Chế Tạo, Lắp Ráp & Thử Nghiệm Khối Nguồn PSU Cho Vệ Tinh Nhỏ 1U

Nghiên cứu chế tạo, lắp ráp và thử nghiệm PSU cho vệ tinh nhỏ 1U. Đề tài khoa học khám phá công nghệ nguồn điện trên không gian. Tìm hiểu ngay!

• Tác giả: Nguyễn Văn Mạnh
• Người hướng dẫn: ThS. Huỳnh Xuân Quang
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Thiết Kế, Tích Hợp Vệ Tinh Nhỏ Và Đồ Án (EMA3103 2)
• Đề tài: Chế Tạo, Lắp Ráp Và Thử Nghiệm Khối Nguồn PSU Trên Một Vệ Tinh Nhỏ 1U
• Loại tài liệu: Đồ án
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. Phần I: Tìm hiểu chung
• 1.1. CHƯƠNG 1: Tìm hiểu về mạch tăng áp, hạ áp, ổn áp
• 1.2. CHƯƠNG 2: Khối nguồn cấp trên vệ tinh nhỏ
• 2.1.1. Tổng quan về Cubesat
• 2.1.2. Tổng quan về EPS
• 2.1.3. Thông số hệ thống
• 2.1.4. Đặc tả chức năng
• 2.1.5. Thông số kỹ thuật hiệu suất
• 2.1.6. Thống số kỹ thuật
• 2.1.7. Cấu trúc nguồn cung cấp năng lượng điện
• 2.1.8. Mô hình mô-đun quang điện
• 2.1.9. Bộ chuyển đổi DC/DC
• 2.1.10. Theo dõi điểm công suất cực đại
• 2.1.11. Bộ điều chỉnh điện áp pin và tải
• 2.1.12. Mô phỏng nguồn điện CubeSat
• 2. Phần II: Chế tạo, lắp ráp và thử nghiệm khối nguồn PSU
• 2.1. Module hạ áp 3A LM2596
• 2.2. Thông số kỹ thuật
• 2.3. Tính toán Giá trị điện áp đầu ra cho LM2596
• 2.4. Cảm biến INA219
• 2.5. Thông số kỹ thuật
• 2.6. Địa chỉ Thanh ghi và Tính toán Giá trị
• 2.7. Đặc điểm cơ bản
• 2.8. Mạch cân bằng và bảo vệ pin
• 2.9. Thông số kỹ thuật
• 2.10. Mạch sạc pin Lithium IP2326 Type-C 3A
• 2.11. Thông số kỹ thuật
• 2.12. IC IP2326 kích hoạt chế độ sạc CC/CV
• 2.13. Mạch điều khiển ESP32
• 2.14. Thông số kỹ thuật
• 2.15. Thiết kế hệ thống
• 2.16. Khối pin 12,6V 2600mah
• 2.17. Thông số kỹ thuật
• 2.18. Khối pin thực tế
• 2.19. Mạch phân phối và theo dõi điện áp
• 2.20. Thông số kỹ thuật
• 2.21. Thiết kế PCB
• 2.22. Mạch thực hiện trên PCB
• 2.23. Tích hợp và kiểm tra thử nghiệm
• 2.24. Nguyên lý hoạt động
• 2.25. Kiểm tra và thử nghiệm
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Tổng quan PSU Vệ Tinh 1U Khám phá trái tim năng lượng

Một bộ nguồn vệ tinh (Power Supply Unit - PSU), hay còn gọi là Hệ thống điện (Electrical Power System - EPS), là thành phần sống còn quyết định sự thành bại của một nhiệm vụ không gian. Đối với các vệ tinh siêu nhỏ theo tiêu chuẩn CubeSat 1U (kích thước 10x10x10 cm), việc thiết kế và chế tạo một khối nguồn CubeSat hiệu quả là một thách thức kỹ thuật to lớn. Hệ thống này không chỉ cung cấp năng lượng ổn định cho mọi tải phụ, từ máy tính trung tâm (On-Board Computer - OBC) đến hệ thống liên lạc và các thiết bị khoa học, mà còn phải quản lý việc thu thập năng lượng từ pin mặt trời và lưu trữ trong pin sạc. Tầm quan trọng của PSU nằm ở khả năng duy trì hoạt động liên tục của vệ tinh, ngay cả khi đi vào vùng bóng tối của Trái Đất. Theo tài liệu nghiên cứu, một EPS điển hình bao gồm bốn mô-đun chính: Mô-đun Năng lượng Mặt trời (PVSM), Mô-đun Lưu trữ Năng lượng (PSM) là pin, Mô-đun Điều chỉnh Năng lượng (PRM), và Mô-đun Phân phối Năng lượng (PDM). Mọi sai sót trong quá trình chế tạo, lắp ráp và thử nghiệm PSU đều có thể dẫn đến thất bại toàn bộ nhiệm vụ. Vì vậy, việc tuân thủ các quy trình và tiêu chuẩn nghiêm ngặt của ngành hàng không vũ trụ là yêu cầu bắt buộc, đảm bảo hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao và độ tin cậy tuyệt đối trong môi trường khắc nghiệt ngoài không gian.

