TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Hiện nay, hầu hết phương tiện giao thông sử dụng động cơ đốt trong với nhiên liệu hóa thạch, gây ra hiệu suất thấp và thải ra một phần ba lượng khí gây hiệu ứng nhà kính Theo nghiên cứu nửa đầu năm 2017, phương tiện giao thông đóng góp 55% khí NOx, 56% khí CO và 6% khí SO2, thúc đẩy nhu cầu 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, thay thế xe chạy bằng nhiên liệu hóa thạch Để vận hành xe điện, hệ thống nạp năng lượng rất quan trọng, với mạch sạc cung cấp điện cho pin Mạch sạc cần đảm bảo đầu ra điện áp ổn định và dòng điện an toàn, ví dụ như bộ pin lithium-ion 60 cell yêu cầu điện áp khoảng 240V và dòng từ 0.5-1A Hiện tại, nghiên cứu đang sử dụng mạch chỉnh lưu AC-DC với đầu ra 300V, nhưng phương pháp này còn cồng kềnh và không tiện lợi Do đó, 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 nhỏ gọn, với đầu ra 300V và dòng điện 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
Đề tài này tập trung nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của các đối tượng trong thiết kế mạch chuyển đổi, không đi sâu vào các thuật toán hoặc 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 sử dụng ngồn xung flyback và UC3843, được thiết kế dựa trên kiến thức từ thầy cô, bạn bè và những người đi trước Mạch điện được thực hiện theo mẫu chuẩn của Texas Instruments, với đầu ra 12V 4A, sau đó tiến hành thay đổi linh kiện phù hợp để tối ưu hóa mạch.
Phương pháp thực nghiệm bao gồm việc tính toán thiết kế, thực hiện thí nghiệm và đo đạc để so sánh kết quả, từ đó tìm kiếm phương án cải tiến cho đến khi đạt được kết quả mong muốn Chúng tôi đã thực hiện mạch điện chuẩn theo mẫu của Texas Instruments với đầu ra 12V 4A, sau đó thay đổi linh kiện để tạo ra mạch điện 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" được thực hiện bởi Trịnh Trung Hiếu cùng với các cộng sự Đoàn Anh Tuấn và Lê Thị Tịnh Minh, nhằm phát triển giải pháp hiệu quả cho việc chuyển đổi năng lượng trong hệ thống điện mặt trời.
Nghiên cứu này tập trung vào 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 được cấu thành từ nhiều bộ chuyển đổi DC/DC nhỏ, được kết nối theo một quy luật nhất định để tạo ra công suất lớn 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, một bộ chuyển đổi DC/DC 200W thực tế đã được lắp ráp và áp dụng cho tấm pin mặt trời PEPV-48-200, với kết quả thử nghiệm cho thấy bộ chuyển đổi hoạt động ổn định và hiệu suất được cải thiện, khả thi cho ứng dụng thực tế.
Nghiên cứu "Single-stage QR AC-DC converter based on buck-boost and flyback circuits" của nhóm tác giả Yijie Wang, Shu Zhang, Yueshi Guan, Xiaosheng Liu, Dianguo tập trung vào việc phát triển mạch chuyển đổi năng lượng hiệu quả Mạch buck-boost hoạt động ở chế độ dẫn không liên tục (DCM) nhằm đạt được công suất đầu vào cao, trong khi bộ flyback converter hoạt động ở chế độ QR giúp giảm hao tổn khi đóng ngắt Việc áp dụng cấu trúc single-stage không chỉ giảm chi phí mà còn nâng cao hiệu suất hệ thống Hệ thống này đã được thử nghiệm với công suất đầu ra 50W, đạt hệ số công suất 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 đóng vai trò quan trọng trong xe điện, với mạch chỉnh lưu sử dụng cho xe máy điện có bộ pin 60 cell 240V, cho điện áp đầu ra khoảng 300V Tuy nhiên, mạch này không ổn định và khó đưa vào thương mại Nghiên cứu và chế tạo hệ thống mạch sạc không chỉ hỗ trợ học tập và nghiên cứu, mà còn tạo ra nguồn sạc ổn định và gọn nhẹ hơn, góp phần hiện thực hóa xe điện đang nghiên cứu.
