Nguồn Switching hoạt động dựa trên nguyên lý cơ bản dưới đây:
Hình bên dưới đây mô tả một nguyên lý cơ bản của tất cả các loại Nguồn dòng Nối tiếp nói chung: Điều kiện để mạch nguồn nói trên có hiệu lực thì điện áp vào Vin phải luôn lớn hơn Vout cần phải cấp cho tải vì khi đó để khối nguồn có thể hoạt động được thì ít nhất phải có một lượng điện áp sụt trên nó và tổng điện áp được xác định gần đúng theo hệ thức dưới đây:
Vin = Vout + VS
Trong đó: Vin là điện áp vào, Vout là điện áp mà tải yêu cầu và Vs là điện áp sụt trên khối nguồn.
Điều đó có nghĩa rằng trên phương diện ổn định điện áp dù là đối với Nguồn Tuyến tính hay là Nguồn Switching thì nhiệm vụ của Hệ thống nguồn là phải gánh bớt điện áp dư giữa điện áp vào và điện áp ra sao cho điện áp ra giữ nguyên hay nói cách khác là điện áp vào lớn hơn điện áp ra cho tải bao nhiêu thì khối nguồn phải làm giảm sự chênh lệch đó bấy nhiêu.
Để làm giảm lượng điện áp dư của đầu vào so với điện áp cho tải, có thể dùng ‘thuần trở’ như kiểu Nguồn Tuyến tính hoặc có thể dùng các kiểu phức kháng hoặc Cảm kháng hoặc Dung kháng.
Đối với mạch Nguồn Tuyến tính thực chất đã áp dụng Phức kháng của các Linh kiện Công suất bán dẫn để làm sụt điện áp vào bảo cho điện áp ra không đổi, với phương pháp này thường gây nóng Công suất Nguồn và làm giảm Hiệu suất của Hệ thống Nuồn
Đối với Nguồn Switching, người ta áp dụng Cảm kháng để làm sụt bớt điện áp vào cũng tuân theo Hệ thức cơ bản dưới đây:
Tổng kháng của toàn mạch điện được xác định gần dúng là:
Z ≈ ZL1 + (ZC//ZRL) = ZL + Zout
Trong đó: ZL1 là Cảm kháng của Cuộn dây L1, ZC//ZRL = Zout là Trở kháng hợp thành của Tụ lọc Nguồn C1 với tải RL.
Từ đó, điện áp ra trên tải sẽ được xác định gần đúng là:
Vout ≈ Vin – VZL1
Chú ý: Đối với lý thuyết dòng xoay chiều, hệ thức trên còn phụ thuộc vào Cosφ của các phần tử trong mạch. Hệ thức trên chỉ là rút gọn để đơn giản cho sự mô tả nhằm tránh dài dòng về lý thuyết không cần thiết.
Tức là điện áp ra bằng hiệu của điện áp vào với điện áp sụt trên Cuộn dây L1, vì vậy chỉ cần tạo ra sự thay đổi Trở kháng của Cuộn dây L1 thì có thể làm thay đổi hoặc giữ ổn định được điện áp ra theo yêu cầu:
Theo Lý thuyết Điện – Từ thì Cảm kháng không có tác dụng đối với dòng điện một chiều mà Cảm kháng của một Cuộn dây bất kỳ chỉ có tác dụng đối với những dòng điện xoay chiều hoặc các dòng điện xung (dòng điện một chiều bị ngắt mở không liên tục) sao cho thể được xác định như dưới đây:
ZL1 = 2πfL1
Trong đó, f là tần số của dòng xoay chiều hay của các xung điện một chiều.
Vì vậy, để có thể tạo ra sự sụt áp của điện áp vào trên Cuộn L1 nhằm làm giảm điện áp vào và cũng là để giữ cho điện áp ra được ổn định (vì điện áp ra luôn nhỏ hơn điện áp vào) thì cần phải biến điện áp vào thành dòng điện ngắt mở liên tục thì mới có thể tạo ra sụt áp trên Cuộn L1 theo hệ thức gần đúng dưới đây:
Vs ≈ IZL1
Trong đó: Vs là điện áp sụt trên Cuộn L1, I là Cường độ dòng điện cần cấp cho tải và ZL1 là trở kháng của Cuộn L1 như đã được xác định trên.
Ø Làm phẳng điện áp ra
Theo trên, điện áp ra sẽ bị ‘băm’ thành một chuỗi của các xung điện liên tục nhau như hình bên.
Tuy nhiên, nhờ có sự phóng – nạp của Tụ lọc Nguồn C1 mà điện áp ra trên tải sẽ được làm đều (san phẳng) tốt hơn sau các chu kỳ ngắt mở của điện áp vào.
Hình dưới đây mô tả tác dụng san phẳng của Tụ lọc Nguồn C1 được đấu song song với tải.
Nếu Tụ lọc C1 có Điện dung càng lớn thì điện áp ra cho tải RL sẽ càng bằng phẳng. Trị số tối thiểu của C1 được xác định bởi hệ thức gần đúng dưới đây:
Q = U.C = I.t
Trong đó: Q là điện tích được tích vào tụ phụ thuộc vào điện áp U (U = URL của tải cần sử dụng) đặt lên tụ và điện dung C của Tụ C1 hoặc bằng tích số của Cường độ dòng điện nạp vào tụ với thời gian nạp t.
Dễ dàng suy ra rằng, để điện áp ra càng bằng phẳng thì Tụ lọc Nguồn C1 phải có giá trị được xác định tối thiểu như dưới đây:
C ≥ I(Ton + Toff)/U
Trong đó: I là Cường độ dòng tải yêu cầu, Ton + Toff = τ là Chu kỳ xung của dòng điện ngắt mở.