1.1. Định nghĩa Hệ thống điện EPS cho CubeSat 1U

Hệ thống điện (EPS) là cơ sở hạ tầng năng lượng toàn diện của vệ tinh CubeSat. Nó không đơn thuần là một cục pin mà là một hệ thống phức tạp, có nhiệm vụ tạo ra, lưu trữ, điều chỉnh và phân phối điện năng một cách thông minh và an toàn. Theo tài liệu tham khảo, chức năng cốt lõi của EPS là cung cấp đủ năng lượng cho các khối Lệnh & Xử lý dữ liệu (CDH), Truyền thông (Communications) và Tải trọng khoa học (Payload). Một thiết kế hệ thống điện cho vệ tinh nano hoàn chỉnh bao gồm các tấm pin mặt trời để chuyển đổi quang năng thành điện năng, một hệ thống pin và sạc vệ tinh (thường là pin Li-ion hoặc LiFePO4) để lưu trữ năng lượng, các mạch điều khiển sạc, và các bộ chuyển đổi DC-DC để tạo ra các mức điện áp ổn định (ví dụ 3.3V, 5V, 12V) phù hợp với từng thiết bị. Toàn bộ hệ thống phải được thiết kế để vừa vặn trong kích thước tiêu chuẩn 1U, một ràng buộc vật lý vô cùng khắt khe.

1.2. Vai trò quyết định của khối nguồn PSU trong nhiệm vụ

PSU được ví như trái tim của vệ tinh. Nếu PSU ngừng hoạt động, tất cả các hệ thống con khác, dù được thiết kế hoàn hảo đến đâu, cũng sẽ trở nên vô dụng. Vai trò của nó không chỉ dừng lại ở việc cung cấp điện. Một PSU hiện đại còn phải thực hiện các chức năng giám sát và bảo vệ. Ví dụ, trong đề tài nghiên cứu, cảm biến INA219 được tích hợp để theo dõi liên tục điện áp pin, dòng điện và công suất tiêu thụ của tải. Dữ liệu này (telemetry) cực kỳ quan trọng để các kỹ sư dưới mặt đất có thể đánh giá 'sức khỏe' của vệ tinh. Thêm vào đó, PSU phải tích hợp các mạch bảo vệ pin khỏi các tình trạng nguy hiểm như sạc quá áp, xả quá sâu hay ngắn mạch. Việc đảm bảo một nguồn điện ổn định, được bảo vệ và có thể giám sát là yếu-tố-sống-còn, quyết định trực tiếp đến tuổi thọ và khả năng hoàn thành nhiệm vụ của vệ tinh.

II. Thách thức chế tạo PSU vệ tinh Cuộc chiến với môi trường

Chế tạo một PSU cho vệ tinh không giống như làm một bộ nguồn thông thường. Nó đòi hỏi phải vượt qua những thách thức khắc nghiệt nhất mà môi trường không gian đặt ra. Đầu tiên là bức xạ vũ trụ, bao gồm các hạt năng lượng cao có thể gây hư hại vĩnh viễn cho các linh kiện bán dẫn, gây ra hiện tượng lật bit (single-event upset) làm sai lệch dữ liệu. Do đó, kỹ thuật làm cứng bức xạ (radiation hardening) là bắt buộc, hoặc ít nhất phải sử dụng các linh kiện điện tử chuẩn không gian (space-grade components) đã được kiểm chứng. Thứ hai là môi trường chân không và sự chênh lệch nhiệt độ cực lớn. Không có không khí để đối lưu, việc quản lý nhiệt cho PSU (thermal management for power supply) trở nên vô cùng khó khăn. Linh kiện phải được thiết kế để hoạt động trong dải nhiệt từ -40°C đến +85°C hoặc hơn. Cuối cùng, PSU phải chịu được những rung động và sốc cực mạnh trong quá trình phóng tên lửa. Một mối hàn lỏng lẻo hay một linh kiện không được gia cố chắc chắn có thể dẫn đến hỏng hóc ngay lập tức. Những thách thức này đòi hỏi một quy trình thiết kế, chế tạo và thử nghiệm cực kỳ nghiêm ngặt, tuân thủ các tiêu chuẩn như tiêu chuẩn ECSS của châu Âu.