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 trong dự án xe máy điện sử dụng bộ pin 60 cell 240V Hiện tại, mạch chỉnh lưu với điện áp đầu ra khoảng 300V được kết nối với trở công suất để giảm dòng điện xuống dưới 1A cho quá trình sạc Tuy nhiên, mạch này gặp nhiều bất tiện và không đủ ổn định để thương mại hóa Nghiên cứu và chế tạo hệ thống mạch sạc không chỉ phục vụ cho học tập và nghiên cứu mà còn tạo ra nguồn sạc ổn định, gọn nhẹ hơn, đồng thời là bước quan trọng trong việc hiện thực hóa chiếc xe điện đang trong quá trình 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 mạch điện bao gồm các linh kiện điện – điện tử, có chức năng biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều Mạch này thường được sử dụng trong các bộ nguồn cung cấp điện một chiều hoặc trong các mạch tách sóng tín hiệu vô tuyến trong thiết bị vô tuyến Các thành phần chính trong mạch chỉnh lưu có thể là diode bán dẫn, đèn chỉnh lưu thủy ngân hoặc các linh kiện khác.
Mạch chỉnh lưu nửa sóng cho phép chỉ một nửa chu kỳ dương hoặc âm đi qua diode, trong khi nửa còn lại sẽ bị chặn tùy thuộc vào chiều lắp đặt của 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 có thể được lắp đặt bằng 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 chuyển hướng dòng điện của nửa chu kỳ âm hoặc dương, giúp kết hợp cả hai nửa thành một điện áp chỉnh lưu hoàn chỉnh.
Nguồn xung
Nguồn xung (Switching regulator) là một loại nguồn cung cấp điện áp đầu ra mong muốn thông qua phương thức chuyển mạch đóng ngắt bán dẫn, thay vì sử dụng phương pháp tuyến tính như thông thường 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 điện áp đầu ra thấp hơn điện áp đầu vào, thường được sử dụng cho các ứng dụng yêu cầu công suất thấp.
Hình 2.4 Mạch nguồn xung kiểu buck cơ bản [5]
Mạch điện bao gồm nguồn, công tắc bán dẫn (thường là BJT hoặc MOSFET) được điều khiển để đóng mở với tần số cao TR1 bởi mạch điều khiển Mạch này kết hợp với diode D1, cuộn cảm L1 và tụ lọc để đảm bảo hoạt động ổn định và 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 ngăn cản dòng điện chảy qua, khiến dòng điện đi qua cuộn cảm L1 và tải, đồng thời nạp năng lượng vào tụ C1 và tạo ra từ trường trong cuộn dây.
Khi TR1 OFF, dòng điện từ nguồn bị ngắt đột ngột, dẫn đến sự thay đổi 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 có chức năng tăng điện áp đầu ra cao hơn điện áp đầu vào, ngược lại với nguồn xung buck Cấu trúc của nguồn xung boost tương tự như nguồn buck, nhưng khác biệt ở cách sắp xếp các linh kiện.
Hình 2.5 Mạch nguồn xung kiểu boost cơ bản [5]
Khi TR1 được bật, dòng điện sẽ đi qua cuộn dây và trở về mass, gây ra hiện tượng ngắn mạch làm tăng dòng điện và tích trữ năng lượng trong cuộn dây Trong thời gian này, tụ C1 sẽ hoạt động như một nguồn cung cấp điện cho tải.
Khi TR1 tắt, dòng điện từ nguồn kết hợp với dòng điện tích trữ trong cuộn cảm sẽ đi qua diode và cung cấp cho tải, đồng thời nạp năng lượng cho tụ, dẫn đến việc tăng điện áp đầu ra.
Mạch buck boost là mạch tạo ra điện áp trái dấu, cho phép đầu vào DC (có thể âm hoặc dương) và đầu ra có điện áp trái dấu so với điện áp đầu vào Điện áp đầu ra có thể có trị tuyệt đối lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp đầu vào.
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 và làm tăng điện áp trên cuộn dây Điện áp này sẽ nạp vào tụ và đồng thời mở 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 thông dụng, 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, đáp ứng nhu cầu nhiều mức điện áp đầu ra (thường là +5V, +12V, -12V) với hiệu suất cao Sơ đồ nguyên lý cơ bản của mạch nguồn flyback thể hiện sự linh hoạt và hiệu quả trong thiết kế nguồn điện.