Các phương án Switching
Các phương án Switching
rên cơ sở lý thuyết đã được nêu trên, có ít nhất 3 phương án để tạo ra một Hệ thống Nguồn Switching bằng cách:
Thay đổi Tần số Switching;
Thay đổi số lượng xung liên tục;
Thay đổi độ rộng xung (Điều chế Độ rộng Xung)
Trong phạm vi giới thiệu của Giáo trình này chỉ quan tâm đến phương án Điều chế Độ rộng Xung(Pulse Width Modulation – PWM) như được mô tả ở mô hình bên đây: Với Tần số ngắt mở (Switching) không đổi là f = 50KHz và cùng một điện áp vào không đổi là 10V nhưng với bề rộng (Độ rộng) của Xung càng hẹp thì điện áp ra trung bình càng thấp. Ngược lại. nếu Xung càng rộng thì điện áp ra trung bình càng cao.
Ảnh hưởng của Cuộn chặn L1
Để có thể hiểu rõ hơn vai trò của các linh kiện cơ bản và cần thiết phải có trong một Hệ thống Nguồn Switching, cần phải nghiên cứu thêm những tính chất Vật lý của nó như dưới đây:
Khi Chuyển mạch đóng (Ton)
Khi Hệ thống Nguồn Switching đóng mạch cho dòng điện chạy vào tải thì đồng thời nó sẽ nạp vào Tụ lọc Nguồn C1 và được chặn một phần điện áp bởi Cuộn chặn L1nhằm hạn chế mức tối đa của điện áp ra không được vượt quá giá trị yêu cầu của tải.
Lúc này một đầu của Cuộn chặn L1 ở phía đầu vào được nối trực tiếp với điện áp vào nên đầu này có dấu dương và đầu kia của Cuộn chặn L1 sẽ là âm và cung cấp điện áp dương cho tải cũng như cho Tụ lọc Nguồn C1.
Và lúc này diode D1 bị phân cực ngược nên D1 không có tác dụng gì đối với trường hợp khi Chuyển mạch đóng cho dòng điện chạy qua mạch.
Khi Chuyển mạch ngắt (Toff)
Sau khi Chuyển mạch đóng mạch cho dòng điện chạy qua mạch và sau đó chuyển sáng chế độ ngắt thì lúc này theo Nguyên lý Điện – Từ, trên Cuộn chặn L1 sẽ xuất hiện một Suất Điện động cảm ứng theo chiều ngược lại để chống lại sự biến thiên đột ngột vì bị mất dòng điện qua mạch, do vậy:
Suất Điện động Cảm ứng này sẽ làm đảo chiều dòng điện sinh ra trên Cuộn chặn L1(ngược lại so với lúc Chuyển mạch cho dòng điện đi qua mạch) tức là lúc này đầu của Cuộn chặn L1 nối với Tụ lọc Nguồn C1 và tải RL sẽ sinh ra dấu dương và đầu kia sẽ sinh ra dấu âm. Vì Suất Điện động Cảm ứng này có chiều ngược lại so với chiều của dòng điện khi S1 đóng mạch cho dòng điện chạy qua nên còn được gọi là Xung ngược.
Theo Lý thuyết Điện – Từ, người ta tính được rằng Suất Điện động Cảm ứng ngược(Xung ngược) xuất hiện khi dòng điện qua mạch do Chuyển mạch S1 bị ngắt đột ngột sẽ lớn gấp 5 đến 10 lần hoặc thậm chí lớn hơn nữa so với điện áp của Nguồn cung cấp nên nó có thể phá hủy S1 (nếu S1là một Linh kiện Bán dẫn sẽ có nguy cơ bị phá hỏng).
Vì vậy, cần phải triệt tiêu Suất Điện động Cảm ứng (Xung ngược) này bằng cách sử dụng diode D1 để làm ngắn mạch dòng điện Xung ngược, theo hình trên ta thấy rằng khi Xung ngược xuất hiện thì cực âm của Xung ngược do Cuộn chặn L1 tạo ra sẽ phân cực theo đúng chiều thuận của diode D1 nên toàn bộ dòng điện của Xung ngược này sẽ thoát qua diode D1 và nạp vào Tụ lọc Nguồn cũng như cho tải Rl theo đúng chiều thuận cho tải RL và Tụ lọc Nguồn C1.
Giá trị của Cuộn chặn L1
Cuộn L1 trên thực tế thường được tự cuốn bởi 42 vòng trên lõi ferrit hình xuyến như được mô tả bên đây.
Đường kính của cuộn dây được xác định tuỳ thuộc vào cường độ dòng điện tải yêu cầu theo hệ thức dưới đây:
d ≈ 0,6.I1/2
Tức là đường kính d của cuộn dây được xác định tỷ lệ theo căn bậc 2 của Cường độ dòng điện tải yêu cầu như mô ta trên đây.
Chú ý 1: Số vòng dây (42 vòng) của Cuộn L1 nói trên không phụ thuộc vào kích thước của lõi ferrit hình xuyến và cũng không phụ thuộc vào Cường độ dòng điện của tải.
Điều quan trọng là kích thước của lõi ferrit hình xuyến của Cuộn L1 được yêu cầu tuỳ thuộc vào Cường độ dòng điện tải sao cho nếu I càng lớn thì kích thước của lõi ferrit hinh xuyến càng lớn.
Chú ý 2: Tùy thuộc vào từng loại Linh kiện nguồn Switching, Tần số Chuyển mạch của Nguồn Switching có thể thay đổi trong phạm vi từ 40kHz đến 550kHz nhưng số vòng của Cuộn chặn L1 trên thực tế vẫn không thay đổi.
Tác giả bài viết: Dr Trần Phúc Ánh
0 comments:
Post a Comment