2.1. Vấn đề bức xạ và lựa chọn linh kiện Space Grade

Bức xạ trong không gian là kẻ thù thầm lặng của thiết bị điện tử. Nó có thể gây ra hiệu ứng tích lũy (Total Ionizing Dose - TID) làm suy giảm hiệu suất linh kiện theo thời gian, hoặc các hiệu ứng sự kiện đơn (Single Event Effects - SEE) gây ra lỗi tức thời. Để đối phó, các nhà thiết kế phải lựa chọn space-grade components, loại linh kiện đã được thiết kế và thử nghiệm đặc biệt để chống chịu bức xạ. Tuy nhiên, chúng rất đắt và không phải lúc nào cũng có sẵn. Một giải pháp thay thế là sử dụng các linh kiện thương mại có sẵn (COTS - Commercial Off-The-Shelf) nhưng được sàng lọc kỹ lưỡng và áp dụng các kỹ thuật radiation hardening ở cấp độ mạch, chẳng hạn như sử dụng mạch watchdog, mã sửa lỗi (ECC), và che chắn vật lý. Việc cân bằng giữa chi phí, hiệu suất và độ tin cậy trong việc lựa chọn linh kiện là một trong những quyết định khó khăn nhất trong quá trình thiết kế.

2.2. Quản lý nhiệt trong chân không và rung động khi phóng

Trong môi trường chân không, nhiệt sinh ra từ các linh kiện công suất như bộ chuyển đổi DC-DC không thể tản ra ngoài qua đối lưu. Phương pháp tản nhiệt chính là dẫn nhiệt qua bo mạch PCB cho không gian và bức xạ nhiệt ra ngoài. Điều này đòi hỏi thiết kế layout PCB phải tối ưu hóa đường dẫn nhiệt, sử dụng các vật liệu có độ dẫn nhiệt cao và tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo nhiệt độ linh kiện không vượt ngưỡng cho phép. Về mặt cơ khí, toàn bộ khối PSU phải vượt qua thử nghiệm rung động (vibration test) và sốc mô phỏng quá trình phóng. Các linh kiện nặng như cuộn cảm, tụ điện phải được gia cố bằng keo chuyên dụng. Các mối hàn phải tuân thủ tiêu chuẩn lắp ráp IPC cấp cao nhất để đảm bảo không bị nứt gãy dưới tác động của gia tốc lớn. Đây là sự kết hợp chặt chẽ giữa kỹ thuật điện tử và cơ khí chính xác.

III. Phương pháp thiết kế và chế tạo PSU vệ tinh 1U chi tiết

Quy trình thiết kế và chế tạo một PSU cho vệ tinh 1U là một quá trình đa giai đoạn, đòi hỏi sự chính xác và tỉ mỉ. Giai đoạn đầu tiên là thiết kế sơ đồ nguyên lý, tập trung vào thiết kế mạch nguồn DC-DC hiệu quả. Trong đề tài nghiên cứu, module hạ áp LM2596 được sử dụng để tạo ra các điện áp ổn định 3.3V và 5V từ khối pin 12.6V. Việc tính toán và lựa chọn các thành phần như cuộn cảm, tụ điện phải dựa trên công suất tải dự kiến và yêu cầu về độ gợn sóng (ripple). Tiếp theo là giai đoạn thiết kế layout cho bo mạch PCB cho không gian. Layout không chỉ phải tối ưu về điện mà còn về nhiệt và cơ khí, đảm bảo các đường dẫn dòng lớn đủ rộng và các linh kiện được bố trí hợp lý. Giai đoạn chế tạo và lắp ráp đòi hỏi môi trường phòng sạch và tuân thủ tiêu chuẩn lắp ráp IPC. Các linh kiện như cảm biến INA219 để giám sát dòng, mạch sạc IP2326 và vi điều khiển ESP32 để điều khiển và truyền dữ liệu được tích hợp cẩn thận lên bo mạch. Cuối cùng, toàn bộ khối nguồn được lắp ráp thành một module hoàn chỉnh, sẵn sàng cho giai đoạn thử nghiệm khắc nghiệt.

