Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong sự phát triển của khoa học kỹ thuật, lĩnh vực điện tử đóng vai trò then chốt trong đời sống và sản xuất. Sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật xung và kỹ thuật số đặt ra yêu cầu cấp thiết về các bộ nguồn cung cấp điện năng cho các thiết bị dân dụng, thiết bị chuyên dùng cũng như các hệ thống điều khiển tự động. Các hệ thống này đòi hỏi nguồn điện phải có dải điện áp ngõ vào rộng, độ ổn định cao và hiệu suất chuyển đổi năng lượng tối ưu.

Trước đây, các hệ thống cấp nguồn chủ yếu sử dụng dạng mạch ổn áp tuyến tính (linear regulator). Tuy nhiên, mạch ổn áp tuyến tính bộc lộ những nhược điểm cố hữu:

  • Khoảng điện áp ngõ vào hẹp.
  • Hiệu suất chuyển đổi năng lượng thấp do tổn hao công suất trên phần tử điều khiển (transistor điều chỉnh nối tiếp hoặc song song) rất lớn khi độ chênh lệch giữa điện áp vào và điện áp ra cao.
  • Kích thước cồng kềnh, khối lượng nặng và giá thành sản xuất tương đối cao.

Để khắc phục các hạn chế trên, công nghệ ổn áp xung (Switching Mode Power Supply) đã ra đời và phát triển. Mạch ổn áp xung hoạt động dựa trên nguyên tắc biến điệu độ rộng xung (PWM) với phần tử công suất đóng vai trò như một khóa chuyển mạch (chỉ dẫn bão hòa hoặc ngắt hoàn toàn), giúp giảm thiểu công suất tiêu tán trên phần tử điều khiển, cho phép làm việc ở dải điện áp đầu vào rất rộng, nâng cao hiệu suất, đồng thời giảm kích thước và trọng lượng của toàn bộ hệ thống.

Đồ án tốt nghiệp "Thiết Kế và Thi Công Mạch Ổn Áp Xung" được thực hiện bởi nhóm sinh viên Dương Minh Chánh và Lê Minh Huân (khóa 1991 - 1995), dưới sự hướng dẫn của thầy Lê Việt Phú tại Khoa Điện, Bộ môn Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế kỹ thuật được xác định gồm các chỉ tiêu ban đầu:

  1. Nghiên cứu toàn diện cơ sở lý thuyết về ổn áp tuyến tính và ổn áp xung; khảo sát các cấu trúc biến đổi nguồn xung (Flyback, Forward, Push-pull), mạch lái transistor, mạch lọc và các khâu bảo vệ an toàn.
  2. Tính toán thiết kế và chế tạo thực tế một bộ nguồn ổn áp xung dạng Flyback cách ly sử dụng vi mạch tích hợp chuyên dụng STR 41090.
  3. Các thông số kỹ thuật yêu cầu:
    • Điện áp ngõ vào xoay chiều: $100V_{AC} - 260V_{AC}$ (tần số mạng điện $50 - 60 Hz$).
    • Điện áp ngõ ra một chiều: $115V_{DC}$.
    • Công suất tải ngõ ra: $100W$.
    • Tần số chuyển mạch: $20 kHz$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng trên nền tảng lý thuyết điện tử công suất, từ học và kỹ thuật điều khiển xung:

