Bộ chuyển đổi điện DC/AC Inverter.

Chúng ta biết có nhiều thiết bị điện chỉ hoạt động với nguồn điện AC, dạng Sin, ở mức volt công nghiệp 110V hay 220V, tần số 50Hz. Tuy nhiên không phải ở đâu chúng ta cũng có nguồn điện dạng này để sử dụng, do đó khi gặp trường hợp không có nguồn điện AC như ý, chúng ta có thể dùng nguồn điện ắc-qui 12V hay 24V DC và dùng mạch đảo điện (DC/AC Inverter) để chuyển đổi dạng nguồn từ 12V DC ra mức áp AC 110V, tần số 50Hz. Loại đề tài này có rất nhiều trên mạng, sau rất nhiều lần tìm kiếm và tham khảo tôi ghi nhận mạch điện sau đây có tính khả thi cao và đã được nhiều Bạn làm thực hành, kiểm chứng, ở đây tôi viết lại và mong nó có ích với Bạn.

Bạn có thể tham khảo thêm ở địa chỉ trang Web:

http://www.piclist.com/images/www/hobby_elec/e_ckt30.htm

Phần trình bày sẽ theo bố cục như sau:

    * Trình bày sơ đồ mạch điện và giải thích khái quát nguyên lý vận hành.

    * Trình bày cách bố trí và hàn nối các linh kiện trên board mạch in lỗ.

    * Giải thích hoạt động từng khối.

    * Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của từng dạng linh kiện có dùng trong sơ đồ mạch điện.

    * Giải thích thêm hoạt động của linh kiện bán dẫn transistor MOSFET.

    * Ghi nhận riêng của người soạn.

 Hình 1: Sơ đồ mạch đổi điện DC (12V) ra điện AC (110V).

Trong mạch dùng 2 tầng đảo trong IC 4069 để tạo ra tín hiệu có dạng xung vuông, tín hiệu này qua sự khuếch đại của một tầng đảo, cho kích vào chân B của transistor TR1 và lại qua một tầng đảo khác (cũng lấy trong IC 4069) cho kích vào chân B của TR2, như vậy sẽ tạo ra được hai tín hiệu có tính đảo pha cho tác động vào tầng cầu kéo đẩy. Nghĩa là khi TR1 dẫn điện thì TR2 sẽ phải ngưng dẫn và ngược lại. Tín hiệu lấy ra trên chân C của hai transistor TR1 và TR2 cho tác động vào cầu kéo đẩy với 4 transistor đóng mở nhanh dạng MOSFET, một bên là transistor MOSFET hỗ bổ TR3, TR4 và một bên khác là với TR5, TR6. Dòng điện kéo đẩy sẽ luôn cho đổi chiều qua cuộn sơ cấp trong biến áp T1, cuộn sơ cấp quấn ít vòng với dây đồng to, làm việc với cường độ dòng điện lớn,  đây là một biến áp xung công suất lớn, tần thấp, trên cuộn thứ quấn nhiều vòng hơn cuộn sơ nên cho ra mức áp AC cao, ở đây, người ta tính số vòng quấn để lấy ra mức áp AC 100V và 110V (Dĩ nhiên nếu Bạn muốn lấy ra mức áp 220V, Bạn phải tăng số vòng quấn ở cuộn thứ lên gắp đôi).

Tầng công suất làm việc với mức nguồn lấy trên một ắc-qui 12V DC, ở đây dùng F1 làm cầu chì bảo vệ, phòng khi trong mạch có linh kiện bị chạm làm ngắn mạch, cầu chì sẽ đứt để tránh làm hư nguồn DC. Tụ C4 có tác dụng lọc và người ta dùng IC ổn áp họ 78xx (7805) để có mức nguồn 5V DC có độ ổn định tốt để cấp cho tầng dao động với IC 4069, điều này sẽ giữ cho biên độ tín hiệu và tần số được ổn định. Dùng 2 tụ nhỏ C2 và C3 cho công dụng lọc bỏ các tín hiệu nhiễu tần số cao và giữ cho IC 7805 không bị hiện tượng dao dộng tự kích.

Trong mạch tần số tín hiệu của tầng dao động phụ thuộc vào trị số của R2, biến trở VR1 và tụ C1, ở đây VR1 có tác dụng chỉnh tần. Điện trở R1 dùng để sửa dạng xung, tăng hiễu suất kích thích cho tầng kéo đẩy.

Hình 2: Cách bố trí linh kiện trên mạch in lỗ.

Hình chụp cho Bạn thấy cách gắn các linh kiện vào board mạch in lỗ và cách hàn ráp mạch điện thủ công. Nhìn chung mạch này dùng ít linh kiện nên việc ráp mạch khá đơn giản.