3.1. Thiết kế mạch chuyển đổi DC DC và mạch giám sát

Trọng tâm của PSU là các bộ chuyển đổi DC-DC. Nghiên cứu sử dụng IC LM2596, một bộ hạ áp (buck converter) phổ biến, để tạo ra các đường nguồn 5V và 3.3V. Công thức tính toán điện áp đầu ra Vout = 1.23 * (1 + (R2 / R1)) được áp dụng để chọn chính xác giá trị điện trở trong mạch hồi tiếp. Bên cạnh việc tạo ra nguồn, việc giám sát là tối quan trọng. Cảm biến INA219 được tích hợp trên bus chính, giao tiếp qua I2C với vi điều khiển. Nó cho phép đo lường chính xác điện áp bus, dòng tiêu thụ và công suất tức thời. Dữ liệu này không chỉ hữu ích cho việc vận hành mà còn là nguồn thông tin quý giá để phân tích hiệu suất và phát hiện sớm các sự cố tiềm ẩn trên vệ tinh.

3.2. Lựa chọn hệ thống pin và mạch bảo vệ chuyên dụng

Hệ thống pin và sạc vệ tinh là nơi lưu trữ năng lượng. Đề tài đã lựa chọn khối pin 18650 Li-ion, mắc nối tiếp 3 cell (3S) để tạo ra điện áp danh định 11.1V (sạc đầy 12.6V) với dung lượng 2600mAh. Lựa chọn này cân bằng giữa mật độ năng lượng, trọng lượng và chi phí. Tuy nhiên, pin Li-ion rất nhạy cảm với các điều kiện vận hành. Do đó, một mạch cân bằng và bảo vệ pin chuyên dụng là thành phần không thể thiếu. Mạch này có các chức năng quan trọng: bảo vệ quá nạp (ngắt sạc khi pin đầy), bảo vệ xả quá mức (ngắt tải khi pin cạn), bảo vệ quá dòng, bảo vệ ngắn mạch và cân bằng điện áp giữa các cell. Việc tích hợp mạch này đảm bảo an toàn và kéo dài tuổi thọ cho khối pin, một trong những tài sản đắt giá nhất trên vệ tinh.

IV. Quy trình thử nghiệm và kiểm định PSU chuẩn không gian

Một PSU chỉ được coi là sẵn sàng cho nhiệm vụ sau khi vượt qua một loạt các bài kiểm định chất lượng hàng không vũ trụ nghiêm ngặt. Quá trình này không chỉ là cắm điện và đo đạc đơn thuần. Nó bao gồm nhiều giai đoạn, bắt đầu bằng thử nghiệm chức năng (Functional Test) ở điều kiện phòng để xác minh mọi thông số điện áp, dòng điện, hiệu suất đều nằm trong giới hạn thiết kế. Sau đó là các bài thử nghiệm môi trường. Thử nghiệm nhiệt chân không (thermal vacuum test) là quan trọng nhất, trong đó PSU được đặt trong buồng chân không và vận hành qua nhiều chu kỳ nhiệt độ khắc nghiệt, mô phỏng việc vệ tinh đi từ vùng được chiếu sáng sang vùng bóng tối. Thử nghiệm rung động (vibration test) và sốc mô phỏng các điều kiện khắc nghiệt khi phóng. Cuối cùng, EMC/EMI testing (tương thích điện từ) đảm bảo rằng PSU không phát ra nhiễu điện từ gây ảnh hưởng đến các hệ thống khác và cũng không bị ảnh hưởng bởi nhiễu từ các thiết bị đó. Trong đề tài nghiên cứu, nhóm đã thực hiện thành công các bài kiểm tra chức năng, theo dõi dữ liệu qua server ESP32 và lắp đặt lên khung vệ tinh 1U, chứng minh tính khả thi của thiết kế.

4.1. Thử nghiệm chức năng và đo đạc hiệu suất chuyển đổi

Bước đầu tiên trong quy trình kiểm định là thử nghiệm chức năng. Nhóm nghiên cứu đã tiến hành cấp nguồn đầu vào cho khối PSU và sử dụng đồng hồ vạn năng để kiểm tra điện áp ở các ngõ ra, đảm bảo chúng ổn định ở mức 3.3V và 5V. Tải mô phỏng, như một bóng LED 5V, được kết nối để kiểm tra khả năng cấp dòng của bộ nguồn. Đồng thời, hệ thống giám sát dựa trên ESP32 và cảm biến INA219 được kích hoạt. Dữ liệu về điện áp, dòng điện và công suất được truyền về một server cục bộ và hiển thị theo thời gian thực. Việc này cho phép xác minh không chỉ các giá trị điện mà còn cả tính đúng đắn của hệ thống đo lường từ xa. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng cũng được tính toán ở các mức tải khác nhau để đánh giá tổn hao năng lượng.