  • Khung lý thuyết: Nguyên lý ổn định điện áp một chiều thông qua việc biến đổi chu kỳ làm việc (duty cycle $\delta$) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM); lý thuyết mạch từ cao tần trên lõi sắt từ ferit; cơ chế tích trữ và phóng năng lượng cảm ứng điện từ qua cuộn cảm - biến áp cách ly.
  • Phương pháp nghiên cứu:
    • Phương pháp phân tích lý thuyết: Phân tích nguyên lý làm việc của các khâu cơ bản trong hệ thống ổn áp (nguồn chuẩn, mạch lấy mẫu, khuếch đại sai biệt, bộ điều chế xung, khóa chuyển mạch BJT); đánh giá các tham số ảnh hưởng đến độ chính xác như điện áp offset ($V_{io}$), trôi dạt nhiệt độ và tỷ số triệt điện áp cách chung (CMRR).
    • Phương pháp tính toán giải tích: Ứng dụng các công thức giải tích chuyên ngành để tính toán mạch từ (mật độ từ thông $B_{max}$, công suất lõi $P_{out}$, kích thước khe hở không khí $l_g$, số vòng dây sơ cấp/thứ cấp $N_p, N_s$, đường kính dây quấn $d$) và các tham số mạch điện (dòng điện đỉnh $I_{pp}$, điện cảm sơ cấp $L_p$, tụ lọc ngõ vào/ngõ ra $C_{in}, C_{out}$).
    • Phương pháp thực nghiệm - thi công: Gia công mạch từ biến áp xung ferit dạng E-E, quấn dây đúng kỹ thuật cách điện, thiết kế mạch in (PCB), lắp ráp linh kiện bán dẫn (IC STR 41090, diode chỉnh lưu, tụ lọc, điện trở mẫu) và đo đạc thông số thực tế.
  • Nguồn dữ liệu: Các tài liệu chuyên khảo quốc tế về nguồn xung chuyển mạch cao tần (High-Frequency Switching Power Supplies - McGraw-Hill), sổ tay kỹ thuật vi mạch (Encyclopedia of Integrated Circuits - Prentice Hall, The ARRL Handbook for Radio Amateurs), tài liệu Ứng dụng IC ổn áp tuyến tính của tác giả Hồ Trung Mỹ và các bảng tra cứu thông số vật liệu ferit từ nhà sản xuất.

Nội dung chính theo từng chương

Bố cục của đồ án được chia thành hai phần rõ rệt: Phần A (Lý thuyết) gồm 7 chương và Phần B (Thi công) gồm 2 chương.

Phần A - Chương I: Khái niệm chung về ổn áp

Chương này tổng kết lý thuyết cơ bản về mạch ổn áp một chiều. Một bộ ổn áp tiêu chuẩn gồm 4 khối chức năng:

  1. Phần tử chuẩn: Cung cấp điện áp tham chiếu $V_{REF}$ ổn định đối với sự thay đổi của nguồn và nhiệt độ. Phân tích hai kỹ thuật chính: chuẩn dùng diode Zener ($V_{REF} = V_Z$) và chuẩn dải cấm (Bandgap Reference) cho mức điện áp chuẩn thấp ($V_{REF} \approx 1,2V$) có độ ổn định nhiệt cao.
  2. Phần tử lấy mẫu: Sử dụng cầu phân áp điện trở ($R_1/R_2$) để lấy một phần điện áp ra đưa về mạch so sánh.
  3. Bộ khuếch đại sai biệt: So sánh điện áp lấy mẫu với $V_{REF}$ để lái phần tử điều khiển. Khảo sát các nguyên nhân gây sai số gồm điện áp offset ($V_{io}$), sự trôi offset theo nhiệt độ và tỷ số triệt cách chung (CMRR = $A_D / A_{cm}$). Sai số điện áp ngõ ra được mô hình hóa theo công thức: $$V_o \approx (V_{REF} \pm V_{io} + \frac{V_{cm}}{\text{CMRR}})\left(1 + \frac{R_1}{R_2}\right)$$
  4. Phần tử điều khiển và các kiểu ổn áp:
    • Ổn áp nối tiếp: Phần tử điều khiển mắc nối tiếp với tải ($V_o = V_i - I_L R_s$), đơn giản nhưng tổn hao lớn ở dòng tải cao.
    • Ổn áp song song: Phần tử điều khiển mắc song song tải ($V_o = V_i - I_s R_s$), ít nhạy với biến đổi tải tức thời, chịu được ngắn mạch nhưng hiệu suất thấp.
    • Ổn áp xung: Dùng khóa chuyển mạch đóng/ngắt có chu kỳ làm việc thay đổi ($V_o = V_i \frac{t_{on}}{t_{on} + t_{off}}$), công suất tiêu tán trên phần tử điều khiển rất nhỏ, mang lại hiệu suất vượt trội.

