4 A, chế độ CCM là lựa chọn tối ưu để thiết kế biến áp xung.

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 đạt tiêu chuẩn, người nghiên cứu tiến hành tính toán lại các thành phần cần điều chỉnh để đạt điện áp đầu ra 300V, bao gồm biến áp và mạch hồi tiếp.

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,

Do đường kính dây cuộn thứ cấp lớn khoảng 1mm, không thể quấn cho biến áp ER42 với 50 vòng, nên nghiên cứu đã lựa chọn lại đường kính dây DP = 0,6 mm và DS = 0,2 mm Đường kính dây chỉ ảnh hưởng đến dòng điện mà không ảnh hưởng đến điện áp Nghiên cứu sẽ điều chỉnh kích thước dây nếu giá trị dòng điện không đạt yêu cầu.

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

Do mạch đầu ra yêu cầu điện áp cao hơn, cần điều chỉnh các giá trị trong mạch hồi tiếp như thể hiện trong hình 3.12 để đạt được điện áp đầu ra chính xác là 300V.

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 sẽ áp dụng phương pháp thực nghiệm để điều chỉnh các giá trị điện trở và linh kiện trong mạch hồi tiếp, nhằm đạt được giá trị đầu ra mong muốn, trong khi các giá trị còn lại vẫn được giữ nguyên.

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 tăng số vòng dây của cuộn thứ cấp lên 200 vòng, điều này sẽ tạo ra tỉ lệ NPS = 0,25 trong thử nghiệm lần 2 với biến áp có NPS = 0,25.

3.6.2 Thử nghiệm lần hai với biến áp có N PS = 0,25

Kết quả đo cho thấy giá trị điện áp đầu ra VOUT vẫn duy trì ổn định ở khoảng 78V, không đạt được yêu cầu 300V Do đó, nguyên nhân không phải do biến áp.

Điện áp đầu ra của mạch trong lần đo thứ hai cho thấy có thể có sự cố ở mạch hồi tiếp Để xác minh, chúng ta đã tiến hành kiểm tra giá trị điện áp đầu vào tại chân ISENSE của UC3843 và thu được kết quả như sau.

Điện áp tại chân ISENSE trong lần đo thử thứ hai cho thấy có những thời điểm vượt quá 1V, với dòng đỉnh xung đạt khoảng 12V Khi đó, IC sẽ tự động giảm độ rộng xung để hạ cường độ dòng điện, dẫn đến điện áp đầu ra không đạt yêu cầu mong muốn.

Để khắc phục vấn đề, người nghiên cứu đã thử thay đổi giá trị điện trở RCS từ 0,75 Ω lên 3,3 Ω Đồng thời, biến áp được quấn lại với tỉ lệ NPS là 0,3 như ban đầu.

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

Giá trị dòng đỉnh xung đã giảm xuống còn khoảng 7 – 8V, thấp hơn so với lần đo thứ 2 Tuy nhiên, sự thay đổi này không ảnh hưởng nhiều đến giá trị điện áp đầu ra, do đó có thể suy ra rằng đây không phải là nguyên nhân.

Thử nghiệm với giá trị điện trở Ropto có thể ảnh hưởng trực tiếp đến độ lợi của mạch hồi tiếp áp cho UC3843 Khi tăng giá trị Ropto từ 1kΩ lên 25kΩ, cần xem xét tác động của sự thay đổi này đến hiệu suất hoạt động của mạch.

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

Mặc dù giá trị Ropto được tăng lên, nhưng giá trị VOUT vẫn không thay đổi, dẫn đến đầu ra chỉ cải thiện đến mức 100V, chưa đạt yêu cầu đề ra.

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 TL431 chưa mở cổng dẫn dòng điện qua opto quang trong suốt quá trình hoạt động Mặc dù vậy, tín hiệu hồi tiếp tại chân VFB vẫn có điện áp hồi về, điều này là nguyên nhân khiến điện áp đầu ra không đạt yêu cầu.

Tìm hiểu nguyên nhân của sự sai lệch điện áp đầu ra

Như đã đề cập trong mục 3.6.4, cần làm rõ nguyên nhân tại sao tín hiệu điện áp hồi tiếp vẫn xuất hiện ở chân VFB của UC3843 khi TL431 chưa dẫn Để hiểu rõ hơn, chúng ta sẽ phân tích mạch hồi tiếp (hình 3.12) của mạch hạ áp 12V.

Khi TL431 chưa dẫn, với VR < 2,5V, điện áp ở chân 1 của opto là 12V và chân 2 được cố định ở 10V nhờ diode zener, tạo ra mức chênh lệch 2V Theo datasheet của pc817, điện áp tối đa giữa hai chân 1 và 2 là VFM = 4V Nếu vượt quá mức này, opto sẽ rơi vào trạng thái hoạt động không ổn định Trong mạch đầu ra 300V, diode zener 10V vẫn được sử dụng, nhưng với điện áp đầu ra cao 300V, điện áp giữa hai chân 1 và 2 của opto trở thành VFM = 290V, vượt quá 4V, dẫn đến hoạt động không ổn định và hồi tiếp sai.

Việc xác định nguyên nhân đã cung cấp cho người nghiên cứu những ý tưởng khắc phục, nhưng do thời gian hạn chế, họ không thể thực hiện các biện pháp cần thiết Kết quả là, mạch vẫn chưa đạt được đầu ra 300V, điều này làm cho việc sạc pin cho xe máy điện chưa thể thực hiện được.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