4.2. Tầm quan trọng của thử nghiệm nhiệt chân không và rung

Mặc dù tài liệu gốc tập trung vào thử nghiệm chức năng, nhưng trong một dự án thực tế, thử nghiệm nhiệt chân không (thermal vacuum test) và rung động là bắt buộc. Thử nghiệm nhiệt chân không sẽ phơi bày các điểm yếu trong thiết kế quản lý nhiệt, chẳng hạn như các linh kiện bị quá nhiệt do không tản nhiệt đủ trong môi trường chân không. Nó cũng kiểm tra độ bền của các mối hàn và linh kiện dưới sự co giãn nhiệt lặp đi lặp lại. Tương tự, thử nghiệm rung động sẽ phát hiện các lỗi về cơ khí, như các linh kiện nặng không được gia cố đủ chắc, có thể bị gãy chân hoặc bung ra khỏi bo mạch trong quá trình phóng. Việc vượt qua các bài kiểm tra này là giấy thông hành cuối cùng để một PSU được chứng nhận đủ tiêu chuẩn bay (flight-qualified).

V. Kết quả thực tiễn và định hướng phát triển PSU vệ tinh

Đề tài nghiên cứu đã đạt được thành công đáng kể trong việc chế tạo, lắp ráp và thử nghiệm một nguyên mẫu khối nguồn PSU cho vệ tinh 1U. Sản phẩm hoàn thiện có khả năng cung cấp các đường nguồn ổn định 3.3V, 5V và 12.6V, đồng thời tích hợp thành công hệ thống giám sát năng lượng thời gian thực thông qua cảm biến INA219 và vi điều khiển ESP32. Kết quả đo đạc thực tế cho thấy hệ thống hoạt động đúng như thiết kế, dữ liệu được truyền và hiển thị chính xác trên server cục bộ. Toàn bộ khối nguồn được thiết kế nhỏ gọn, đáp ứng các hạn chế về kích thước của khung CubeSat 1U. Mặc dù đây là một nguyên mẫu phục vụ mục đích giáo dục và nghiên cứu ban đầu, nó đã đặt nền móng vững chắc cho các phát triển trong tương lai. Hướng đi tiếp theo bao gồm việc tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng, tích hợp các thuật toán theo dõi điểm công suất cực đại (MPPT) cho pin mặt trời, và tiến hành các bài kiểm định chất lượng hàng không vũ trụ đầy đủ theo tiêu chuẩn ECSS để đưa sản phẩm từ phòng thí nghiệm đến quỹ đạo.

5.1. Đánh giá kết quả từ mô hình thử nghiệm thực tế

Kết quả thực nghiệm được trình bày trong tài liệu là một minh chứng rõ ràng cho sự thành công của thiết kế. Hình ảnh chụp dữ liệu từ server cho thấy các thông số điện áp, dòng điện và công suất được cập nhật liên tục, kể cả khi không có tải và khi có tải. Các phép đo điện áp ngõ ra bằng đồng hồ vạn năng cũng xác nhận sự ổn định của các bộ chuyển đổi LM2596. Việc lắp đặt thành công khối PSU vào khung vệ tinh 1U chứng tỏ thiết kế đã tuân thủ nghiêm ngặt các ràng buộc về kích thước và cơ khí. Những kết quả này khẳng định rằng giải pháp được đề xuất là khả thi và hoạt động hiệu quả, là một bước tiến quan trọng trong việc làm chủ công nghệ chế tạo bộ nguồn vệ tinh tại Việt Nam.