Phần A - Chương II: Ổn áp xung

Trình bày cấu trúc toàn diện của nguồn chuyển mạch ngắt quãng:

  • Khối ngõ vào: Kỹ thuật chỉnh lưu nhân đôi điện áp cho phép làm việc ở cả hai dải điện áp $115V_{AC}$ và $230V_{AC}$ để tạo ra điện áp một chiều $320V_{DC}$. Tiêu chuẩn chọn diode cầu (chịu áp ngược $\ge 600V$, dòng định mức gấp đôi dòng làm việc). Mạch bảo vệ dòng khởi động (dùng triac hoặc thermistor hệ số nhiệt âm NTC) và mạch triệt xung áp đột biến tức thời bằng biến trở kim loại oxit (MOV - Metal Oxide Varistor).
  • Các topo biến đổi nguồn:
    • Flyback cách ly (Buck-Boost): Sử dụng biến áp - cuộn cảm, năng lượng tích trữ trong cuộn sơ cấp khi transistor dẫn và phóng qua cuộn thứ cấp sang tải khi transistor ngắt. Phân tích biến thể Flyback 2 transistor để giảm áp chịu đựng của khóa chuyển mạch.
    • Forward cách ly (Buck): Truyền năng lượng trực tiếp sang ngõ ra khi transistor dẫn, có thêm cuộn khử từ và cuộn cảm lọc ngõ ra.
    • Push-pull (Buck-derived): Gồm hai mạch forward làm việc đối pha, truyền công suất trên cả hai nửa chu kỳ, yêu cầu tính toán tụ nối tiếp không phân cực để ngăn dòng bão hòa lõi.

Phần A - Chương III: Biến áp công suất cao tần

Khảo sát các nguyên lý tính toán biến áp làm việc ở dải tần số cao ($20 kHz - 1 MHz$):

  • Công thức tính từ thông cực đại: $$B_{max} = \frac{V_p \cdot 10^8}{K \cdot f \cdot N_p \cdot A_e}$$ (Trong đó $K=4$ với mạch Push-pull, $K=2$ với mạch Forward).
  • Đánh giá vật liệu từ ferit: tổn hao thấp ở tần số cao, mật độ từ thông bão hòa $B_{sat} \approx 3000 - 5000G$, nhiệt độ Curie giới hạn khoảng $200^\circ C$.
  • Trình bày chi tiết quy trình 7 bước thiết kế biến áp cho mạch biến đổi Flyback: xác định chế độ truyền năng lượng hoàn toàn, tính dòng sơ cấp đỉnh ($I_{pp}$), dải chu kỳ làm việc ($\delta_{min} - \delta_{max}$), điện cảm cuộn sơ cấp ($L_p$), kích thước khe hở không khí ($l_g$), số vòng dây cuộn sơ cấp ($N_p$) và số vòng dây cuộn thứ cấp ($N_s$).

Phần A - Chương IV: Transistor trong thiết kế bộ phận biến đổi

Phân tích chi tiết đặc tính làm việc của BJT công suất ở chế độ khóa:

  • Quá trình chuyển mạch trên tải cảm và tải trở, phân tích các khoảng thời gian: trễ ($t_d$), tăng ($t_r$), trữ ($t_s$), rơi ($t_f$).
  • Các mạch chống bão hòa nhằm triệt tiêu thời gian trữ $t_s$: mạch diode ghim Baker clamp (duy trì điện áp cực C luôn dương hơn cực B) và cấu hình Darlington.
  • Các kỹ thuật kích cực B: mạch kích dòng không đổi (dùng xung áp âm nạp trên tụ để ngắt nhanh BJT), mạch kích cực B cân xứng (tự động điều chỉnh dòng kích theo dòng tải qua tỷ số biến áp dòng) và mạch kích cân xứng luân phiên.
  • Thiết kế mạch dập xung bảo vệ (snubber R-C-D) mắc song song transistor để hấp thụ năng lượng chuyển mạch lúc ngắt.

Phần A - Chương V: Ngõ ra: Diode nắn, cuộn cảm và tụ điện

  • Diode chỉnh lưu ngõ ra: Khảo sát yêu cầu thời gian hồi phục ngược ($t_{rr}$) cực ngắn. So sánh diode phục hồi nhanh (Fast/Ultra-fast recovery, sụt áp $0,8 - 1,2V$, chịu nhiệt $175^\circ C$) và diode Schottky (sụt áp thấp $\approx 0,5V$, không có tích trữ điện tích nhưng chịu điện áp ngược thấp).
  • Cuộn cảm và tụ lọc: Tính toán điện cảm lọc ngõ ra để duy trì dòng liên tục, lựa chọn vật liệu lõi bột sắt, lõi MPP (Molypermalloy) hoặc ferit; lựa chọn tụ điện có nội trở tương đương (ESR) thấp.
  • Bộ khuếch đại từ (MagAmp): Nguyên lý điều chỉnh điện áp ngõ ra phụ bằng cách điều khiển thời điểm bão hòa của lõi từ bão hòa vuông góc, làm trễ sườn trước của xung điện áp.