Dĩ nhiên nếu Bạn muốn có bản mạch điện hàn ráp đẹp và nhanh, Bạn cũng có thể tự làm bản mạch in (PCB) dùng cho mạch điện này. Cách tự làm bản mạch in, Bạn xem bài: Bạn tự vẽ mạch in PCB với trình OrCAD. 

Hình 3: Nguyên lý hoạt động của mạch dao động tạo xung, cấp tín hiệu cho tầng kéo đẩy.

Mạch dùng 2 tầng đảo trong IC 4069 ráp thành mạch khuếch đại đảo pha, tín hiệu lấy trên ngả ra cho qua tụ C1 (10uF) và R1 tạo hồi tiếp thuận về ngả vào, và dùng điện trở định thời với R2 (2.2K), biến trở chỉnh tần VR1 (2K) để xác định tần số dao động. Trong mạch này, mạch định tần gồm có tụ C1 và trở R2+VR1, điện trở R1 có tác dụng sửa dạng xung ra làm tăng hiệu quả kích thích ở tầng kéo đẩy.

Tần số của mạch dao động, tính theo hệ thức:      f = 1/(2.2)xC1X(R2+VR1).

Như vậy, khi:

* Chỉnh VR1 = 0, chúng ta tính ra tần số dao động là:        f = 93.9Hz

* Chỉnh VR1 = 2K, chúng ta tính ra tần số dao động là:     f = 49.2Hz

Bạn có thể dùng máy đo tần, đo tần số tín hiệu ở ngả ra và chỉnh nhẹ biến trở VR1 để có tần số điện nhà đèn là 50Hz (hay 60Hz) cho phù hợp với các thiết bị công nghiệp.

 Hình 4: Hạt động của tầng thúc và tầng công suất kéo đẩy.

Tầng thúc dùng transistor loại bipolar quen thuộc: 2SC1815. Tín hiệu cho vào chân B và lấy ra trên chân C, nên nó có tác dụng làm tăng biên độ và đồng thời cho vuông hóa tín hiệu, mạch khuếch đại vào B ra C có tính đảo pha.

Tầng công suất ráp theo dạng cầu kéo đẩy cân bằng với 4 transistor đóng mở nhanh MOSFET loại công suất lớn. Khi tín hiệu vào trên chân cổng (Gate) của TR3, TR4 ở mức áp thấp (Low) thì TR3 dẫn điện và TR4 tắt, khi tín hiệu vào trên chân cổng (Gate) TR5, TR6 ở mức áp cao (high), thì TR6 sẽ dẫn điện và TR5 tắt. Ngược lại, tín hiệu đảo pha cho vào cực cổng làm cho TR4 và TR5 dẫn điện thì lúc này TR3, TR6 tắt. Điều này sẽ luôn tạo ra dòng điện đảo chiều chảy qua cuộn sơ cấp của biến áp xung, ở ngả ra trên cuộn dây thứ cấp sẽ có điện áp volt cao xuất hiện. Mức áp ra tùy thuộc vào số vòng quấn của cuộn thứ cấp. Công suất ra tùy thuộc vào kích thước của biến áp. Với tầng kéo đẩy cân bằng, biên độ tín hiệu ở ngả ra sẽ có tính đối xứng cân bằng tốt.

Hình 5: Mạch nguồn ổn áp 5V. 

Mạch nguồn nuôi 5V dùng IC ổn áp loại 3 chân, họ 78xx. Ở đây dùng IC 7805 nên mức áp cho ra trên chân OUT là 5V có độ ổn định rất tốt. Khi dùng loại IC ổn áp này, bên tải, tức bên ngả ra Bạn phải nhớ dùng tụ điện để dập hiện tượng dao động tự kích trong IC. Hiện tượng tự kích, do tải thiếu tụ, sẽ làm cho mức áp ngả ra dao động tần thấp, lúc lên cao lúc xuống thấp.

Chú ý: Chân giữa của loại IC họ 78xx luôn luôn cho nối masse, chân bên trái là chân IN (nối vào đường nguồn DC có volt cao hơn 5V) và chân bên phải là chân OUT (luôn cho ra 5V có độ ổn định tốt). Nếu vô ý mắc sai hai chân này có thể làm cho IC quá nóng và làm "chết" IC.

Công dụng của IC 7805 là giữ cho điện áp nguồn cấp cho IC 4069 luôn được ổn định, nó không bị thay đổi theo mức áp 12V nhấp nhô theo điều kiện thai đổi của tải, điều này giữ được biên độ và tần số của tín hiệu kích thích được ổn định.

Hình 6: Tìm hiểu chức năng của các linh kiện trong sơ đồ mạch điện.

