Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các lĩnh vực kỹ thuật điện tử, viễn thông và tin học, nguồn cung cấp năng lượng một chiều ổn định đóng vai trò quyết định đến chất lượng hoạt động, độ bền cũng như độ chính xác của toàn bộ hệ thống thiết bị. Nguồn điện lưới quốc gia tại Việt Nam thường có sự dao động điện áp nhất định, đòi hỏi các bộ nguồn phải có khả năng biến đổi và ổn định điện áp hiệu quả để cung cấp mức DC phẳng cho các mạch điện tải.

Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, đề tài đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công mạch nguồn ổn áp điều chỉnh từ 0V đến 30V" được thực hiện bởi sinh viên Đỗ Hữu Thanh Dũng (Lớp 97NKĐĐ3/72, MSSV: 97201288), dưới sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Duy Thảo thuộc Bộ môn Điện - Điện tử, Khoa Điện. Mục đích thực tiễn của đề tài là cung cấp thêm trang thiết bị, đồ dùng phục vụ cho sinh viên các khóa sau thực tập tại xưởng.

Nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật của đồ án bao gồm các chỉ tiêu:

  1. Điện áp ngõ vào xoay chiều: $160\text{V}{\text{AC}} - 220\text{V}{\text{AC}}$.
  2. Điện áp ngõ ra một chiều: Điều khiển biến thiên liên tục từ $0\text{V}{\text{DC}} - 30\text{V}{\text{DC}}$.
  3. Dòng điện ngõ ra cực đại: $2\text{A}$.
  4. Cấu trúc nguồn: Nguồn ổn áp đôi (đối xứng).
  5. Tích hợp khối hiển thị số bằng LED 7 đoạn giúp người sử dụng dễ dàng quan sát và căn chỉnh điện áp.

Đồ án được triển khai nghiên cứu và thi công trong thời gian 8 tuần (từ ngày 08/01/2001 đến ngày 03/03/2001) tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình áp dụng

Tác giả tổng hợp nền tảng lý thuyết từ các tài liệu chuyên ngành về nguồn cung cấp năng lượng tần số cao (High-Frequency Switching Power Supplies của George C. Chryssis, Design of Solid State Power Supply của Eugene R. Hnatek, và tài liệu Kỹ thuật điện tử). Cơ sở lý thuyết tập trung vào các nhóm nội dung chính:

  • Nguyên lý ổn áp một chiều cơ bản: So sánh cơ chế ổn áp nối tiếp ($V_O = V_I - I_L R_S$) và ổn áp song song ($V_O = V_I - R_S(I_L + I_{\text{shunt}})$).
  • Phân loại bộ nguồn DC: So sánh đặc tính giữa ổn áp tuyến tính (Linear Regulator) và ổn áp xung (Switching Regulator).
  • Các cấu trúc biến đổi DC-DC tần số cao: Phân tích nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm của các dạng biến đổi Push-Pull (đẩy kéo), Half-Bridge (nửa cầu), Full-Bridge (toàn cầu), Flyback và Forward.
  • Lý thuyết từ tính và biến áp xung: Tính toán mạch từ trên lõi Ferit ($\text{MO}\cdot\text{Fe}_2\text{O}3$), xác định cảm ứng từ bão hòa ($B{\text{sat}} \approx 3000 - 5000\text{ Gauss}$), nhiệt độ Curie ($\approx 200^\circ\text{C}$), khe hở không khí ($l_g$) và kích thước hình học lõi (dạng EE, EI, EU, lõi hộp).
  • Lý thuyết bảo vệ mạch điện tử: Vùng làm việc an toàn (SOA - Safe Operating Area), các giải pháp bảo vệ quá dòng, quá áp (Crowbar SCR), và mạch dập xung bảo vệ linh kiện chuyển mạch (Snubber RC).