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 then chốt Để tạo ra điện áp dương, cực tính của hai cuộn dây cần phải ngược nhau, trong khi để tạo điện áp âm, chúng phải cùng chiều Nguyên tắc hoạt động của mạch này dựa trên sự thay đổi cực tính của các 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, khiến điện thế ở đầu có dấu chấm nhỏ hơn đầu còn lại, dẫn đến điện áp âm tác động lên diode theo chiều thuận, làm cho diode bị khóa Lúc này, nguồn cấp cho tải chỉ phụ thuộc vào năng lượng từ tụ điện phóng ra.
Khi công tắc mở, dòng điện qua cuộn sơ cấp giảm, tạo ra sự chênh lệch điện thế giữa hai đầu cuộn Điều này cũng xảy ra tương tự ở cuộn thứ cấp Điện áp dương được đặt lên diode theo chiều thuận, khiến diode dẫn dòng từ cuộn thứ cấp để nạp cho tụ điện và cung cấp năng lượng cho tải.
2.2.3 Các yếu tố khác trong nguồn xung
Tất cả các loại nguồn xung phổ biến đều sản xuất điện áp đầu ra dưới dạng xung vuông với tần số nhất định, được gọi là Điều Biến Độ Rộng Xung (PWM), thường được biết đến với tên gọi băm xung.
UC3843
IC thuộc họ UCx84x được thiết kế để điều xung, cung cấp các tính năng cần thiết cho mạch tạo xung trong các mạch chuyển đổi DC-DC với tần số cố định Bên trong, IC tích hợp mạch khóa sụt áp (undervoltage lockout), hạn dòng khởi động dưới 1mA, và mạch khuếch đại lỗi để tham chiếu với điện áp đầu vào IC còn bao gồm mạch điều chế độ rộng xung (PWM) và mạch so sánh để kiểm soát 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 dùng để kết nối với bộ khuếch đại lỗi bên trong IC Người dùng có thể giảm chu kỳ hoạt động (duty cycle) của IC về 0 bằng cách nối chân này với GROUND.
Chân VFB trong IC đóng vai trò quan trọng trong việc hồi tiếp bộ khuếch đại lỗi, giúp kiểm soát điện áp đầu ra ổn định Điện áp tại chân này sẽ được so sánh với điện áp chuẩn 2.5V; nếu điện áp lớn hơn, IC sẽ giảm độ rộng xung, ngược lại, 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 về cho IC, nhằm duy trì dòng điện ở mức mong muốn.
RT/CT là chân xác định tần số dao động của mạch (fosc), được xác định bằng cách kết nối chân này với một điện trở RCT và tụ điện CCT Trong họ UCx84x, tần số tối đa có thể đạt khoảng 500kHz RCT nên được chọn trong khoảng 5kΩ - 100kΩ để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
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 ra của IC được sử dụng để điều khiển việc đóng ngắt công tắc bán dẫn như MOSFET với tần số fosc Do đó, tần số đóng ngắt của công tắc fsw sẽ bằng fosc.
VCC là chân cấp điện áp đầu vào cho IC hoạt động, yêu cầu dòng điện nhỏ khoảng 0.5mA, thường được kết nối với một điện trở để hạn dòng Điện áp tối đa mà VCC có thể chịu là 32V Đối với UC3843, điện áp VON phải lớn hơn 8.4V và 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 ngõ ra 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 0,2 Ω IC này được sử dụng như một giải pháp thay thế cho 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 trên điện áp đặt vào chân tham chiếu R Khi VREF lớn hơn khoảng 2,48VDC đến 2,57VDC, TL431 sẽ mở dòng IKA Ngược lại, TL431 sẽ không dẫn dòng IKA khi VREF nhỏ hơn 2,5V.
MOSFET
MOSFET, viết tắt của "Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor", là một loại transistor đặc biệt có 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 khuếch đại các tín hiệu yếu MOSFET có khả năng đóng cắt nhanh với dòng điện và điện áp lớn, thường được sử dụng trong các bộ dao động và mạch điều khiển điện áp cao, nhờ vào khả năng tạo ra sự biến thiên dòng điện.