5.2. Xu hướng tương lai cho hệ thống điện vệ tinh nano

Ngành công nghiệp vệ tinh nano đang phát triển không ngừng, kéo theo những yêu cầu ngày càng cao đối với hệ thống điện cho vệ tinh nano. Các xu hướng chính trong tương lai bao gồm: tăng cường mật độ năng lượng và hiệu suất chuyển đổi năng lượng để cung cấp nhiều năng lượng hơn cho các tải trọng khoa học phức tạp; tích hợp sâu hơn các chức năng thông minh như sạc pin tối ưu và chẩn đoán lỗi tự động; và sử dụng các vật liệu mới, nhẹ hơn và bền hơn. Việc áp dụng các linh kiện điện tử chuẩn không gian thế hệ mới, có khả năng chống bức xạ tốt hơn và tiêu thụ ít năng lượng hơn, cũng là một hướng đi quan trọng. Mục tiêu cuối cùng là tạo ra các PSU nhỏ hơn, nhẹ hơn, thông minh hơn và đáng tin cậy hơn, góp phần thúc đẩy sự phát triển của các chòm sao vệ tinh và các nhiệm vụ thám hiểm không gian sâu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tìm hiểu về mạch tăng áp, hạ áp, ổn áp I. Hình 1: Sơ đồ mạch Boost 1. Khái niệm Mạch tăng áp có tác dụng biến điện áp đầu vào thành điện áp lớn hơn ở đầu ra. Tất cả những gì cần có của một mạch tăng áp bao gồm:  Một cuộn cảm  Một công tắc bán dẫn (ngày nay đó là MOSFET, cần một cái công tắc bán dẫn đóng mở với tốc độ nhanh)  Một diode  Một tụ điện 2.

Nguyên lý hoạt động Khi công tắc đóng: Khi công tắc (MOSFET) được bật, dòng điện đi qua cuộn cảm, tạo ra một từ trường lưu trữ năng lượng trong cuộn cảm. Lúc này, điốt sẽ bị phân cực ngược nên không dẫn dòng, dòng điện không đi qua tải.[12] Khi công tắc mở: Khi công tắc tắt, từ trường trong cuộn cảm thay đổi đột ngột, và năng lượng tích trữ được giải phóng. Lúc này, cuộn cảm sẽ tạo ra một sức điện động để duy trì dòng điện, dẫn đến điện áp ở đầu ra tăng lên cao hơn điện áp đầu vào. Điốt sẽ dẫn dòng điện về phía tụ điện và tải để duy trì điện áp đầu ra.

Khái niệm Mạch Buck, mạch Buck hạ áp hay Buck Converter là tên gọi chung để chỉ một loại mạch chuyển đổi DC-DC phổ biến hiện nay. Trong mạch Buck cơ bản sẽ có 4 linh kiện điện tử cơ bản là diode, khóa chuyển mạch điện tử, cuộn dây và tụ điện. Nguyên lý hoạt động Hình 2: Sơ đồ mạch Buck Nguyên lý hoạt động của mạch Buck như sau:  Đưa dòng điện đi qua các linh kiện điện tử bán dẫn và cuộn cảm, cuộn dây điện để thực hiện việc nạp cho tụ điện, khi nạp xong, nó sẽ duy trì dòng qua tải.  Dòng qua cuộn dây và dòng điện nạp vào tụ điện sẽ tăng từ từ, đồng thời kéo theo điện áp ở đầu ra trên tải cũng từ từ tăng lên.

Lúc này, sẽ thấy diode sẽ không dẫn điện bởi nó bị phân cực ngược.  Khi tắt dòng qua tải, diode sẽ tự động lập trình dòng qua tải chính, đảm bảo bảo vệ được linh kiện bán dẫn khỏi bị hỏng do điện áp ngược khi cắt dòng, hạn chế được tình trạng linh kiện bán dẫn bị chết ngay khi điện áp ngược do cuộn cảm sinh ra và nguồn điện tăng lên. Khái niệm Mạch ổn áp là mạch có chức năng tạo ra hay duy trì một điện áp ổn định dù cho đầu vào thay đổi ở một khoảng dài rộng nào đó. Ta có thể hiểu đơn giản mạch ổn áp luôn luôn có điện áp đầu ra ổn định dù cho điện áp đầu vào có thay đổi như thế nào.

Nguyên lý hoạt động 8 Ổn áp tuyến tính (Linear Regulator)  Nguyên lý: Mạch này sử dụng một transistor hoặc MOSFET để điều chỉnh điện áp đầu ra sao cho nó duy trì ở một mức ổn định. Khi điện áp đầu vào dao động hoặc tải thay đổi, mạch sẽ điều chỉnh mức phân cực của transistor để giữ điện áp đầu ra không đổi.  Hoạt động: Nếu điện áp đầu ra giảm, mạch sẽ làm tăng dòng qua transistor, nâng điện áp lên lại. Ngược lại, nếu điện áp tăng cao hơn giá trị mong muốn, mạch sẽ giảm dòng qua transistor.