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết giải tích và thực nghiệm chế tạo phần cứng:

  • Phương pháp phân tích - tính toán giải tích: Xây dựng công thức xác định chu kỳ làm việc ($\delta$), dòng điện đỉnh cuộn sơ cấp, điện cảm cuộn sơ cấp, kích thước khe hở từ, số vòng dây quấn sơ/thứ cấp, đường kính dây dẫn và thông số bộ lọc ngõ ra LC.
  • Phương pháp thiết kế sơ đồ nguyên lý: Phân chia bộ nguồn thành các khối chức năng độc lập (nguồn sơ cấp, mạch tạo xung IC DBL 494, tầng công suất chuyển mạch FET, biến áp xung, tầng điều chỉnh tuyến tính LM723, mạch hiển thị LED 7 đoạn).
  • Phương pháp thực nghiệm và kiểm thử: Lắp ráp linh kiện thực tế, đo đạc dạng sóng xung ngắt mở, kiểm tra khả năng ổn định điện áp và kiểm tra hoạt động của các cơ chế ngắt bảo vệ khi xảy ra sự cố quá dòng/ngắn mạch.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan về bộ nguồn ổn áp DC

Chương I hệ thống hóa các khái niệm căn bản về nguồn ổn áp một chiều. Tác giả phân tích cấu trúc bộ nguồn tuyến tính với 5 khối chức năng: khối công suất (Transistor điều khiển), khối lấy mẫu, khối điện áp tham chiếu (Diode Zener), khối dò sai (Error Detector) và khối khuếch đại DC. Hạn chế cốt lõi của nguồn tuyến tính là sụt áp trên phần tử điều khiển lớn khi dòng tải cao, dẫn đến tỏa nhiệt nhiều và hiệu suất thấp.

Từ đó, chương I làm rõ nguyên lý của nguồn ổn áp xung (ngắt - dẫn): thay vì thay đổi mức dẫn liên tục của transistor công suất, hệ thống điều chỉnh độ rộng xung đóng/ngắt ở tần số cao (hàng chục kHz). Điều này giúp transistor ít bị nóng, giảm đáng kể kích thước tụ lọc và nâng cao hiệu suất bộ nguồn. Chương này cũng chuẩn hóa các định nghĩa tham số dạng sóng xung: độ rộng xung ($t_w$), biên độ xung ($U_m$), thời gian sườn trước ($t_r$), thời gian sườn sau ($t_f$), độ sụt đỉnh ($U_{\text{đn}}$) và chu kỳ lặp lại ($T$).

Chương II: Các vấn đề ngõ vào và ngõ ra trong nguồn ổn áp xung

Chương II tập trung phân tích các khâu xử lý tín hiệu trước và sau khối biến đổi xung:

  • Khâu ngõ vào: Sử dụng bộ chỉnh lưu toàn kỳ 4 diode. Tác giả lưu ý các tiêu chí chọn diode: điện áp ngược cực đại $V_{\text{RRM}} > 600\text{V}$, dòng điện thuận cực đại $I_{\text{Fmax}} \ge 2 I_{\text{đm}}$. Tụ lọc nguồn ngõ vào được tính toán theo công thức: $$C = \frac{I \cdot t}{\Delta V}$$
  • Khâu ngõ ra: Do tín hiệu sau cuộn thứ cấp biến áp là dạng xung vuông tần số cao, các diode thông thường không đáp ứng được do thời gian phục hồi chậm và tổn hao lớn. Tác giả nhấn mạnh việc sử dụng diode Schottky nhờ tốc độ đáp ứng nhanh, điện áp phân cực thuận rơi trên diode thấp ($\approx 0,5\text{V}$ so với $0,8 - 1,2\text{V}$ ở diode thường).
  • Bộ lọc LC ngõ ra: Phân tích ưu nhược điểm của bộ lọc đầu vào điện dung và bộ lọc đầu vào điện cảm (mạch lọc LC, $\pi$). Trình bày công thức tính điện cảm cuộn dây $L$ để duy trì dòng điện tải liên tục trong khoảng thời gian transistor ngắt ($t_{\text{off}}$): $$L \ge \frac{V_O \cdot t_{\text{off}}}{0,25 I_O}$$
  • Kỹ thuật nhân đôi điện áp: Giới thiệu mạch chỉnh lưu nhân đôi điện áp tự động sử dụng kết hợp diode và SCR, cho phép bộ nguồn thích ứng linh hoạt với các dải điện áp lưới đầu vào khác nhau ($110\text{V}{\text{AC}}$ hoặc $220\text{V}{\text{AC}}$).