Trong mạch dùng các linh kiện sau:

1. IC CMOS họ 40xx, 4069.

Trong IC CMOS họ 4069 (hay 4049, 4050), có 6 tầng khuếch đại đảo, Bạn xem hình. Trong IC này Bạn có thể dùng 2 tầng khuếch đại đảo để ráp thành mạch dao động, tần số xung xác định theo mạch định thời RC đặt trên đường hồi tiếp thuận. Với hình mình họa trên, Bạn có thể dùng 1 IC 4069 để ráp thành 3 tầng dao động có tần số khác nhau và qua tầng thúc dùng một transistor cấp dòng cho bóng đèn đặt trên chân C. Lúc này bạn sẽ thấy bóng đèn có những điều chớp đa dạng. 3 diode trong mạch dùng làm mạch OR, lấy xung biên cao để kích dẫn transistor.

Ghi chú: Trong mạch, nếu Bạn phải dùng loại tụ hóa trên đường hồi tiếp, Bạn phải chú ý đến cực tính của tụ và nên dùng loại tụ tantalium có chất lượng cao để ổn định tần số dao động.

2. Transistor bipolar 2SC1815.

2SC1815 là transistor bipolar, tức là loại transistor có 2 mối nối PN (NP-PN), đây là loại transistor công suất nhỏ NPN rất thông dụng. Đặc tính kỹ thuật của nó là:

* Điện áp đánh thủng trên chân CB, với chân E bỏ trống là: VCB0 = 60V.

* Điện áp đánh thủng trên chân CE, với chân B bỏ trống là: VCE0 = 50V.

* Dòng điện chảy ra trên chân C là: Ic = 150mA.

* Chịu công suất đốt nóng trên chân C là: Pc = 400mW.

* Hệ số khuếch đại dòng hFE trong khoảng: 70 đến 700, bình thường là: 220.

* Tần số làm việc là: fT = 80MHz.

* Tụ liên cực ở ngả ra là: Cob = 3.5pF

Chúng ta biết 2SC1815 là transistor NPN, transistor PNP hỗ bổ của nó là 2SA1015, nghĩa là 2 transistor này có các đặc tính kỹ thuật đều giống nhau, chúng chỉ khác là được cấu trúc NPN và PNP.

Trong hình minh họa trên, cho thấy cách dùng một transistor 2SC1815 với mạch cho chậm nối loa vào máy tăng âm. Mạch R và C trên chân B dùng làm mạch mở điện trể. Nguyên lý của mạch trể như sau:

Khi mạch vừa được cấp nguồn, tụ C1 (1000uF) khởi đầu nạp điện từ mức áp 0V, lúc này transistor 2SC1815 không dẫn điện, dòng nạp của tụ C1 (1000uF) qua R1 (10K) và diode zener 10.1V, khi điện áp trên tụ C1 lên đến khoảng 1.2V thì transistor dẫn điện, nó cấp dòng cho relay 12V đóng các tiếp điểm lá kim để cho nối loa vào mạch. Trong mạch người ta dùng 3 diode:

    * Diode ngang R1 dùng để tạo đường xả điện nhanh cho tụ C1 khi tắt máy.

    * Diode trên chân B của transistor dùng nâng cao mức ngưỡng kích dẫn transistor lên mức 1.2V.

    * Diode mắc ngang relay dùng dập mức áp nghịch, phản hồi do cuộn dây của relay.

3. IC ổn áp 3 chân, họ 78xx.

Sơ đồ mạch điện cho thấy cách dùng IC ổn áp 3 chân 7805. Chân IN cho nối vào đường nguồn 9V, có mức áp chưa ổn định, chân OUT cho ra mức áp 5V có độ ổn định tốt. Khi dùng IC ổn áp 78xx, Bạn nhớ ở ngả vào và ngả ra nên dùng loại tụ nhỏ 0.1uF để lọc bỏ nhiễu tần số cao nhiễm trên đường nguồn. Ở ngả ra có thể dùng Led chỉ thị với điện trở hạn dòng 220 Ohm. Nói chung đây là kiểu mạch ổn áp rất thông dụng. Khi Bạn muốn có nguồn ổn áp Bạn có thể dùng mạch ổn áp với IC ổn áp 3 chân, như 7805, 7809, 7812,...

Chú  ý: Khi nhìn thẳng vào IC, với kiểu chân TO220, chân bên trái là ngả vào (IN), chân bên phải là ngả ra (OUT) và chân giữa luôn cho nối masse. Nhưng với IC có kiểu chân là TO92 (loại có công suất nhỏ hơn) thì chân giữa cho nối masse, chân trái là OUT và chân bên phải là IN.

4. Transistor công suất MOSFET 2SK2956.

 2SK2956 là transistor MOSFET kênh N, trong trnaistor có diode trên chân DS để tránh điện áp nghịch phản hồi trên chân D. Trên chân GS có diode zener dùng cắt biên các tín hiệu có biên độ quá cao. Bên trên là bảng ghi đặc tính kỹ thuật của loại transistor này. 2SJ471 là transistor kênh P, hỗ bổ của 2SK2956.