Phần A - Chương VI: Các mạch điều khiển ổn áp dạng xung

  • Nghiên cứu các kỹ thuật cách ly tín hiệu hồi tiếp giữa ngõ vào và ngõ ra bằng biến áp xung hoặc optocoupler.
  • Mạch phát xung PWM dùng linh kiện rời kết hợp IC định thời 555 và mạch vi phân.
  • Phân tích chi tiết vi mạch điều khiển PWM chuyên dụng TL494: mạch tạo dao động sóng răng cưa nội ($f_{osc} = 1,1 / (R_T C_T)$), mạch khuếch đại sai biệt kép, mạch so sánh thời gian chết (Dead-Time Control qua chân 4) và tầng lái công suất push-pull/đơn cực.

Phần A - Chương VII: Các mạch bảo vệ ổn áp xung

  • Xác định vùng làm việc an toàn (SOA - Safe Operating Area).
  • Các phương pháp bảo vệ quá dòng/ngắn mạch: mạch cảm biến điện trở $R_{sc}$ ở sơ cấp, mạch bảo vệ dùng BJT Darlington ở thứ cấp và mạch bảo vệ cách ly dùng biến dòng ($T_1$).
  • Các mạch bảo vệ quá áp/thiếu áp: mạch dùng diode Zener kích dòng cổng SCR để ngắn mạch ngõ ra khi có sự cố; khảo sát hai vi mạch tích hợp giám sát nguồn chuyên dụng là MC3423 và MC3425 (có khả năng lập trình trễ thời gian và phát hiện đồng thời quá áp, thiếu áp, mất nguồn).

Phần B - Chương I: Ổn áp xung 115 Volts

Khảo sát cấu trúc và nguyên lý làm việc của mạch thực nghiệm sử dụng IC STR 41090:

  • Sơ đồ khối IC STR 41090: Vi mạch 5 chân tích hợp sẵn transistor công suất BJT, transistor điều khiển và mạch khuếch đại sai biệt.
    • Chân 1: Chân lấy nguồn cung cấp cho IC hoạt động.
    • Chân 2: Chân phân cực cho phần tử công suất.
    • Chân 3: Ngõ ra tín hiệu xung điều khiển khóa chuyển mạch.
    • Chân 4: Chân điện áp hồi tiếp một chiều đưa vào bộ khuếch đại sai biệt.
    • Chân 5: Chân nối mass (GND) của IC.
  • Nguyên lý hoạt động toàn mạch: Điện áp xoay chiều qua cầu diode và tụ lọc $C_1$ tạo ra điện áp $V_{dc1}$. Điện áp này cấp vào cuộn sơ cấp $n_1$ đến cực C của transistor công suất $Q_2$. Dòng mồi ban đầu qua $R_1$ kích $Q_2$ dẫn. Quá trình dẫn làm phát sinh điện áp cảm ứng trên cuộn tự kích $n_2$ nạp cho tụ $C_2$, thúc đẩy $Q_2$ bão hòa nhanh chóng. Khi dòng nạp giảm, $Q_2$ thoát khỏi bão hòa và ngắt dứt khoát. Năng lượng tích lũy được truyền sang cuộn thứ cấp. Cuộn hồi tiếp $n_3$ qua diode $D_3$ nắn thành áp mẫu đưa về chân 4 so sánh với áp chuẩn Zener, từ đó tự động biến điệu thời gian xả của tụ $C_2$ để duy trì ổn định điện áp ngõ ra $115V$.