Chương III: Các phương pháp biến đổi nguồn

Chương III trình bày chi tiết ba kỹ thuật biến đổi nguồn DC-DC tần số cao:

  • Biến đổi Push-Pull (Đẩy - Kéo): Sử dụng hai transistor làm việc đối pha. Tác giả thiết lập biểu thức điện áp ra $V_O = 2 \delta_{\text{max}} \frac{V_{\text{in}}}{n}$ (với $\delta_{\text{max}} \le 0,5$). Phân tích hiện tượng mất cân bằng từ thông dẫn đến bão hòa lõi từ và đề xuất các cấu trúc biến thể:
    • Bộ biến đổi nửa cầu (Half-Bridge): Sử dụng 2 tụ phân áp tạo điểm điện thế trôi $V_{\text{in}}/2$, giúp giảm điện áp chịu đựng của transistor chuyển mạch xuống còn $V_{\text{in}}$ (thay vì $2V_{\text{in}}$ như Push-Pull cơ bản), kết hợp tụ nối tiếp để tự động cân bằng volt-giây, chống bão hòa lõi ferit.
    • Bộ biến đổi toàn cầu (Full-Bridge): Sử dụng 4 transistor đóng ngắt chéo từng cặp $(Q_1, Q_4)$ và $(Q_2, Q_3)$, chịu điện áp cắt $V_{\text{in}}$ và dòng Collector bằng một nửa mạch nửa cầu cùng công suất.
  • Biến đổi Flyback (Ngắt quãng): Phần tử cách ly hoạt động như một cuộn cảm tích trữ năng lượng trong nửa chu kỳ transistor dẫn ($t_{\text{on}}$) và giải phóng năng lượng sang tải qua diode trong nửa chu kỳ ngắt ($t_{\text{off}}$). Điện áp đỉnh cực C lúc ngắt là $V_{\text{CEmax}} = \frac{V_{\text{in}}}{1 - \delta_{\text{max}}}$. Khảo sát biến thể Flyback dùng 2 transistor có diode ghim điện áp về $V_{\text{in}}$.
  • Biến đổi Forward (Thuận): Năng lượng từ cuộn sơ cấp truyền trực tiếp sang cuộn thứ cấp ngay trong thời gian transistor dẫn. Cuộn dây thứ ba kết hợp diode khử từ đóng vai trò đưa năng lượng từ trường dư thừa hồi tiếp về nguồn DC, giới hạn điện áp cực C ở mức $V_{\text{CEmax}} = 2V_{\text{in}}$ và yêu cầu chu kỳ làm việc $\delta_{\text{max}} < 50%$.

Chương IV: Biến áp xung

Chương IV phân biệt biến áp cách ly và biến áp tự ngẫu, đi sâu vào vật liệu lõi từ Ferit và thiết lập trình tự 6 bước thiết kế biến áp xung:

  1. Xác định thông số ban đầu: Công suất ngõ ra $P_O$, dải điện áp vào $V_{\text{in}}$, điện áp ngõ ra $V_O$, tần số đóng cắt $f$, chu kỳ cực đại $\delta_{\text{max}}$ và lựa chọn kiểu dáng lõi ferit (EE, EI, EU, lõi hộp).
  2. Tính dòng điện đỉnh cuộn sơ cấp: $$I_{P\text{max}} = \frac{2 P_O}{V_{\text{in min}} \cdot \delta_{\text{max}}}$$
  3. Tính giới hạn chu kỳ làm việc: Xác định $\delta_{\text{min}}$ và $\delta_{\text{max}}$ khi điện áp vào thay đổi từ $V_{\text{in min}}$ đến $V_{\text{in max}}$.
  4. Tính chiều dài khe hở không khí ($l_g$): Tính điện cảm cuộn sơ cấp $L_P = \frac{V_{\text{in min}} \delta_{\text{max}}}{I_{P\text{max}} f}$, thể tích hiệu dụng lõi $V_e$, từ đó suy ra chiều dài khe hở: $$l_g = \frac{0,4 \pi L_P I_{P\text{max}} \cdot 10^8}{A_e B_{\text{sat}}}$$
  5. Tính số vòng dây quấn: Số vòng trên mỗi Volt ($n$), từ đó tính số vòng cuộn sơ cấp ($N_P = V_{\text{in min}} \cdot n$) và số vòng cuộn thứ cấp ($N_S$).
  6. Tính tiết diện và đường kính dây quấn: Dựa trên mật độ dòng điện cho phép ($J$), tính đường kính dây $d = 1,33 \sqrt{I/J}$.

