Nghiên Cứu và Thiết Kế Mạch Nguồn Ổn Áp DC Kiểu Flyback Với Nhiều Mức Điện Áp Đầu Ra

Mạch nguồn ổn áp DC kiểu Flyback là một trong những giải pháp hiệu quả để cung cấp điện áp ổn định cho các thiết bị điện tử. 81 trang · Đại học Đà Nẵng · 2024.

• Tác giả: Trần Huỳnh Đức Thắng
• Người hướng dẫn: ThS. Phạm Văn Phát
• Trường học: Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điện - điện tử
• Đề tài: Nghiên Cứu, Thiết Kế Mạch Nguồn Ổn Áp DC Kiểu Flyback Với Nhiều Mức Điện Áp Đầu Ra
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Đà Nẵng

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Giới thiệu chung về mạch nguồn
• 1.2. Mạch biến đổi DC-DC
• 1.3. Buck-Boost Converter
• 1.4. Mạch nguồn xung
• 1.5. Các chế độ dòng điện và các nguyên lý điều khiển
• 1.5.1. Chế độ dòng điện
• 1.5.2. Các nguyên lý điều khiển
• 1.6. Lý do chọn đề tài
• 1.7. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.8. Đối tượng nghiên cứu
• 1.9. Nội dung thực hiện
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Nguồn xung Flyback
• 2.1.1. Nguyên lý hoạt động
• 2.1.2. Cấu trúc liên kết chuyển đổi Flyback
• 2.1.3. Ưu nhược và nhược điểm
• 2.2. Lịch sử ra đời máy biến áp Flyback
• 2.3. Giới thiệu máy biến áp Flyback
• 2.4. Cấu tạo máy biến áp Flyback
• 2.5. Nguyên lý hoạt động
• 2.6. Thiết kế biến áp Flyback
• 2.7. Yêu cầu kỹ thuật
• 2.8. IC nguồn UC 3842B
• 2.8.1. Thông số kỹ thuật
• 2.8.2. Chế độ hoạt động
• 2.8.3. Ưu nhược điểm
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH
• 3.1. Thiết kế sơ đồ khối
• 3.2. Tính toán và chọn linh kiện
• 3.2.1. Tụ điện đầu vào
• 3.2.2. Mạch cổng của MOSFET R8, D6
• 3.2.3. Tính toán bảo vệ quá dòng R12
• 3.2.4. Tính toán khối dập xung ngược
• 3.2.5. Điện áp cấp nguồn cho IC nguồn R7, D2, C5
• 3.2.6. Điện áp đầu ra cuộn 12 V D3, C9, C10, C11, L1
• 3.2.7. Điện áp đầu ra cuộn 5 V D5, C12, C13, C14, L2
• 3.3. Thiết kế từng khối
• 3.3.1. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
• 3.3.2. Khối lọc nhiễu, chỉnh lưu
• 3.3.3. Khối chuyển mạch
• 3.3.4. Khối biến áp xung
• 3.3.5. Khối hồi tiếp
• 3.3.6. Khối tạo xung
• 3.3.7. Khối chỉnh lưu đầu ra
• 3.3.8. Nguyên lý hoạt động của mạch
• 3.4. Thi công phần cứng
• 3.4.1. Thi công biến áp Flyback
• 3.4.2. Thi công board mạch
• 3.5. Thi công mô hình
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ
• 4.1. Kết quả đạt được
• 4.2. Kết quả thực nghiệm
• 4.3. Kết quả thực tế
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC 1: Datasheet lõi EI 33

Tóm tắt

I. Tổng quan về mạch nguồn ổn áp DC kiểu Flyback

Mạch nguồn ổn áp DC kiểu Flyback là một trong những giải pháp hiệu quả để cung cấp điện áp ổn định cho các thiết bị điện tử. Với khả năng chuyển đổi điện áp từ nguồn AC sang DC, mạch Flyback không chỉ đảm bảo hiệu suất cao mà còn giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng. Đặc biệt, mạch này có thể cung cấp nhiều mức điện áp đầu ra khác nhau, đáp ứng nhu cầu đa dạng của các thiết bị điện. Việc nghiên cứu và thiết kế mạch nguồn Flyback với nhiều mức điện áp đầu ra là rất cần thiết trong bối cảnh công nghệ hiện đại.