Hình 2.14 MOSFET và kí hiệu [9]
Cấu tạo MOSFET bao gồm:
Cực cổng (G) là một thành phần quan trọng trong cấu trúc bán dẫn, được cách ly hoàn toàn nhờ 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, rất lớn Trong khi đó, 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 lớn Tuy nhiên, khi điện áp UGS tăng lên, hiệu ứng từ trường làm giảm điện trở RDS Do đó, điện trở RDS sẽ nhỏ hơn khi điện áp UGS càng cao.
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 Là một linh kiện sử dụng các hạt mang điện cơ bản, MOSFET có khả năng đóng cắt với tần số rất cao Tuy nhiên, để đảm bảo thời gian đóng cắt ngắn và hiệu quả, việc điều khiển MOSFET trở thành một yếu tố quan trọng.
Mạch điện tương đương của MOSFET cho thấy cơ chế đóng cắt phụ thuộc vào các tụ điện ký sinh Đối với kênh P, điện áp điều khiển mở MOSFET là UGS = 0, cho phép dòng điện đi từ S đến D Trong khi đó, đối với kênh N, điện áp điều khiển mở MOSFET 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 cách ly bằng ánh sáng.
Nguyên lý hoạt động của photocoupler rất đơn giản, bao gồm một diode phát quang LED chiếu sáng vào cửa sổ của 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 Ic qua transistor Hai mức độ chính sẽ được hình thành trong quá trình này.
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, đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng thực tế.
Nếu 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 vào-ra có đoạn tuyến tính hẹp, không đảm bảo độ trung thực trong việc truyền tín hiệu.
Hình 2.15 Nguyên lí hoạt động của Opto quang [10]
Photocoupler được sử dụng trong các thiết bị số để đảm bảo cách ly điện, giúp tránh sốc điện và nhiễu lẫn nhau Trong các thiết bị đo đạc thí nghiệm, photocoupler hỗ trợ số hóa dữ liệu và truyền tải thông tin đến máy tính nhúng 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 đóng mở dòng điện, và 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 trong mạch, điều chỉnh tín hiệu, chia điện áp và kích hoạt các linh kiện điện tử chủ động như transistor Điện trở công suất có khả năng tiêu tán năng lượng lớn thành nhiệt, thường được sử dụng trong bộ điều khiển động cơ và hệ thống phân phối điện Các điện trở thường có trở kháng cố định, ít thay đổi bởi nhiệt độ và điện áp hoạt động Biến trở cho phép thay đổi trở kháng, tương tự như núm vặn điều chỉnh âm lượng Ngoài ra, các cảm biến như cảm biến nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm và lực tác động cũng sử dụng điện trở biến thiên.
Hình 2.16 Kí hiệu của điện trở trong mạch điện [10]
Tụ điện, hay còn gọi là Capacitor trong tiếng Anh, 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 Tụ điện được cấu tạo bởi hai bề mặt dẫn điện được ngăn cách bởi một lớp điện môi, tạo ra điện tích trái dấu khi có chênh lệch điện thế Mặc dù hoạt động khác biệt, tụ điện và ắc quy đều có khả năng lưu trữ năng lượng điện Tụ điện có hai bản cực song song, có khả năng cách điện 1 chiều nhưng cho phép dòng điện xoay chiều đi qua nhờ nguyên lý phóng nạp Một số loại tụ điện phổ biến bao gồm tụ điện ceramic, tụ điện electrolytic và tụ điện film.
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 dáng dẹt và không phân biệt âm dương Giá trị điện dung của chúng thường nhỏ, được ký hiệu trên thân bằng ba số, với trị số khoảng 0,47 µF.
Tụ xoay là loại tụ điện có khả năng điều chỉnh giá trị điện dung bằng cách xoay, thường được sử dụng trong các thiết bị 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 linh kiện bán dẫn chủ động, thường được sử dụng như phần tử khuếch đại hoặc khóa điện tử Với khả năng đáp ứng nhanh và chính xác, transistor được áp dụng rộng rãi trong các 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: loại P (dương) và loại N (âm) Khi kết hợp một bán dẫn N giữa hai bán dẫn P, ta có Transistor loại PNP Ngược lại, khi ghép một bán dẫn P giữa hai bán dẫn N, ta thu được Transistor loại NPN.