Phần B - Chương II: Tính toán mạch ổn áp xung

Trình bày toàn bộ hệ thống số liệu tính toán chi tiết cho mô hình mạch thi công thực tế theo các thông số thiết kế đặt ra.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu hình mạch biến đổi xung Flyback tự dao động sử dụng vi mạch công suất STR 41090. Toàn bộ các tham số vật lý của biến áp cao tần và linh kiện mạch điện được tính toán chính xác như sau:

Bảng tổng hợp thông số tính toán và lựa chọn linh kiện

Hạng mục / Thông số Công thức áp dụng Giá trị tính toán Giá trị thiết kế / Lựa chọn
Điện áp ngõ vào xoay chiều Định mức yêu cầu $100V_{AC} - 260V_{AC}$ $100V_{AC} - 260V_{AC}$
Điện áp DC sơ cấp cực tiểu ($V_{i,min}$) $V_{i,min} = 100 \times 1,4 - 20V_{\text{gợn}}$ (sai số $\approx 7%$) $120V - 128V_{DC}$ $128V_{DC}$
Điện áp DC sơ cấp cực đại ($V_{i,max}$) $V_{i,max} = 260 \times 1,4 + 32V_{\text{gợn}}$ $396V_{DC}$ $396V_{DC}$
Hệ số làm việc ($\delta$) $\delta_{max} = 0,7$; $\delta_{min} = \frac{\delta_{max}}{(1-\delta_{max})K + \delta_{max}}$ ($K=396/128$) $\delta_{min} = 0,37$ $0,37 \le \delta \le 0,70$
Dòng điện đỉnh cuộn sơ cấp ($I_{pp}$) $I_{pp} = \frac{2 P_{out}}{V_{i,min} \delta_{max}}$ ($P_{out}=100W$) $2,4A$ $2,4A$
Điện cảm cuộn sơ cấp ($L_p$) $L_p = \frac{V_{i,min} \delta_{max}}{I_{pp} f}$ ($f=20 kHz$) $1,867 \times 10^{-3} H$ $1,9 mH$ ($1900 \mu H$)
Vật liệu và kiểu lõi từ biến áp Lõi ferit dạng E-E ($B_{sat} = 3000G, H=0,5 Oe$) $B_{max} = 1500G$ Ferit E-E ($B_{max}=1500G$)
Thể tích hiệu dụng lõi ($V_e$) $V_e = \frac{0,4 \pi L_p I_{pp}^2 \cdot 10^8}{B_{max} H}$ $18,33 cm^3$ Lõi E-E thỏa mãn $V_e \ge 18,33 cm^3$
Diện tích hiệu dụng lõi ($A_e$) Tra bảng kích thước lõi nhà sản xuất $0,85 cm^2$ $A_e = 0,85 cm^2$
Chiều dài khe hở không khí ($l_g$) $l_g = \frac{0,4 \pi L_p I_{pp}^2 \cdot 10^8}{A_e B_{max}^2}$ $0,07 cm$ $0,07 cm$ ($0,7 mm$)
Số vòng dây cuộn sơ cấp ($N_p$) $N_p = \frac{V_{i,min} \cdot 10^8}{4 f B_{max} A_e}$ $125,49$ vòng $125$ vòng
Số vòng dây cuộn thứ cấp ($N_s$) $N_s = N_p \frac{(V_o + V_D)(1 - \delta_{max})}{V_{i,min} \delta_{max}}$ $48,01$ vòng $48$ vòng (tỷ số $0,4$ vòng/V)
Dòng tải ngõ ra ($I_L$) $I_L = P_{out} / V_o$ ($100W / 115V$) $0,86A$ $0,86A$
Dòng thứ cấp biến áp ($I_s$) $I_s = \frac{V_p I_p}{V_s} = \frac{128 \times 2,4}{115}$ $2,67A$ $2,7A$
Đường kính dây quấn ($d$) $d = 1,13 \sqrt{I / J}$ ($J = 8,3 A/mm^2$) $0,36 mm$ Cỡ dây $\phi 0,40 mm$
Công suất chịu đựng của lõi ($P_L$) $P_L = \frac{1,47 B_{max} f A_e A_c \cdot 10^{-7}}{D}$ $121,8W$ Đảm bảo $P_L > 100W$
Tụ lọc ngõ ra ($C_{out}$) $C = \frac{(I_{pv} - \Delta I_L)^2 t_{on} V_i}{V_r \cdot 2 I_{pv} V_o}$ ($V_r = 100mV$) $401 \mu F - 851 \mu F$ Tụ hóa $1000 \mu F / 180V$
Khối điều khiển và chuyển mạch Vi mạch lai công suất tích hợp STR 41090 STR 41090