1.1. Nguyên lý hoạt động của mạch nguồn Flyback

Mạch nguồn Flyback hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Khi MOSFET được bật, dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp của biến áp, tạo ra từ trường. Khi MOSFET tắt, từ trường này sẽ sinh ra điện áp ở cuộn thứ cấp, cung cấp điện áp đầu ra ổn định. Nguyên lý này cho phép mạch Flyback hoạt động hiệu quả với nhiều mức điện áp đầu ra khác nhau.

1.2. Ứng dụng của mạch nguồn Flyback trong thực tiễn

Mạch nguồn Flyback được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử như nguồn cung cấp cho máy tính, TV, và các thiết bị gia dụng khác. Với khả năng cung cấp nhiều mức điện áp đầu ra, mạch này giúp tiết kiệm không gian và chi phí cho các thiết bị điện tử hiện đại.

II. Vấn đề và thách thức trong thiết kế mạch Flyback

Mặc dù mạch nguồn Flyback mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc thiết kế mạch này cũng gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như độ ổn định điện áp, hiệu suất chuyển đổi và khả năng chống nhiễu là những yếu tố quan trọng cần được xem xét. Đặc biệt, việc lựa chọn linh kiện phù hợp và tối ưu hóa thiết kế mạch là rất cần thiết để đảm bảo hiệu suất hoạt động tốt nhất.

2.1. Độ ổn định điện áp đầu ra

Độ ổn định điện áp đầu ra là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong thiết kế mạch Flyback. Việc sử dụng các linh kiện chất lượng cao và thiết kế mạch hợp lý sẽ giúp giảm thiểu biến động điện áp, đảm bảo thiết bị hoạt động ổn định.

2.2. Hiệu suất chuyển đổi và tổn thất năng lượng

Hiệu suất chuyển đổi của mạch Flyback phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm thiết kế biến áp và lựa chọn linh kiện. Tổn thất năng lượng có thể xảy ra do nhiệt độ cao hoặc do các linh kiện không đạt tiêu chuẩn, ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể của mạch.

III. Phương pháp thiết kế mạch nguồn Flyback hiệu quả

Để thiết kế mạch nguồn Flyback hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp khoa học và kỹ thuật hiện đại. Việc tính toán chính xác các thông số kỹ thuật, lựa chọn linh kiện phù hợp và tối ưu hóa thiết kế mạch là rất quan trọng. Các bước này sẽ giúp đảm bảo mạch hoạt động ổn định và hiệu quả.

3.1. Tính toán thông số kỹ thuật cho mạch Flyback

Tính toán thông số kỹ thuật là bước đầu tiên trong thiết kế mạch Flyback. Cần xác định điện áp đầu vào, điện áp đầu ra và dòng điện cần thiết để đảm bảo mạch hoạt động hiệu quả. Việc này giúp tối ưu hóa kích thước và hiệu suất của mạch.

3.2. Lựa chọn linh kiện phù hợp cho mạch Flyback

Linh kiện là yếu tố quyết định đến hiệu suất và độ bền của mạch Flyback. Cần lựa chọn các linh kiện chất lượng cao như MOSFET, biến áp Flyback và IC nguồn để đảm bảo mạch hoạt động ổn định và hiệu quả.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu về mạch nguồn Flyback với nhiều mức điện áp đầu ra cho thấy khả năng cung cấp điện áp ổn định và hiệu suất cao. Các thử nghiệm thực tế đã chứng minh rằng mạch Flyback có thể hoạt động hiệu quả trong nhiều điều kiện khác nhau, từ đó mở rộng ứng dụng trong các thiết bị điện tử hiện đại.

4.1. Kết quả thực nghiệm từ mạch Flyback

Các thử nghiệm thực nghiệm cho thấy mạch Flyback có thể cung cấp điện áp đầu ra ổn định ở nhiều mức khác nhau. Điều này chứng tỏ rằng thiết kế mạch đã đạt được mục tiêu đề ra và có thể ứng dụng trong thực tiễn.

4.2. Ứng dụng mạch Flyback trong các thiết bị điện tử

Mạch Flyback đã được ứng dụng thành công trong nhiều thiết bị điện tử như nguồn cung cấp cho máy tính, TV và các thiết bị gia dụng khác. Điều này cho thấy tính linh hoạt và hiệu quả của mạch trong việc cung cấp điện áp ổn định.