Transistor được chia thành hai loại chính là NPN và PNP, với cấu trúc gồm ba lớp bán dẫn Lớp giữa, gọi là cực gốc (Base - B), rất mỏng và có nồng độ tạp chất thấp Hai lớp bên ngoài tạo thành cực phát (Emitter - E) và cực thu (Collector - C), cả hai đều có cùng loại bán dẫn nhưng khác nhau về kích thước và nồng độ tạp chất, do đó 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
Rơle không có bộ phận chuyển động, mà hoạt động dựa vào transistor với vật liệu bán dẫn Khi dòng điện chạy từ cực gốc đến cực phát, nó sẽ 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 loại 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 từ Anode sang Cathode, giống như một van điện một chiều Trong nhiều mạch điện, diode được sử dụng để đảm bảo dòng điện chỉ chảy theo một hướng 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 hoạt động hiệu quả ở dải tần thấp, có khả năng chịu 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 hàng Mega Hertz Chúng thường được ứng dụng rộng rãi 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 Zener là một linh kiện quan trọng trong các mạch nguồn điện áp thấp nhờ vào đặc tính ổn áp của nó Loại diode này cho phép dòng điện chạy từ cực K sang cực A khi điện áp cung cấp vượt quá điện áp ghim của nó Khi có dòng điện ngược, diode Zener giữ lại một điện áp ổn định theo thông số ghi trên datasheet, giúp đảm bảo tính ổn định cho mạch điện.
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 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 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 cho mạng 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, giúp ngăn chặn tình trạng ngắn mạch Trong khi đó, điện trở nhiệt NTC 5D-8 có chức năng bảo vệ mạch khỏi hiện tượng 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 cấp nguồn Vcc 16V và bao gồm hai biến trở 1K và 5K để mô phỏng tín hiệu hồi tiếp, giúp quan sát sự thay đổi trong đầu ra xung Tần số xung được xác định bởi R1 và CRCT, với R1 được chọn là 10K và CRCT.
= 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 điện 16V cho mạch và sử dụng máy đo dao động ký để ghi nhận xung đầu ra tại chân OUTPUT Các phép đo được thực hiện hai lần để quan sát sự thay đổi của xung đầu ra khi điều chỉnh 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 sự sai lệch so với giá trị mong muốn ban đầu, có thể do sai số trong giá trị điện trở, tụ điện và hiệu suất của mạch Hai giá trị RISENSE khác nhau dẫn đến độ rộng xung đầu ra khác nhau, cho thấy IC điều chỉnh điện áp đầu ra hoạt động như mong muốn nhờ khả năng điều chỉnh độ rộng xung thông qua điện áp hồi tiếp.
Mạch điện hạ áp 12V
3.4.1 Mạch bảo vệ MOSFET (Snubber)
Trong biến áp xung, sự kết hợp của nhiều cuộn dây với độ tự cảm khác nhau dẫn đến hiện tượng điện cảm rò rỉ Khi MOSFET hoạt động trong mạch nguồn xung với tần số cao, điện áp ngược xuất hiện ở hai đầu cuộn dây sơ cấp, phụ thuộc vào độ cảm rò của biến áp Điện áp này tạo ra các xung gai, có thể gây ra điện áp lớn tại cực Drain, đủ để 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 sử dụng một mạch bao gồm một điện trở, một tụ điện cao áp và một diode Mạch này có chức năng triệt tiêu điện áp rò ở hai đầu cuộn dây sơ cấp, giúp bảo vệ thiết bị và 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 được đưa qua điện trở công suất RSTART khoảng 100K, làm điện áp giảm xuống còn khoảng 10V để kích hoạt IC Khi IC hoạt động, nó tiêu thụ nhiều dòng, dẫn đến dòng điện qua RSTART không đủ để nuôi IC Tuy nhiên, lúc này biến áp đã hoạt động, cung cấp dòng điện từ cuộn nuôi qua diode xung và tụ, đảm bảo điện áp ổn định cho UC3843 Đầu ra dạng 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 là cầu phân áp cung cấp tín hiệu về dòng điện 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 điện áp tương ứng với dòng điện ISENSE đi 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 bên