Chương V: Thiết kế và thi công nguồn ổn áp có điều khiển và hiển thị

Chương V là trọng tâm thực thi kỹ thuật của đồ án, mô tả chi tiết các sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý, bảng thông số linh kiện và các bước tính toán cụ thể cho nguồn đôi $0 - 30\text{V}$, dòng $2\text{A}$:

  • Khối tạo xung và điều khiển sơ cấp: Sử dụng vi mạch chuyên dụng DBL 494 (tương đương TL494). Tín hiệu xung ra tại chân 9 và 10 kích tầng lái đảo pha qua biến áp xung $T_1$, sau đó điều khiển cặp FET công suất chính ($Q_8, Q_9$) mắc theo cấu trúc Push-Pull.
  • Nguồn mồi khởi động: Bố trí transistor $Q_7$ kết hợp mạch phân áp để lấy nguồn trực tiếp từ đường $300\text{V}_{\text{DC}}$ sơ cấp, tạo điện áp $12\text{V}$ cấp trước cho IC DBL 494 hoạt động trước khi mạch chính có điện áp ra.
  • Tầng hạ áp và ổn định tuyến tính ngõ ra: Sau khi biến áp xung chính $T_2$ và bộ lọc LC cho ra mức điện áp thô $35\text{V}{\text{DC}}$, điện áp này được đưa qua tầng ổn áp tuyến tính dùng vi mạch LM723 kết hợp transistor công suất để điều chỉnh điện áp chính xác từ $0\text{V}$ đến $30\text{V}{\text{DC}}$. Mạch phân áp đặc biệt tại các chân 4, 5 của LM723 cho phép điều chỉnh điện áp về tận $0\text{V}$ mà không cần biến thế nguồn phụ 2 cuộn thứ cấp phức tạp.
  • Khối hiển thị số: Sử dụng vi mạch giải mã kết hợp LED 7 đoạn để hiển thị chính xác giá trị điện áp ngõ ra.
  • Kết quả tính toán cụ thể:
    • Tần số chuyển mạch: $f = 100\text{kHz}$.
    • Điện áp vào sau chỉnh lưu: $V_{\text{in min}} = 226\text{V}{\text{DC}}$, $V{\text{in max}} = 310\text{V}_{\text{DC}}$.
    • Công suất tải ngõ ra (nguồn đôi): $P_O = 35\text{V} \times 2\text{A} \times 2 = 140\text{W}$.
    • Chu kỳ làm việc: $\delta_{\text{min}} = 0,2$; $\delta_{\text{max}} = 0,4$.
    • Biến áp xung: Lõi Ferit EE ($A_e = 0,96\text{cm}^2$, $B_{\text{sat}} = 4000\text{ Gauss}$), chiều dài khe hở $l_g = 0,39\text{cm}$, số vòng sơ cấp $N_P = 45$ vòng, số vòng thứ cấp $N_S = 7$ vòng (cho mỗi nhánh $35\text{V}$), đường kính dây quấn chọn $1,5\text{mm} - 2,0\text{mm}$.
    • Bộ lọc ngõ ra: Chọn tụ lọc hóa $C = 680\mu\text{F} - 1000\mu\text{F}$, tính toán cuộn cảm lọc $L$.
Linh kiện chính Mã hiệu / Thông số Vai trò trong mạch
IC dao động PWM DBL 494 Tạo xung điều khiển độ rộng xung ngắt mở
IC ổn áp tuyến tính LM723 Điều khiển ổn định và căn chỉnh dải $0 - 30\text{V}$
FET công suất 2SK790 (2 con) Khối biến đổi Push-Pull công suất chính
Transistor lái xung C945 ($Q_1, Q_2$), A733 ($Q_3, Q_4, Q_5, Q_6$) Khuếch đại thúc và đảo pha điều khiển
Transistor nguồn mồi C2335 ($Q_7$) Tạo nguồn mồi $12\text{V}$ cấp cho IC DBL 494
Diode Zener $27\text{V} / 1\text{A}$ Tạo điện áp chuẩn tham chiếu
Tụ lọc nguồn $3300\mu\text{F}/50\text{V}$, $680\mu\text{F}$, $1000\mu\text{F}$ Lọc phẳng gợn sóng ngõ vào và ngõ ra

Chương VI: Các mạch bảo vệ ổn áp xung

Chương VI khảo sát các yếu tố an toàn của bộ nguồn xung:

  • Vùng làm việc an toàn (SOA): Phân tích các thông số giới hạn: điện áp ngõ vào tối đa ($V_{\text{in max}}$), độ sai biệt điện áp $(V_I - V_O)$, dòng tải cực đại ($I_{\text{Omax}}$), công suất tiêu tán cực đại ($P_{D\text{max}}$) và điện áp đánh thủng transistor ($V_{\text{CE0}}$).
  • Mạch bảo vệ quá dòng (Overcurrent Protection):
    • Mạch dùng điện trở hạn dòng $R_{\text{SC}}$ phối hợp với transistor hoặc IC so sánh ở sơ cấp để ngắt xung khi $V_{R_{\text{SC}}} > V_{\text{ngưỡng}}$.
    • Mạch bảo vệ ngõ ra dùng transistor Darlington và mạch trễ nạp tụ RC ($T = R_2 C$).
    • Mạch bảo vệ dùng biến áp dòng ($T$) có cuộn sơ cấp 1 vòng nhằm phát hiện dòng sự cố và tác động ngắt xung thông qua diode Zener mà không làm tổn hao công suất trên điện trở shunt.
  • Mạch bảo vệ quá áp (Overvoltage Protection):
    • Mạch dùng Diode Zener cảm biến kích cổng điều khiển của SCR, ngắn mạch ngõ ra để bảo vệ tải khi xảy ra quá áp (mạch Crowbar).
    • Mạch sử dụng vi mạch chuyên dụng MC3423 phối hợp cùng SCR để bảo vệ quá áp chính xác, có cơ chế xả tụ nhanh gấp 10 lần thời gian nạp khi hiện tượng quá áp tức thời biến mất.
  • Mạch bảo vệ Transistor chuyển mạch (Snubber Circuit): Mạch dập xung RC mắc song song cực C-E của transistor nhằm hấp thụ năng lượng cảm kháng rò của biến áp trong thời gian tắt ($t_{\text{off}}$), giảm đột biến điện áp và hạ nhiệt độ làm việc của transistor.

Thiết kế và triển khai kỹ thuật

Kiến trúc tổng thể và phối hợp tầng

Hệ thống nguồn ổn áp được xây dựng trên cấu trúc phối hợp hai tầng (Hybrid Converter Topology):

  1. Tầng tiền biến đổi (SMPS Push-Pull): Hạ áp cách ly từ điện áp lưới $220\text{V}{\text{AC}}$ xuống mức một chiều trung gian đối xứng $\pm 35\text{V}{\text{DC}}$ với hiệu suất cao nhờ chuyển mạch FET 2SK790 ở tần số $100\text{kHz}$ điều khiển bởi IC DBL 494.
  2. Tầng điều chỉnh tinh và ổn định đầu ra (Linear Regulator): Sử dụng vi mạch LM723 điều khiển cặp transistor công suất gánh dòng ngõ ra, cho phép triệt tiêu gợn sóng cao tần của bộ nguồn xung, mang lại điện áp đầu ra cực kỳ phẳng và điều chỉnh linh hoạt từ $0\text{V}$ đến $30\text{V}_{\text{DC}}$.

Quy trình khởi động và vận hành mạch

  • Giai đoạn khởi động (Start-up): Khi vừa đóng điện $220\text{V}{\text{AC}}$, điện áp sau cầu nắn đạt xấp xỉ $300\text{V}{\text{DC}}$. Transistor mồi $Q_7$ (C2335) dẫn, hạ áp xuống mức $12\text{V}$ cấp nguồn cho IC DBL 494 hoạt động để phát xung PWM.
  • Giai đoạn duy trì và ổn định: Sau khi IC phát xung, biến áp $T_1$ thúc cặp FET $Q_8, Q_9$ chuyển mạch đẩy kéo trên biến áp $T_2$. Cuộn thứ cấp $T_2$ xuất hiện điện áp $35\text{V}_{\text{DC}}$, mạch đi vào trạng thái làm việc ổn định và cấp tín hiệu phản hồi hồi tiếp.
  • Giai đoạn điều chỉnh và giới hạn dòng: Khối LM723 liên tục so sánh điện áp lấy mẫu ở ngõ ra với nguồn áp chuẩn (Zener $27\text{V}$). Biến trở $P_2$ ($5\text{k}\Omega$) dùng để điều chỉnh mức điện áp từ $0 - 30\text{V}$, biến trở $P_1$ dùng để đặt ngưỡng giới hạn dòng tải $2\text{A}$. Nếu dòng tải vượt quá $2\text{A}$, điện áp rơi trên điện trở shunt $R_S$ ($0,3\Omega$) sẽ kích mở transistor bảo vệ, hạ điện áp kích của LM723 về mức an toàn.