V. Kết luận và hướng phát triển tương lai

Mạch nguồn ổn áp DC kiểu Flyback với nhiều mức điện áp đầu ra là một giải pháp hiệu quả cho các thiết bị điện tử hiện đại. Nghiên cứu và thiết kế mạch này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng mới. Trong tương lai, việc phát triển các công nghệ mới và cải tiến thiết kế sẽ giúp mạch Flyback ngày càng hoàn thiện hơn.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy mạch Flyback có khả năng cung cấp điện áp ổn định và hiệu suất cao. Điều này khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng mạch trong thực tiễn.

5.2. Hướng phát triển mạch Flyback trong tương lai

Trong tương lai, việc nghiên cứu và phát triển mạch Flyback sẽ tiếp tục được đẩy mạnh. Các công nghệ mới sẽ được áp dụng để cải thiện hiệu suất và độ ổn định của mạch, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hệ thống thiết bị điện tử dân dụng và công nghiệp (như máy thu hình, điều hòa, máy tính, thiết bị viễn thông), các khối vi xử lý và mạch điều khiển trung tâm đều vận hành bằng nguồn điện một chiều (DC) ổn định với nhiều cấp điện áp khác nhau. Tuy nhiên, nguồn năng lượng phổ biến từ lưới điện lại là dòng điện xoay chiều (AC) 220V có biên độ và tần số biến thiên. Để giải quyết yêu cầu chuyển đổi năng lượng với hiệu suất cao, kích thước nhỏ gọn và tổn hao thấp, các bộ nguồn xung (Switch Mode Power Supply - SMPS) chuyển đổi DC-DC đã thay thế phần lớn các bộ nguồn tuyến tính truyền thống. Trong các cấu trúc nguồn xung, cấu trúc Flyback thể hiện ưu thế vượt trội nhờ khả năng biến đổi linh hoạt, cách ly an toàn giữa sơ cấp và thứ cấp, đồng thời tạo ra nhiều mức điện áp đầu ra độc lập chỉ với một tầng chuyển mạch đơn giản.

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế mạch nguồn ổn áp DC kiểu Flyback với nhiều mức điện áp đầu ra" được thực hiện bởi sinh viên Trần Huỳnh Đức Thắng và Nguyễn Huỳnh Đang (chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng, dưới sự hướng dẫn của ThS. Phạm Văn Phát vào tháng 01/2024) nhằm giải quyết bài toán thiết kế và chế tạo thực tế một bộ nguồn xung công suất trung bình.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án bao gồm:

1. Nắm vững nguyên lý hoạt động của các bộ biến đổi DC-DC và nguồn xung Flyback.
2. Tính toán lý thuyết, thiết kế và trực tiếp quấn máy biến áp Flyback trên lõi ferit.
3. Thiết kế sơ đồ nguyên lý, layout mạch in (PCB) và thi công lắp ráp mô hình phần cứng hoàn chỉnh đáp ứng các chỉ tiêu kỹ thuật đề ra.
4. Chạy thử nghiệm, đo đạc dạng sóng và đánh giá độ ổn định điện áp ngõ ra khi có tải và không tải.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là mạch nguồn ổn áp DC kiểu Flyback cung cấp hai mức điện áp ngõ ra độc lập: ngõ ra chính 12V DC (dòng tải định mức 3A) và ngõ ra phụ 5V DC (dòng tải định mức 3A).

Phạm vi nghiên cứu kỹ thuật bao gồm:

• Dải điện áp đầu vào xoay chiều: $85\text{V AC} - 250\text{V AC}$, tần số lưới $50\text{ Hz}$.
• Tần số chuyển mạch đóng ngắt định mức: $80\text{ kHz}$.
• Giới hạn nghiên cứu tập trung vào thiết kế phần cứng mạch nguồn xung điều khiển bằng IC điều chế độ rộng xung (PWM) chế độ dòng điện UC3842B và van chuyển mạch MOSFET 10N60.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết biến đổi điện tử công suất và nguyên lý cảm ứng điện từ. Cấu trúc Flyback vận hành dựa trên cơ chế lưu trữ năng lượng từ trường trong cuộn sơ cấp máy biến áp khi van công tắc đóng (ON) và giải phóng năng lượng sang các cuộn thứ cấp qua diode chỉnh lưu khi van ngắt (OFF).