Quy trình triển khai phần cứng

  1. Gia công biến áp xung: Sử dụng cặp lõi ferit E-E, mài tạo khe hở không khí $l_g = 0,7 mm$ ở trụ giữa để tránh bão hòa từ trường; quấn cuộn sơ cấp $N_p = 125$ vòng (dây $\phi 0,40 mm$), cuộn thứ cấp $N_s = 48$ vòng, các cuộn phụ $n_2, n_3$ bảo đảm lớp cách điện chịu áp cao.
  2. Lắp ráp mạch in: Bố trí các phần tử lọc ngõ vào, cầu diode nắn điện, IC STR 41090 gắn trên phiến tản nhiệt nhôm tiêu chuẩn, mạch lọc ngõ ra với tụ $1000 \mu F / 180V$ và diode chỉnh lưu phục hồi nhanh.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Đồ án đã tính toán và thi công hoàn chỉnh phần cứng mạch nguồn ổn áp xung Flyback hoạt động ổn định ở tần số $20 kHz$.
  • Bộ nguồn đáp ứng đầy đủ các chỉ tiêu kỹ thuật đề ra:
    • Hoạt động tin cậy trong toàn bộ dải điện áp vào $100V_{AC} - 260V_{AC}$.
    • Điện áp đầu ra duy trì ổn định ở mức $115V_{DC}$.
    • Cung cấp công suất tải định mức $100W$ với độ gợn sóng điện áp đầu ra nhỏ hơn $100mV$.

Đóng góp của đề tài

  • Hệ thống hóa một cách khoa học và chi tiết toàn bộ lý thuyết về công nghệ ổn áp xung, từ các cấu trúc topo cơ bản (Flyback, Forward, Push-pull), đặc tính chuyển mạch BJT, các giải pháp mạch kích cực B, mạch bảo vệ đến các IC điều khiển PWM hiện đại (TL494, MC3423, MC3425).
  • Xây dựng thành công quy trình tính toán thiết kế máy biến áp xung cao tần lõi ferit có khe hở không khí hoàn chỉnh, có thể áp dụng làm tài liệu hướng dẫn thực hành kỹ thuật.
  • Ứng dụng thành công vi mạch tích hợp lai STR 41090 giúp tối giản số lượng linh kiện rời bên ngoài, nâng cao độ bền cơ học và độ tin cậy của bộ nguồn trong điều kiện công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Nguồn tài liệu tham khảo trong nước tại thời điểm thực hiện (năm 1995) còn nhiều hạn chế.
    • Mạch sử dụng khóa chuyển mạch là transistor lưỡng cực (BJT) tích hợp bên trong IC STR 41090 nên tần số làm việc bị giới hạn ở mức $20 kHz$, chưa phát huy tối đa ưu thế về việc thu nhỏ kích thước mạch từ như khi dùng các linh kiện đóng cắt tốc độ cao.
    • Chưa mở rộng khảo sát các giải pháp lọc nhiễu điện từ (EMI) dẫn và bức xạ sinh ra từ quá trình đóng cắt xung vuông.
  • Hướng phát triển:
    • Nghiên cứu ứng dụng các loại linh kiện công suất thế hệ mới (Power MOSFET, IGBT) để nâng cao tần số chuyển mạch lên dải $100 kHz - 500 kHz$, giúp giảm kích thước lõi biến áp và tụ lọc.
    • Thiết kế các bộ nguồn xung đa ngõ ra cung cấp đồng thời nhiều mức điện áp cách ly ($+5V, \pm 12V, +24V$) phục vụ cho các hệ thống máy tính và thiết bị điều khiển tự động.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tư liệu học thuật và kỹ thuật thực hành hữu ích đối với:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Điện tử - Viễn thông, Tự động hóa khi thực hiện đồ án môn học Điện tử công suất, Thiết kế nguồn cung cấp (SMPS) hoặc đồ án tốt nghiệp đại học.
  • Kỹ sư thiết kế phần cứng tham khảo phương pháp tính toán biến áp xung lõi ferit E-E có khe hở không khí (Chương III Phần A và Chương II Phần B).
  • Kỹ thuật viên bảo trì thiết bị điện tử dân dụng (đặc biệt là khối nguồn tivi, màn hình CRT, thiết bị viễn thông sử dụng dòng IC nguồn STR).