Ổn áp xung (Switching Regulator)  Nguyên lý: Sử dụng nguyên tắc chuyển đổi xung điện áp để điều chỉnh mức điện áp đầu ra. Thay vì điều chỉnh dòng qua transistor như ổn áp tuyến tính, ổn áp xung sử dụng một công tắc điện tử (như transistor hoặc MOSFET) bật và tắt liên tục với tần số cao.  Hoạt động: Bằng cách điều chỉnh tỷ lệ thời gian bật/tắt của công tắc điện tử, mạch thay đổi lượng năng lượng cung cấp cho tải, giúp duy trì điện áp đầu ra ổn định. 9 Chương 2: Khối nguồn cấp trên vệ tinh nhỏ I.

Tổng quan về Cubesat CubeSat là một vệ tinh thu nhỏ được thiết kế cho khoa học vũ trụ. Do chi phí thấp và kích thước nhỏ, nó được ứng dụng trong lĩnh vực thám hiểm không gian và trở thành một công cụ đáng tin cậy cho giáo dục không gian. CubeSat được cung cấp năng lượng bởi các tấm pin mặt trời được lắp ở mỗi bên của khối lập phương. Điều cần thiết là phải tối đa hóa năng lượng điện có sẵn thu được từ diện tích tấm pin mặt trời.

Kích thước của CubeSat 1U là 10*10*10 với trọng lượng lên tới 1,33 kg [1] Hình 3: Cubesat theo tiêu chuẩn 1U 2. Tổng quan về EPS Hệ thống điện (EPS) của CubeSat bao gồm bốn mô-đun chính: Mô-đun Năng lượng Mặt trời (PVSM) là nguồn chính, Mô-đun Lưu trữ Năng lượng (PSM) là nguồn phụ, Mô- đun Điều chỉnh Năng lượng (PRM) và Mô-đun Phân phối Năng lượng (PDM). Hình 2 cho thấy sơ đồ khối cho EPS CubeSat được đề xuất. EPS phải cung cấp điện cho các thiết bị ngoại vi của CubeSat để nó có thể duy trì chức năng của mình.

Thiết kế nguồn điện sẽ chứa một máy tính trên bo mạch, Cảm biến ADS, bộ truyền động ACS, một số thiết bị khoa học cũng như hệ thống thông tin liên lạc. Xem xét hình dạng của CubeSat, chỉ có thể tiếp xúc tối đa ba tấm pin mặt trời với bức xạ mặt trời tại bất kỳ thời điểm nào. Do đó, ưu tiên phát triển một mảng tấm pin mặt trời liên tục điều chỉnh cấu hình của nó để có được sự sắp xếp tối ưu nhất. [3] 10 Hình 4: Một thiết kế EPS CubeSat Bảng 1 tóm tắt các mức tải phải cung cấp cho CubeSat, bao gồm các thiết bị truyền thông và đo lường.

Tổng khối lượng của các tải trọng này lên tới 3. Bảng 1 Các mức tải của Cubesat Tải Điện áp (V) Cường độ dòng điện (A) Công suất Điện trở (W) (ohm) A 3.50 Hình 5: Ảnh chụp mặt bên của tấm pin mặt trời và các thành phần của mô-đun CubePMT II. Thông số hệ thống 11 1. Đặc tả chức năng a.

Cung cấp đủ năng lượng cho Lệnh & Xử lý dữ liệu, Truyền thông và Payload Bộ phận Xử lý Lệnh & Dữ liệu (CDH) và Truyền thông được thiết kế giống như một payload có thêm các bánh xe phản ứng. Cả hai đều được cung cấp năng lượng cần thiết và dữ liệu được thu thập để chứng minh hoạt động bình thường. Sạc pin an toàn Phương pháp sạc dòng điện không đổi là phương pháp sạc an toàn theo tiêu chuẩn và sử dụng cầu chì để chống đoản mạch. Thu thập dữ liệu từ xa (sức khỏe của hệ thống, theo dõi trạng thái, v.) Sử dụng Raspberry Pi, phép đo từ xa được tập hợp trong cửa sổ lệnh PuTTY.

Đo từ xa cung cấp các giá trị về điện áp, dòng điện và điện áp của tấm pin mặt trời và hiện hành. Vừa với kích thước CubeSat Tất cả các bảng đều nằm gọn trong khung CubeSat và cung cấp không gian cho payload hoạt động. Thông số kỹ thuật hiệu suất a. Kích thước tiêu chuẩn 1U CubeSat (khối lập phương, cạnh 10cm) b.