Tác giả phân tích hai chế độ dẫn dòng chính của bộ biến đổi:

• Chế độ dẫn dòng liên tục (CCM - Continuous Conduction Mode): Năng lượng từ thông trong lõi không giải phóng hết về 0 trong mỗi chu kỳ đóng cắt. Tỷ số truyền đạt điện áp lý thuyết được xác định theo công thức: $$\frac{V_{out}}{V_{in}} = \frac{N \cdot D}{1 - D}$$ (Trong đó $N = \frac{N_s}{N_p}$ là tỷ số vòng dây giữa thứ cấp và sơ cấp, $D$ là tỷ số chu kỳ xung).
• Chế độ dẫn dòng gián đoạn (DCM - Discontinuous Conduction Mode): Dòng điện thứ cấp giảm hoàn toàn về 0 trước khi bắt đầu chu kỳ đóng cắt tiếp theo. Hàm truyền đạt ở chế độ DCM phụ thuộc trực tiếp vào tải: $$M_{VDC} = \frac{V_O}{V_I} = \frac{D}{n} \sqrt{\frac{R_L}{2 f_s L_{pri}}}$$ (Trong đó $R_L$ là điện trở tải, $f_s$ là tần số băm xung, $L_{pri}$ là điện cảm cuộn sơ cấp).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và thiết kế kỹ thuật được triển khai qua các bước:

• Phương pháp tính toán giải tích: Xác định tham số điện cảm biến áp, tính toán chọn dung lượng tụ lọc ngõ vào/ngõ ra, xác định thông số mạch dập xung kẹp (RCD snubber) nhằm triệt tiêu xung gai điện áp do điện cảm rò ($L_{leakage}$), tính toán điện trở cảm biến dòng ngõ vào chân CS của IC.
• Phương pháp thiết kế có trợ giúp từ máy tính (CAD): Sử dụng phần mềm EasyEDA để vẽ sơ đồ nguyên lý toàn mạch và thiết kế mạch in PCB 1 lớp.
• Phương pháp chế tạo và thử nghiệm phần cứng: Tính toán số vòng dây, trực tiếp quấn các lớp dây đồng có lớp cách điện mica/giấy trên lõi từ ferit EI 33, lắp ráp hoàn thiện mô hình và sử dụng máy hiện sóng (Oscilloscope) cùng đồng hồ đo chuyên dụng để kiểm tra các thông số vận hành thực tế.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống mạch nguồn xung Flyback được thiết kế theo cấu trúc khối chức năng đồng bộ:

Khối chức năng	Linh kiện / Công nghệ sử dụng	Chức năng kỹ thuật chính
Lọc nhiễu và Chỉnh lưu ngõ vào	Cầu chì bảo vệ, cuộn lọc EMI, cầu diode chỉnh lưu, tụ lọc sơ cấp	Lọc bỏ xung nhiễu cao tần từ lưới điện, chỉnh lưu điện áp xoay chiều ($85 - 250\text{V AC}$) thành điện áp DC gợn sóng phẳng cấp cho sơ cấp.
Biến áp xung Flyback	Lõi ferit EI 33, dây đồng cách điện, lớp cách điện mica	Thực hiện cách ly điện thế, tích trữ năng lượng từ trường và chuyển giao năng lượng ra nhiều cuộn thứ cấp.
Khối chuyển mạch công suất	MOSFET kênh N 10N60 ($600\text{V}, 10\text{A}$), mạch kích cổng R8, D6	Đóng ngắt dòng điện sơ cấp theo tần số $80\text{ kHz}$ dưới sự điều khiển của IC PWM.
Khối dập xung ngược (Snubber)	Mạch RCD kẹp điện áp sơ cấp	Hấp thụ và triệt tiêu năng lượng cảm ứng sinh ra bởi điện cảm rò của biến áp khi MOSFET ngắt, bảo vệ cực Drain-Source.
Khối điều khiển dao động PWM	IC UC3842B (8 chân), mạch định thời RT/CT	Tạo xung băm tần số $80\text{ kHz}$, điều khiển độ rộng xung theo chế độ dòng điện đỉnh qua chân ISENSE (ngưỡng bảo vệ $1.0\text{V}$).
Khối nguồn phụ nuôi IC	Cuộn dây phụ biến áp, R7, D2, C5	Cung cấp nguồn duy trì ($V_{CC} \ge 11\text{V}$) cho IC UC3842B sau khi mạch đã khởi động qua trở mồi.
Khối chỉnh lưu, lọc ngõ ra 12V	Diode xung D3, tụ lọc C9, C10, C11, cuộn cảm L1	Chỉnh lưu và làm phẳng xung điện áp thứ cấp thành nguồn $12\text{V DC} - 3\text{A}$ ổn định.
Khối chỉnh lưu, lọc ngõ ra 5V	Diode xung D5, tụ lọc C12, C13, C14, cuộn cảm L2	Chỉnh lưu và làm phẳng xung điện áp thứ cấp thành nguồn $5\text{V DC} - 3\text{A}$ ổn định.
Khối hồi tiếp và ổn áp	IC quang (Optocoupler), vi mạch lấy mẫu điện áp	Cách ly tín hiệu phản hồi từ ngõ ra đưa về chân VFB/COMP của IC UC3842B để tự động hiệu chỉnh độ rộng xung PWM khi tải thay đổi.