Kết quả và đóng góp

Kết quả đạt được

  • Hoàn thành đầy đủ tính toán lý thuyết và thiết kế sơ đồ nguyên lý bộ nguồn ổn áp đôi có điều khiển từ $0\text{V}$ đến $30\text{V}_{\text{DC}}$, dòng ngõ ra định mức $2\text{A}$.
  • Thiết kế, chế tạo thành công biến áp xung tần số cao $100\text{kHz}$ trên lõi Ferit EE, xác định chính xác số vòng quấn sơ cấp ($45$ vòng), thứ cấp ($7$ vòng) và thông số khe hở không khí chống bão hòa từ trường.
  • Triển khai thành công mạch mồi nguồn $12\text{V}$ cho IC PWM DBL 494 và mạch phân áp đặc biệt cho IC LM723 giúp dải điều chỉnh điện áp hạ được về mức $0\text{V}_{\text{DC}}$.
  • Tích hợp đồng bộ các mạch bảo vệ quá dòng, bảo vệ quá áp (dùng SCR/MC3423) và mạch dập xung bảo vệ linh kiện công suất.

Đóng góp thực tiễn

  • Cung cấp một bộ tài liệu kỹ thuật chi tiết về phương pháp tính toán, thiết kế và thi công nguồn ổn áp xung kết hợp tuyến tính cho sinh viên ngành Điện - Điện tử.
  • Sản phẩm mạch thi công trực tiếp phục vụ nhu cầu trang bị thiết bị thực tập cho các phòng thí nghiệm, xưởng thực hành tại Khoa Điện, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Về thời gian và phạm vi triển khai: Đồ án được thực hiện trong thời gian giới hạn 8 tuần, nguồn tài liệu chuyên sâu và linh kiện chuyên dụng tại thời điểm thực hiện (năm 2001) còn nhiều hạn chế.
  • Về cấu trúc chuyển mạch: Trong quá trình thực hiện đồ án, tác giả đã thử nghiệm thi công mạch biến đổi toàn cầu (Full-Bridge), tuy nhiên do hạn chế về thời gian và độ phức tạp trong việc điều khiển cách ly kích cực B/G đồng thời cho 4 transistor, mạch toàn cầu chưa vận hành thành công. Mạch thi công hoàn chỉnh được hoàn thiện trên cấu trúc Push-Pull kết hợp tầng điều khiển tuyến tính.

Hướng mở rộng

  • Tiếp tục nghiên cứu, xử lý triệt để mạch điều khiển cách ly để hoàn thiện bộ biến đổi toàn cầu (Full-Bridge) nhằm nâng cao công suất bộ nguồn.
  • Nghiên cứu tối ưu hóa hiệu suất bộ nguồn bằng cách tích hợp điều khiển PWM trực tiếp xuống dải $0\text{V}$ mà không cần tầng giảm áp tuyến tính phụ, giúp giảm bớt kích thước tản nhiệt cho transistor công suất ngõ ra.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện, Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Tự động hóa: Tham khảo phương pháp luận thiết kế đồ án tốt nghiệp phần cứng, đặc biệt là quy trình 6 bước tính toán biến áp xung lõi ferit và cách phối hợp giữa tầng băm xung SMPS với tầng ổn áp tuyến tính.
  • Người làm đề tài về nguồn công suất và thiết bị đo: Có thể ứng dụng trực tiếp sơ đồ nguyên lý mạch bảo vệ quá dòng (dùng biến áp dòng hoặc điện trở $R_{\text{SC}}$), mạch bảo vệ quá áp dùng vi mạch MC3423 và cấu trúc mạch hạ áp về $0\text{V}$ dùng IC LM723 cho các bộ nguồn thực tập trong phòng thí nghiệm.

Câu hỏi thường gặp

1. Chỉ tiêu kỹ thuật ngõ vào và ngõ ra của bộ nguồn trong đồ án được xác định như thế nào?

Bộ nguồn được thiết kế hoạt động với điện áp xoay chiều ngõ vào từ $160\text{V}{\text{AC}} - 220\text{V}{\text{AC}}$, điện áp ngõ ra một chiều là dạng nguồn đôi có khả năng điều khiển biến thiên liên tục từ $0\text{V}{\text{DC}}$ đến $30\text{V}{\text{DC}}$, dòng điện tải ngõ ra định mức đạt $2\text{A}$ và có khối hiển thị số LED 7 đoạn.