Tạo ra năng lượng bằng bốn tấm pin mặt trời 1W (5,5V 170mA) Để hỗ trợ việc sạc dòng điện liên tục, các tấm pin mặt trời mạnh hơn đã được sử dụng thay cho những tấm được liệt kê ban đầu ở trên. Các tấm pin mặt trời được sử dụng trong thiết kế là tấm 1,68W (4V, 420mA). Sạc nối tiếp hai pin LiFePO4 3,2V (tổng cộng 6,4V) Pin LiFePO4 đã được kết nối nối tiếp thành công và được sạc bằng mạch sạc pin với đầu vào từ các tấm pin mặt trời. Pin được sạc ở dòng điện không đổi 130mA.Machine Translated by Google 9 d.

Cung cấp nguồn điện 5V và 12V cho tải trọng. Nguồn điện 5V và 12V cho tải trọng được cung cấp tương ứng bởi bộ chuyển đổi Buck 5V và bộ chuyển đổi tăng áp 12V. Cấp nguồn cho bốn động cơ DC làm tải trọng để mô phỏng bánh xe phản ứng Hai động cơ DC được cấp nguồn làm tải trọng cho bánh xe phản ứng. Trong khung thời gian giới hạn mà nhóm có, hệ thống chỉ được thử nghiệm với hai động cơ vì cần phải tích hợp một bộ điều khiển động cơ khác.

Hai động cơ đã mô phỏng thành công các nguyên lý của bánh xe phản ứng bằng cách thay đổi hướng, với các đợt nổ nhanh kéo dài một giây. Toàn hệ thống đạt hiệu suất lớn hơn 88% 12 Toàn hệ thống đạt hiệu suất 77,9%. Phần phát điện của hệ thống (chuyển đổi mạch sạc pin mặt trời) có hiệu suất ước tính là 93,5%. Mạch sạc có hiệu suất 57,9%.

Tải trọng có hiệu suất là 82,3%. Thống số kỹ thuật  Cung cấp điện áp đầu ra 3,3 V và 5 V ổn định  Iout trong khoản 20 đến 100 mA  Bao gồm các biện pháp bảo vệ mạch dưới dạng mạng điện trở  Giảm thiểu không gian, chi phí, độ phức tạp  Duy trì hiệu suất ổn định III. Cấu trúc nguồn cung cấp năng lượng điện 1. Mô hình mô-đun quang điện Mô-đun quang điện được xây dựng bằng cách sử dụng một loạt các phương trình dữ liệu hữu ích do nhà sản xuất cung cấp trong khi không yêu cầu thêm bất kỳ thông số nào, ví dụ như điện áp nhiệt, dòng điện bão hòa ngược của diode, khoảng cách dải cho vật liệu, … [4].

Phương trình biểu diễn dòng điện đầu ra của mô-đun quang điện được thể hiện trong phương trình (1) Trong phương trình này, V là điện áp đầu ra của tấm pin và biến b là hằng số đặc trưng của mô hình quang điện. Biểu thức được sử dụng để có được tham số V, được thể hiện trong phương trình (2). (2) Biểu thức này sử dụng các giá trị điện áp tối đa và tối thiểu, trong đó Vmax là điện áp mạch hở ở 25°C và lớn hơn 1.200W/m2, Vmin là điện áp mạch hở ở 25°C và nhỏ hơn 200W/m2. E là bức xạ mặt trời hiệu dụng tính bằng W/m2.

TCV là hệ số nhiệt độ của theo V/°c. Biến T là nhiệt độ tấm pin mặt trời theo. là 25°C và bức xạ mặt trời hiệu dụng danh nghĩa là 1. là điện áp mạch hở ở 25°C và 1000.

Biến , có thể được tính bằng phương trình (3). (3) 13 Trong phương trình này, TCi là hệ số nhiệt độ của trong A/C. Nhân điện áp của tấm pin với phương trình (1) sẽ cho ra công suất đầu ra của tấm pin mặt trời. Biểu thức công suất đầu ra được thể hiện trong phương trình (4) (4) Điện trở đầu vào của tấm pin quang điện có thể tính từ phương trình (5) (5) Với các phương trình này cũng như các thông số thu được từ bảng dữ liệu, có thể xây dựng mô hình Simulink của một mô-đun quang điện.

và của một tấm pin mặt trời riêng lẻ lần lượt là 5V và 0,350A. Hằng số đặc trưng b của mô-đun quang điện là 0,0615.