Quy trình triển khai chế tạo phần cứng bao gồm:

1. Thi công biến áp xung: Tính toán số vòng dây cho cuộn sơ cấp, cuộn phụ $V_{CC}$, cuộn thứ cấp 12V và cuộn thứ cấp 5V. Tiến hành quấn dây đồng có cách điện từng lớp, dán băng keo cách nhiệt, gắn lõi ferit EI 33 có khe hở không khí (air gap) để tránh bão hòa từ, sau đó đo kiểm độ tự cảm sơ cấp.
2. Gia công mạch in và lắp ráp: Xuất file Gerber từ phần mềm EasyEDA, thi công mạch in, hàn linh kiện theo đúng sơ đồ bố trí và gắn tản nhiệt nhôm cho MOSFET 10N60 cùng các diode chỉnh lưu công suất ngõ ra.
3. Đóng gói hộp mô hình: Cố định bo mạch vào hộp bảo vệ có bố trí cọc đấu dây đầu vào AC và các trạm ra DC 12V, 5V kèm đèn LED báo trạng thái.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương 1 hệ thống hóa tổng quan các dạng mạch nguồn điện tử, phân tích đặc tính của các bộ chuyển đổi DC-DC không cách ly (Buck, Boost, Buck-Boost) và các bộ nguồn xung cách ly qua biến áp (Forward, Half-Bridge, Flyback). Tác giả so sánh chi tiết ba chế độ dòng điện qua cuộn cảm gồm chế độ liên tục (CCM), gián đoạn (DCM) và biên (BCM). Đồng thời, chương 1 đối chiếu hai nguyên lý điều khiển băm xung: điều khiển theo điện áp (Voltage Mode) và điều khiển theo dòng điện (Current Mode), chỉ ra ưu điểm vượt trội về tốc độ đáp ứng của chế độ dòng điện. Từ đó, tác giả khẳng định lý do lựa chọn cấu trúc Flyback và thiết lập nhiệm vụ thiết kế cụ thể cho đề tài.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày chi tiết nguyên lý hoạt động của cấu trúc Flyback qua các chu kỳ đóng ngắt khóa bán dẫn, xây dựng mô hình toán học và phương trình dạng sóng dòng điện sơ cấp, thứ cấp. Nội dung tập trung phân tích sâu cấu tạo, nguyên lý làm việc và các yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt của biến áp Flyback (hiện tượng bão hòa từ, điện cảm rò rỉ, điện dung ký sinh và yêu cầu cách ly điện). Chương này khảo sát cấu trúc bên trong của IC điều khiển PWM UC3842B (bộ tạo dao động OSC lên tới $500\text{ kHz}$, mạch khóa điện áp thấp UVLO với ngưỡng khởi động $16\text{V}$ và ngắt ở $10\text{V}$, bộ khuếch đại sai lệch E/A có độ lợi $90\text{ dB}$, chốt PWM so sánh dòng cực đại $I_{PK(max)} = \frac{1.0\text{V}}{R_S}$). Cuối chương là lý thuyết về cấu tạo, chế độ hoạt động và thông số định mức của van đóng cắt MOSFET kênh N 10N60 ($600\text{V}, 10\text{A}$).