5. Transistor công suất MOSFET 2SJ471.

2SJ471 là transistor MOSFET kênh P, nó là transistor hỗ bổ của 2SK2956. Nghĩa là 2 transistor này có các tham số kỹ thuật giống nhau, chúng chỉ khác là một đường dẫn điện là chất bản dẫn loại N và một là loại P.

 

Hình 7: Tìm hiểu cấu trúc của loại transistor MOSFET.

Hình 8: Trạng thái phân cực và dòng chảy trong transistor MOSFET kênh N và kênh P.

Ở đây các hình vẽ cho thấy tính phân cực và dòng điện chảy qua kênh dẫn điện.

* Với loại MOSFET kênh N, khi trên chân Gate chưa có tích điện tích âm, thì trong kênh dẫn N chưa hình thành đường hầm dẫn điện. Lúc này Bạn đo Ohm trên chân DS kim sẽ không lên. Chỉ khi trên chân Gate có tích điện tích âm, lúc đó nó tạo ra rất nhiều lỗ (tương đương điện tích dương) trong kênh N (Bạn xem hình), nhờ có đường hầm này nối thông giếng chân S và chân D nên lúc này chân DS sẽ dẫn điện và nó cho dòng điện chảy qua.

* Ngược lại, với loại MOSFET kênh P thì chỉ khi trên chân Gate có tích điện tích dương, lúc đó giữa hai giếng S và D mới hình thành đường hầm với nhiều diện tử tự do (Bạn xem hình), lúc này transistor mới dẫn điện và cho dòng điện chảy qua kênh.

Vậy, chỉ khi cực Gate của transistor MOSFET kênh N có mức áp thấp hơn chân S thì lúc đó nó mới dẫn điện. Và ngược lại khi cực Gate của transistor MOSFET kênh P có mức áp cao hơn chân S thì lúc đó nó mới dẫn điện.

Hình 9: Nguyên lý làm việc của tầng công suất kéo đẩy.

Hình vẽ cho thấy, người ta dùng 2 transistor MOSFET hỗ bổ để làm cầu kéo đẩy, lúc chân Gate ở mức áp thấp  (L., Low) thì transistor MOSFET kênh N dẫn điện (hình bên tay trái) và lúc mức áp của tín hiệu trên chân Gate lên cao (H, High)  thì đến transistor MOSFET kênh P dẫn điện (hình bên tay phải). Điều này sẽ tạo ra dòng điện luôn đổi chiều cho chảy qua cuộn sơ cấp của biến áp và với hiện tượng cảm ứng điện từ của biến áp, lúc này trên cuộn thứ cấp quấn nhiều vòng hơn sẽ cho ra mức áp volt cao.

Hình 10: Hình chụp hộp đảo điện DC ra AC.

Bạn xem các hình chụp cho thấy cấu trúc thật của hộp đảo điện, dùng chuyển đổi dạng điện DC ở mức Volt thấp ra dạng điện AC ở mức Volt cao.

Ghi nhận của người biên soạn:

Trong thời gian trước đây có nhiều Bạn muốn làm hộp đổi điện này, sau khi được tôi giới thệu về thực hành đều có kết quả gần đúng thiết kế, nghĩa là có công suất danh định gần 50Watt. Thật ra công suất còn tùy thuộc vào kích thước máy biến áp và khả năng cấp dòng của nguồn ắc-qui. Vấn đề còn lại với các Bạn chưa quen tự quấn biến áp là các thông số ở cuộn sơ cấp và ở cuộn thứ cấp. Theo chúng tôi, Bạn có thể dùng thực nghiệm để từ từ xác định các thông số của máy biến áp, khởi đầu thử quấn:

* Cuộn sơ cấp 15 vòng x 2, cở dây 2mm.

* Cuốn thứ quấn khoảng 330 vòng, cở dây 0.4mm.

Sau khi quấn xong đưa vào mạch để thử, dùng tải là một bóng đèn tim 220V, 40W để kiểm tra hiệu suất của mạch. Nếu hiệu suất khoảng 70% là tốt. Nếu kết quả chưa như ý thì thử điều chỉnh lại số vòng quấn của các cuộn dây. Muốn có mức volt AC ra cao thì tăng số vòng quấn ở cuộn thứ cấp.

Nếu có nhu cầu, Bạn hãy thử xem!

* Công suất của biến áp tùy ở kích cở lớn nhỏ của biến áp , hay biến áp nặng hay nhẹ.

* Số Volt lấy ra trên các cuộn dây tùy ở số vòng quấn của các cuộn dây.

* Cường độ dòng điện lấy ra trên các cuộn dây, tùy ở kích cở dây đồng.