sơ cấp sẽ đi qua một mạch lọc gồm điện trở RCSF và tụ điện CCSF, giúp tín hiệu trở nên chính xác hơn Chân ISENSE của IC được thiết kế để giảm độ rộng xung khi điện áp đầu vào vượt quá 1V, nhằm đảm bảo dòng điện không vượt quá ngưỡng cho phép Để duy trì sự ổn định của mạch, tín hiệu nạp xả của tụ điện CCT với dạng sóng răng cưa sẽ được đưa vào chân ISENSE, kết hợp với tín hiệu dòng điện từ cuộn sơ cấp Tín hiệu dạng sóng răng cưa này sẽ được truyền qua một transistor NPN, với cực Collector kết 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 điện áp đầu ra ổn định và đạt yêu cầu mong muốn Điện áp này được điều khiển bằng cách thay đổi chu kỳ hoạt động của MOSFET thông qua chân VFB của UC3843 Nghiên cứu này sẽ áp dụng phương pháp hồi tiếp qua TL431, được 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, đưa tín hiệu vào chân tham chiếu R của TL431 với điện áp khoảng 2.5V, kích hoạt TL431 hoạt động Để đạt được điện áp ra khoảng 12V, cặp điện trở được chọn là RFBU = 9.53kΩ và RFBB = 2.49kΩ.
Khi điện áp vào chân R nhỏ hơn 2.5V, tức là Vout < 12V, TL431 chưa dẫn và không có tín hiệu hồi tiếp về chân VFB Trong trường hợp này, IC sẽ tiếp tục băm xung để điều chỉnh điện áp đầu ra đạt 12V.
Khi Vout vượt quá 12V và VR lớn hơn 2.5V, TL431 bắt đầu xuất hiện dòng IKA, dẫn đến việc dòng điện đi qua opto quang làm LED phát sáng và opto dẫn, đồng thời tạo ra điện áp hồi tiếp về chân VFB IC sẽ điều chỉnh chu kỳ làm việc, có thể giảm về 0 để hạ Vout gần 12V Từ ngõ ra, một dòng điện 10 mA sẽ đi qua điện trở RTLbias và diode zener 10V xuống mass, giúp cấp điện cho cực Cathode của TL431, tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của nó.
Mạch điện ổn áp bao gồm các linh kiện quan trọng như điện trở RCOMPZ và tụ điện CCOMPZ, được kết nối với cầu phân áp và cực Cathode của TL431, nhằm đảm bảo hoạt động ổn định Điện trở RCOMPp và tụ điện CCOMPp nối chân VFB với chân COMP của UC3843, trong khi điện trở RFBG kết nối Opto với chân VFB của UC2843 và điện trở ROPTO nối Opto với mass Những linh kiện này tạo ra các hàm truyền và hồi tiếp, giúp phân tích điểm không và điểm cực trong miền tần số để duy trì sự ổn định cho mạch điện, mặc dù lý thuyết phân tích 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 từ từ mở rộng xung PWM từ chu kỳ hoạt động bằng 0 Vì IC không có mạch điều khiển khởi động tích hợp, nên cần thiết phải sử dụng mạch bên ngoài Mạch này bao gồm một cặp điện trở và tụ R/C kết nối giữa hai chân VREF và COMP, giúp cố định thời gian cho đầu ra của bộ khuếch đại lỗi, từ đó đảm bảo độ rộng xung khởi động dần dần Ngoài ra, mỗi chân còn có vai trò riêng, do đó cần sử dụng một transistor để cách ly giữa các chân này, đồng thời transistor cũng hỗ trợ quá trình hoạt 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 ở hai chế độ chính: chế độ dòng điện không liên tục (DCM) và chế độ dòng điện liên tục (CCM), mỗi chế độ đều có ưu và nhược điểm riêng Chế độ DCM mang lại sự chuyển mạch tốt hơn cho diode chỉnh lưu DOUT, với dòng điện qua diode Io trở về không trước khi phân cực ngược, đồng thời giúp giảm kích thước máy biến áp do năng lượng tích trữ thấp Tuy nhiên, DCM cũng tạo ra dòng điện đỉnh Ipk cao, dẫn đến thất thoát dòng điện qua MOSFET và áp lực lớn hơn cho tụ điện COUT Chế độ DCM thường được áp dụng cho các ứng dụng có điện áp đầu ra cao và dòng thấp, trong khi chế độ CCM phù hợp cho ứng dụng với điện áp đầu ra thấp và dòng cao Đối với mạch điện hạ áp yêu cầu điện áp 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 các 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 vừa cho biến áp ER42 với 50 vòng, nên nghiên cứu đã chọn lại dây với đường kính 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
Để đạt được điện áp đầu ra 300V, cần điều chỉnh các giá trị trong mạch hồi tiếp như được thể hiện trong hình 3.12 do mạch đầu ra có điện áp thay đổi cao hơn.