Chương 3: Thiết kế và thi công mạch

Chương 3 trình bày các bước tính toán tham số và thiết kế chi tiết từng khối mạch:

• Tính toán điện dung và điện áp chịu đựng của tụ lọc nguồn sơ cấp ngõ vào.
• Tính toán mạch kích cực cổng MOSFET (R8, D6) và điện trở cảm biến bảo vệ quá dòng R12 ($R_S$).
• Tính toán thông số khối dập xung ngược RCD kẹp điện áp phản xạ $V_r$.
• Tính toán thông số mạch cấp nguồn mồi và nguồn nuôi duy trì cho IC UC3842B (R7, D2, C5).
• Tính toán bộ lọc đầu ra LC cho đường nguồn $12\text{V}$ (D3, C9, C10, C11, L1) và đường nguồn $5\text{V}$ (D5, C12, C13, C14, L2).
• Quy trình thiết kế sơ đồ nguyên lý toàn mạch trên phần mềm EasyEDA, quy trình gia công quấn biến áp Flyback thực tế và thi công lắp ráp bo mạch phần cứng hoàn chỉnh.

Chương 4: Kết quả, nhận xét và đánh giá

Chương 4 ghi nhận các kết quả thực nghiệm đạt được sau khi cấp điện vận hành mô hình. Tác giả thực hiện đo đạc và phân tích các dạng sóng hiển thị trên máy hiện sóng:

• Dạng sóng điện áp ngõ ra khi không có tải và khi có tải định mức.
• Dạng sóng xung kích PWM tại chân Output của IC UC3842B đưa vào chân Gate của MOSFET.
• Dạng sóng điện áp hồi tiếp đưa về bộ so sánh và điện áp duy trì trên tụ nguồn nuôi $V_{CC}$.
• Biểu đồ và bảng số liệu đo thực tế mức điện áp đầu ra $12\text{V}$ và $5\text{V}$ dưới các mức tải khác nhau, đồng thời nhận xét về sự phát nhiệt của các điện trở công suất và van bán dẫn.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã chế tạo thành công mô hình phần cứng mạch nguồn xung Flyback đa ngõ ra với các kết quả thực tế:

Thông số kỹ thuật	Yêu cầu thiết kế	Kết quả thực nghiệm đạt được
Điện áp ngõ vào	$85\text{V AC} - 250\text{V AC}$ ($50\text{ Hz}$)	Hoạt động ổn định trên toàn dải điện áp lưới đầu vào
Điện áp ngõ ra 1	$12\text{V DC}$	Đo đạc thực tế duy trì ổn định ở mức xấp xỉ $12\text{V DC}$ khi có tải
Điện áp ngõ ra 2	$5\text{V DC}$	Đo đạc thực tế duy trì ổn định ở mức xấp xỉ $5\text{V DC}$ khi có tải
Dòng điện tải định mức	$3\text{A}$ cho mỗi ngõ ra	Đáp ứng cấp dòng cho tải thực tế
Tần số chuyển mạch	$80\text{ kHz}$	Xung điều khiển chân Output của UC3842B đạt tần số thiết kế
Khả năng cách ly & bảo vệ	Cách ly an toàn AC-DC, bảo vệ quá dòng	Mạch hồi tiếp quang và cảm biến dòng hoạt động chính xác

Đóng góp của đồ án:

• Chuẩn hóa quy trình tính toán lý thuyết và phương pháp thiết kế chế tạo biến áp xung Flyback đa ngõ ra trên lõi từ EI 33.
• Hiện thực hóa thành công mạch nguồn chuyển mạch sử dụng IC điều khiển chế độ dòng điện UC3842B kết hợp MOSFET công suất cao 10N60, tạo ra sản phẩm mô hình thực nghiệm hoạt động tin cậy phục vụ học tập và nghiên cứu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

• Mạch tỏa nhiệt tương đối lớn tại các điện trở công suất và van bán dẫn khi vận hành ở tải dòng cao kéo dài.
• Hiện tượng gợn sóng điện áp cao tần ngõ ra vẫn tồn tại do ảnh hưởng của điện cảm rò máy biến áp chế tạo thủ công.
• Các thử nghiệm mới chỉ dừng lại ở các mức tải tĩnh cơ bản, chưa khảo sát toàn diện trong điều kiện tải động thay đổi đột ngột.