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao trong bộ biến đổi Flyback, biến áp cao tần bắt buộc phải có khe hở không khí (air gap)?
Trong mạch Flyback, biến áp thực chất đóng vai trò là một cuộn cảm tích trữ năng lượng. Năng lượng tích lũy trong lõi từ tỷ lệ thuận với thể tích khe hở không khí ($l_g$). Việc tạo khe hở không khí giúp tăng từ trở của mạch từ, ngăn hiện tượng bão hòa từ trường khi có thành phần dòng điện một chiều chạy qua cuộn sơ cấp, cho phép biến áp tích lũy năng lượng lớn hơn trước khi truyền sang thứ cấp.

2. Công thức và giá trị cụ thể của khe hở không khí trong đồ án là bao nhiêu?
Khe hở không khí được tính theo công thức: $$l_g = \frac{0,4 \pi L_p I_{pp}^2 \cdot 10^8}{A_e B_{max}^2}$$ Với các giá trị tính được $L_p = 1,9mH$, $I_{pp} = 2,4A$, $A_e = 0,85cm^2$, $B_{max} = 1500G$, kết quả tính ra $l_g = 0,07 cm$ ($0,7 mm$).

3. IC STR 41090 đảm nhận những chức năng gì trong mạch nguồn thi công?
STR 41090 là vi mạch tích hợp lai (hybrid IC) 5 chân, đảm nhận đồng thời các nhiệm vụ: làm phần tử chuyển mạch công suất chính (transistor $Q_2$), phối hợp với cuộn dây tự kích $n_2$ và tụ $C_2$ để tạo dao động ngắt mở, và nhận điện áp hồi tiếp mẫu từ chân 4 so sánh với điện áp chuẩn nội để tự động điều chỉnh thời gian ngắt dẫn (PWM), qua đó giữ ổn định điện áp ra $115V_{DC}$.

4. Dải chu kỳ làm việc ($\delta$) của mạch chuyển mạch được tính toán trong khoảng nào?
Dựa trên tỷ số biến đổi giữa điện áp vào cực đại ($V_{i,max} = 396V$) và cực tiểu ($V_{i,min} = 128V$), với $\delta_{max} = 0,7$, hệ số làm việc nhỏ nhất được xác định là $\delta_{min} = 0,37$. Do đó, hệ số làm việc biến thiên trong khoảng $0,37 \le \delta \le 0,70$.

5. Vì sao diode nắn ngõ ra của nguồn xung không thể dùng loại tiếp giáp P-N thông thường?
Diode tiếp giáp P-N thông thường có thời gian hồi phục ngược ($t_{rr}$) lớn và tổn hao đóng cắt cao, sẽ bị quá nhiệt và gây sụt giảm mạnh hiệu suất ở tần số $20 kHz$. Do đó, mạch nguồn xung bắt buộc phải sử dụng các loại diode phục hồi nhanh (Fast/Ultra-fast recovery) hoặc diode Schottky có $t_{rr}$ rất nhỏ (cỡ nano giây) để giảm xung nhọn điện áp và hạn chế tiêu tán công suất.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết Kế và Thi Công Mạch Ổn Áp Xung" của hai tác giả Dương Minh Chánh và Lê Minh Huân đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu nghiên cứu từ cơ sở lý thuyết đến chế tạo thực nghiệm. Nhóm tác giả đã hệ thống hóa sâu sắc các nguyên lý điện tử công suất cao tần, thiết lập quy trình tính toán mạch từ biến áp xung có độ chính xác cao và thi công thành công phần cứng nguồn xung $115V_{DC} / 100W$ dùng vi mạch STR 41090 hoạt động ổn định trên dải điện áp $100V_{AC} - 260V_{AC}$. Công trình là tài liệu tham khảo kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao cho sinh viên và cán bộ kỹ thuật trong lĩnh vực thiết kế bộ nguồn chuyển mạch.