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 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 đồng nghĩa với việc tỉ lệ NPS sẽ là 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
Giá trị điện áp đầu ra VOUT vẫn ổn định ở khoảng 78V sau lần đo thứ nhất, không đạt 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 tôi đã kiểm tra giá trị điện áp đầu vào tại chân ISENSE của UC3843 và ghi nhận được giá trị cụ thể.
Trong lần đo thử thứ hai, giá trị điện áp tại chân ISENSE thường vượt quá 1V, với dòng đỉnh xung có lúc đạt khoảng 12V Khi xảy ra tình trạng này, IC sẽ tự động giảm độ rộng xung để hạ cường độ dòng điện, dẫn đến việc điện áp đầu ra không đạt yêu cầu mong muốn.
Để khắc phục vấn đề, người nghiên cứu đã thay đổi giá trị điện trở RCS từ 0,75 Ω lên 3,3 Ω Đồng thời, biến áp được quấn lại với tỷ lệ NPS là 0,3 như trước.
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
Dòng đỉnh xung đã giảm xuống còn khoảng 7 – 8V, thấp hơn so với lần đo thứ hai Tuy nhiên, sự thay đổi này không ảnh hưởng nhiều đến giá trị điện áp đầu ra, do đó có thể kết luận rằng đây không phải là nguyên nhân.
Thử nghiệm thay đổi giá trị điện trở Ropto, do điện trở này ảnh hưởng trực tiếp đến độ lợi của mạch hồi tiếp áp cho UC3843 Khi tăng Ropto từ 1kΩ lên 25kΩ, sẽ có sự thay đổi đáng kể trong hiệu suất 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
Khi giá trị Ropto tăng lên, giá trị VOUT không thay đổi, dẫn đến đầu ra chỉ cải thiện đến mức 100V, vẫn chưa đạt yêu cầu.
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, điều này 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 ở chân VFB vẫn có điện áp hồi về, dẫn đến điện áp đầu ra không đạt yêu cầu mong muốn.
Tìm hiểu nguyên nhân của sự sai lệch điện áp đầu ra
Như đã đề cập ở mục 3.6.4, cần tìm hiểu nguyên nhân tại sao khi TL431 chưa dẫn nhưng vẫn có tín hiệu điện áp hồi tiếp tại chân VFB của UC3843 Để làm rõ vấn đề này, chúng ta sẽ phân tích lại mạch hồi tiếp trong mạch hạ áp 12V (hình 3.12).
Khi TL431 chưa dẫn (VR < 2,5V), điện áp ở chân 1 của opto là 12V, trong khi chân 2 được cố định ở 10V nhờ diode zener, tạo ra chênh lệch điện áp 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 hoạt động không ổn định Trong mạch đầu ra 300V, mặc dù vẫn sử dụng diode zener 10V, nhưng điện áp giữa hai chân 1 và 2 của opto là VFM = 300 - 10 = 290V, lớn hơn 4V, dẫn đến tình trạng hoạt động không ổn định và hồi tiếp sai.
Việc xác định nguyên nhân đã mở ra hướng đi cho người nghiên cứu trong việc tìm giải pháp khắc phục Tuy nhiên, do thời gian hạn chế, người nghiên cứu không thể xử lý nguyên nhân này kịp thời Kết quả là, mạch vẫn chưa đạt được đầu ra 300V cần thiết để sạc pin cho xe máy điện.