Hướng phát triển tiếp theo:

• Cải tiến kỹ thuật quấn biến áp xung theo phương pháp quấn xen kẽ (sandwich winding) nhằm giảm tối đa độ tự cảm rò rỉ.
• Tích hợp thêm các khối bảo vệ nâng cao như bảo vệ quá áp (OVP), bảo vệ quá nhiệt (OTP) và mạch lọc tích cực.
• Nâng cấp layout mạch in theo chuẩn công nghiệp, sử dụng linh kiện dán (SMD) để giảm kích thước và nâng cao hiệu suất nguồn.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện – Điện tử, Điện tử Công nghiệp, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa.

Nội dung đặc biệt có giá trị gồm:

• Công thức và phương pháp tính toán chi tiết từng bước chọn linh kiện mạch nguồn xung Flyback.
• Hướng dẫn thực hành quấn dây máy biến áp xung trên lõi ferit EI 33 có khe hở không khí.
• Thiết kế mạch tạo dao động, khóa bảo vệ dòng điện đỉnh với IC UC3842B và mạch phản hồi ổn áp cách ly qua IC quang.

Câu hỏi thường gặp

1. Mạch nguồn Flyback trong đồ án được thiết kế với các thông số ngõ vào và ngõ ra như thế nào?
Mạch nhận nguồn điện xoay chiều đầu vào dải rộng từ $85\text{V AC}$ đến $250\text{V AC}$ (tần số $50\text{ Hz}$), tạo ra hai đường điện áp một chiều đầu ra cách ly gồm ngõ ra chính $12\text{V DC}$ (dòng tải định mức $3\text{A}$) và ngõ ra phụ $5\text{V DC}$ (dòng tải định mức $3\text{A}$) ở tần số chuyển mạch $80\text{ kHz}$.

2. IC UC3842B giữ vai trò gì và có các ngưỡng điện áp vận hành cơ bản nào?
UC3842B là vi mạch điều khiển điều chế độ rộng xung (PWM) chế độ dòng điện. IC tích hợp bộ dao động lên tới $500\text{ kHz}$, mạch bảo vệ khóa điện áp thấp (UVLO) với ngưỡng bật $16\text{V}$ và ngưỡng ngắt $10\text{V}$ trên chân $V_{CC}$, điện áp tham chiếu $V_{REF} = 5.0\text{V}$, và chốt so sánh ngắt xung khi điện áp cảm biến dòng tại chân ISENSE chạm mức $1.0\text{V}$.

3. Tại sao tác giả sử dụng MOSFET 10N60 trong khối chuyển mạch công suất?
MOSFET 10N60 là van bán dẫn công suất kênh N có khả năng chịu điện áp đánh thủng lên đến $600\text{V}$ và dòng điện liên tục tối đa $10\text{A}$, tốc độ đóng cắt cao và điều khiển bằng điện áp cực cổng, đáp ứng an toàn trước các mức điện áp dâng cao do điện áp chỉnh lưu ngõ vào kết hợp với điện áp phản xạ từ sơ cấp biến áp.

4. Mạch dập xung ngược (Snubber) trong khối sơ cấp có chức năng gì?
Mạch snubber (cấu hình RCD) mắc song song với cuộn sơ cấp biến áp nhằm hấp thụ các xung gai điện áp cao sinh ra bởi năng lượng tích tụ trong điện cảm rò ($L_{leakage}$) khi MOSFET ngắt đột ngột, ngăn chặn hiện tượng quá áp đánh thủng mối nối Drain-Source của MOSFET 10N60.

5. Biến áp Flyback trong đề tài sử dụng loại lõi từ nào và bao gồm những cuộn dây nào?
Biến áp Flyback được chế tạo thủ công trên lõi ferit mã hiệu EI 33, bao gồm 4 cuộn dây riêng biệt: cuộn sơ cấp nối tiếp với khóa MOSFET, cuộn nguồn phụ ($V_{CC}$) cấp nguồn nuôi duy trì cho IC UC3842B, cuộn thứ cấp chỉnh lưu ra nguồn $12\text{V DC}$ và cuộn thứ cấp chỉnh lưu ra nguồn $5\text{V DC}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Trần Huỳnh Đức Thắng và Nguyễn Huỳnh Đang đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu lý thuyết, tính toán thiết kế và chế tạo thực tế bộ nguồn ổn áp DC kiểu Flyback đa ngõ ra. Sản phẩm mạch nguồn phần cứng vận hành ổn định trên dải điện áp vào $85 - 250\text{V AC}$, cung cấp chính xác hai mức điện áp đầu ra $12\text{V DC}$ và $5\text{V DC}$ với dòng tải định mức $3\text{A}$. Kết quả nghiên cứu thể hiện tính ứng dụng thực tiễn cao, đóng góp một tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh về thiết kế nguồn xung công suất trung bình trong lĩnh vực điện tử công suất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về đề tài. Chương này trình bày các phần: Các vấn đề liên quan đến mạch nguồn, ứng dụng của mạch nguồn. Từ đó nêu ra lý do chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu và bố cục đồ án. Chương 2: Cơ sở lý thuyết.