2. Bộ nguồn giải quyết bài toán điều chỉnh điện áp về tận 0V bằng cách nào khi sử dụng IC LM723?

Thông thường vi mạch ổn áp LM723 chỉ cho phép điều chỉnh điện áp ngõ ra thấp nhất khoảng $2\text{V}$ (hoặc $7\text{V}$ tùy cấu hình). Đồ án đã giải quyết vấn đề này bằng cách thiết lập mạng điện trở phân áp kết nối tại các chân 4 và chân 5 của IC LM723 để duy trì mức điện thế lệch chuẩn cần thiết, kết hợp với điện áp ngõ vào một chiều phân cực, giúp IC cân bằng và điều khiển transistor công suất hạ điện áp ra về mức $0\text{V}$ mà không cần biến áp nguồn phụ có hai cuộn dây thứ cấp phức tạp.

3. Tần số làm việc và các thông số tính toán cốt lõi của biến áp xung trong đồ án là bao nhiêu?

Biến áp xung được tính toán hoạt động ở tần số chuyển mạch $f = 100\text{kHz}$ trên lõi Ferit hình chữ EE có tiết diện hiệu dụng $A_e = 0,96\text{cm}^2$, cảm ứng từ cực đại $B_{\text{max}} = 2000\text{ Gauss}$ ($B_{\text{sat}} = 4000\text{ Gauss}$). Chiều dài khe hở không khí tính được là $l_g = 0,39\text{cm}$. Cuộn sơ cấp quấn $45$ vòng ($N_P = 45$), cuộn thứ cấp quấn $7$ vòng ($N_S = 7$) cho mỗi nhánh $35\text{V}$, đường kính dây đồng quấn chọn từ $1,5\text{mm} - 2,0\text{mm}$.

4. Mạch bảo vệ quá áp trong đồ án sử dụng linh kiện và nguyên lý gì?

Đồ án giới thiệu hai cấu hình bảo vệ quá áp:

  • Cấu hình dùng Diode Zener kết hợp SCR (mạch Crowbar): Khi điện áp ra vượt ngưỡng Zener, Zener dẫn kích dòng vào cực Gate của SCR làm SCR dẫn thông, ngắn mạch ngõ ra để triệt tiêu áp cao bảo vệ tải.
  • Cấu hình dùng vi mạch chuyên dụng MC3423: Tín hiệu quá áp đưa vào IC kích ngõ ra chân 8 làm dẫn SCR ngắt nguồn. Mạch có cơ chế xả tụ lọc $C_1$ nhanh gấp 10 lần thời gian nạp nếu hiện tượng quá áp chỉ mang tính tức thời.

5. Tại sao mạch biến đổi toàn cầu (Full-Bridge) chưa được thi công hoàn chỉnh trong sản phẩm thực tế?

Mặc dù đã hoàn thành phần nghiên cứu lý thuyết cho mạch toàn cầu, nhưng do thời gian làm đồ án chỉ kéo dài 8 tuần và yêu cầu kỹ thuật của mạch toàn cầu phức tạp hơn (cần 4 transistor công suất và mạch cách ly kích cực Base/Gate đối pha nghiêm ngặt), tác giả chưa thể hoàn thiện việc căn chỉnh mạch toàn cầu chạy thực tế. Do đó, mạch thi công cuối cùng được lựa chọn hoạt động ổn định trên cấu trúc đẩy kéo (Push-Pull) dùng cặp FET 2SK790.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Đỗ Hữu Thanh Dũng đã hoàn thành mục tiêu thiết kế và thi công bộ nguồn ổn áp đôi có dải điều chỉnh từ $0\text{V}$ đến $30\text{V}_{\text{DC}}$, dòng tải $2\text{A}$ với hiển thị số. Bằng việc kết hợp hài hòa giữa bộ biến đổi nguồn xung tần số cao $100\text{kHz}$ sử dụng IC DBL 494 và tầng ổn áp tuyến tính dùng IC LM723, bộ nguồn vừa đạt được hiệu suất cao, vừa đảm bảo điện áp ra bằng phẳng và mịn. Toàn bộ tính toán biến áp xung lõi ferit cùng các mạch bảo vệ an toàn quá dòng, quá áp và dập xung đã được trình bày chặt chẽ, tạo thành tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn phục vụ đào tạo tại xưởng thực tập của nhà trường.