Chương này trình bày cơ sở lý thuyết về mô hình. Cụ thể là giới thiệu chi tiết rõ hơn về mạch nguồn xung Flyback, các linh kiện được sử dụng trong mô hình. Chương 3: Thiết kế và thi công mạch. Chương này tính toán và thiết kế các linh kiện thiết yếu như biến áp Flyback, MOSFET, tụ nguồn,….

Sau quá trình tính toán và thiết kế các linh kiện và phần cứng mô hình của đề tài. Tiến hành layout, gia công mạch. Sau đó lắp ráp một hệ thống mô hình hoàn chỉnh đã được xây dựng trước đó. Sau khi có được mô hình tiến hành cho mạch hoạt động, thử nghiệm thực tế, tìm lỗi và khắc phục nếu có.

Chương 4: Kết quả, nhận xét và đánh giá. Chương này đưa ra những kết quả mà đã thực hiện được khi làm mô hình. Từ đó đưa ra những nhận xét và đánh giá mô hình. SVTH: Trần Huỳnh Đức Thắng – Nguyễn Huỳnh Đang Trang 10 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: ThS.PHẠM VĂN PHÁT CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.

Chương này trình bày cơ sở lý thuyết về mô hình. Cụ thể: giới thiệu chi tiết hơn về mạch nguồn xung Flyback, linh kiện sử dụng trong mô hình.1 Nguồn xung Flyback. Mạch nguồn Flyback được thiết kế từ 70 năm qua để thực hiện bất kỳ loại chuyển đổi nào từ chuyển đổi dòng điện xoay chiều AC sang dòng điện một chiều DC hoặc dòng điện 1 DC sang điện một chiều DC. Thiết kế của Flyback đã mang lại lợi thế cho việc phát triển truyền hình cho việc liên lạc vào đầu những năm 1930 đến 1940.

Nó sử dụng khái niệm cung cấp chuyển mạch phi tuyến tính. Máy biến áp Flyback lưu trữ năng lượng từ trường và hoạt động như một cuộn cảm khi so sánh với các mạch nguồn khác. Mạch nguồn Flyback chuyển đổi AC thành DC với cách ly điện áp đầu vào và đầu ra. Lưu trữ năng lượng khi có dòng điện chạy qua và giải phóng năng lượng khi mất điện và sử dụng một cuộn cảm được ghép nối lẫn nhau, và hoạt động như một bộ chuyển đổi chuyển mạch cách ly cho các máy biến điện áp tăng hoặc giảm điện áp.

Nó có thể điều khiển và điều chỉnh nhiều điện áp đầu ra với nhiều loại điện áp đầu vào. Các thành phần cần thiết để thiết kế bộ chuyển đổi Flyback là rất ít khi so sánh với các mạch cấp nguồn chế độ chuyển mạch khác. Từ Flyback được coi là hành động bật/tắt của công tắc được sử dụng trong thiết kế. Tùy vào từng mạch mà kết cấu của các mạch có một số điểm khác biệt.

Nhưng xét về cấu tạo cơ bản thì đa phần giống nhau bao gồm như: Hình 2.1: Cấu tạo của một mạch nguồn Flyback. Biến áp Flyback: Được làm từ các cuộn dây quấn trên một lõi từ giống với biến áp thường. Biến áp Flyback sử dụng lõi ferit và có công suất khá lớn, chúng hoạt động tốt ngay cả ở những dải tần số cao. Điều mà biến áp thường không thể làm được hoặc khó có thể đáp ứng được.

Cầu chì: Cầu chì là một thiết bị bảo vệ trong mạch điện, được sử dụng để ngăn chặn dòng điện quá tải gây ra nguy hiểm cho các thiết bị điện. Cầu chì thường được làm bằng chất liệu sợi thủy tinh hoặc kim loại, có hình dạng như một chiếc ống nhỏ, được đặt giữa nguồn điện và thiết bị điện.