Bảo vệ transistor Blocking - Switching

Trong bất kỳ nguồn Blocking hay Switching thì Xung ngược sinh ra thường lớn gấp 3 đến 10 lần so với Xung thuận vì vậy transistor làm việc trong điều kiện rất “nguy hiểm” vì có nhiều vấn đề rất phức tạp:

·      Kháng bão hoà:

Hiện tượng kháng bão hoà của biến áp là một trong những trường hợp nguy hiểm nhất đối với cả biến áp và cả transistor. Các cuộn dây của biến áp bị bão hoà kháng do một trong ba nguyên nhân:

–Bị quá tảiB: Do tải tiêu thụ quá mạnh vượt quá công suất cho phép của biến áp thì kháng trở của các cuộn biến áp cũng sẽ bị suy giảm đột ngột;

–  Do tần số thấp: Dòng điện đưa vào cuộn dây có tần số nhỏ hơn tần số làm việc cho phép của biến áp làm giảm kháng trở của cuộn dây;

–  Do sườn xung “dừng” quá dài: Việc kéo dài trạng thái biên độ cực đại của dòng điện xung đưa vào cuộn L1 cũng sẽ làm cho cuộn L1 bị bão hoà vì sau một khoảng thời gian nhất định sau khi cuộn L1đáp ứng kháng trở để chống lại sự tăng đột ngột biên độ của xung thì nó sẽ ngừng lại và sẽ đột ngột suy giảm trở kháng về 0. Lúc này, transistor sẽ bị rơi vào tình trạng ngắn mạch tải (tải của Q1 là cuộn L1của biến áp) và có nguy cơ bị đánh hỏng do làm việc quá công suất.

Do đó, quá trình kích thích để làm cho Q1 bão hoà sớm nhằm giảm tổn thất năng lượng trên Q1 được xác định sao cho sườn xung dài nhất không vượt quá khoảng thời gian cảm kháng cho phép của L1: Trong khoảng thời gian này L1 vẫn duy trì được cảm kháng để chống lại sự biến thiên của dòng điện và điện áp.

Ta hãy phân tích và lý giải kỹ hiện tượng này như sau: Nếu cung cấp cho cuộn L1 một xung vuông thì lúc ban đầu do xung xuất hiện đột ngột nên có thể nói rằng xung đó đã gây nên một biến thiên đột ngột về điện áp từ giá trị ban đâu bằng 0V cho tới giá trị biên đỉnh của xung nên ngay lúc đầu cuộn dây L1 sẽ sinh ra một suất điện động cảm ứng chống lại sự tăng đột ngột của điện áp xung và được xác định bởi:

E = – L1.di/dt

Khi đó ta có thể biểu thị cuộn L1 như một nguồn phát điện với suất điện động là E, nên ta có thể rút gọn sơ đồ mạch điện thành một mạch có hai nguồn điện song song và áp dụng định luật Kirshoff đối với giá trị điện áp tức thời cho mạch điện này như sau:

Khi cuộn L1 được cung cấp một xung có điện áp là VCCthì nó sẽ tạo ra một dòng điện ban đầu i qua L1:

i = VCC/ (ZL1 + ZBat )

Trong đó, ZL1: Trở kháng của cuộn L1, ZBat: Trở kháng của nguồn VCC.

Khi đó i sẽ sinh ra suất điện động cảm ứng lên L1 theo hệ thức nói trên sao cho nó chống lại sự “xâm nhập” của dòng điện từ nguồn cung cấp của VCC. Vì thế, hai điện áp được tạo bởi VCC và của L1 là E sẽ có giá trị khác nhau nhưng có cùng chiều (để chống lại sự tăng trưởng của dòng điện i qua mạch) nên cường độ dòng điện qua mạch sẽ dược xác định bởi:

i = (VCC – E)/(ZL1 + ZBat )

Khi đó, nếu E < VCC thì i sẽ đi từ nguồn VCC vào L1. Ngược lại, nếu E > VCC thì i sẽ đi ngược từ L1qua nguồn V­CC.

Nếu điện áp của xung VCC biến thiên càng nhanh thì sự biến thiên của i cũng sẽ càng lớn nên E cũng sẽ càng lớn và có thể lớn hơn VCC và làm cho trở kháng tương đương của toàn mạch được xác định bởi:

Z = VCC/i > (ZL1 + ZBat)

Khi thời gian tồn tại của xung càng dài thì cường độ dòng điện i qua L1 sẽ càng tăng bởi:

i = – òE.dt/L1 » – òVCC.dt/L1

Cho đến thời điểm i dạt giá trị cực đại (bão hoà) bằng I thì cường độ dòng điện sẽ không biến thiên (vì đã đạt cực đại nên không thể tăng thêm nữa) nên suất điện động cảm ứng của L1 bị triệt tiêu. Khi đó, dòng điện qua mạch không còn bị cảm kháng của L tác động (nhiều nghiên cứu đã chứng minh được rằng cảm kháng chỉ có tác dụng khi cường độ dòng điện qua nó biến thiên do nó sinh ra suất điện động cảm ứng để chống lại sự biến thiên của dòng điện qua nó) tức là trở kháng của L1 bị triệt tiêu vì thế L1chỉ còn thuần trở RL1 của cuộn dây mà thôi.

Vì thuần trở của L1 là rất bé (chỉ dưới 1 W) nên lúc này cường độ dòng điện sẽ tăng vọt và sẽ làm đoản mạch đối với L1 (trạng thái tăng vọt cường độ cũng sẽ được tạo bởi vài giai đoạn quá độ do khi cường độ dòng điênj từ trạng thái bão hoà chuyển sang trạng thái tăng vọt thực sự cũng sẽ tạo nên sự biến thiên mạnh của cường độ dòng điện và làm cho L1 lại có thể sinh ra suất điện động cảm ứng nhưng lúc này vì dòng điện này quá mạnh nên nó sẽ làm cho cuộn L1 bị quá tải và suất điện động do nó sinh ra không đủ để chống lại sự tăng dòng nói trên).

Như vậy, đây là trường hợp nguy hiểm nhất đối với mạch nguồn Blocking cũng như cho cả các mạch nguồn Switching sau này.

·        {C}{C}

{C}{C}Xung ngược

Xung ngược là một trong những vấn đề nan giải đối với các mạch điện có dòng điện biến thiên khi đi qua các phần tử có tính cảm kháng bởi nó luôn sinh ra trên các phần tử có tính cảm kháng một suất điện động tự cảm rất lớn và độ dài xung rất ngắn mà từ đó có khả năng gây nên một hiện tượng được gọi là “hiệu ứng xuyên tiếp giáp” làm cho năng lượng của nó có thể xâm nhập qua các tiếp giáp bán dẫn một cách rất dễ dàng và có thể đánh thủng các tiếp giáp vì trị tức thời của biên độ xung quá cao... không những vậy, các xung ngược có khả năng gây hài rất mạnh nên nó là nguyên nhân gây nên nhiễu loạn điện từ cho nhiều thiết bị điện tử.

Vì thế, người ta cần phải triệt bỏ năng lượng của xung ngược sao cho càng “sạch” thì càng tốt. Thế nhưng do như đã từng lý luận nói trên, người ta vẫn phải chấp nhận sự tồn tại của nó và cũng chỉ triệt bỏ được phần nào. Về cơ bản, người ta chỉ mong muốn triệt bớt biên độ (hay năng lượng trung bình) của các xung ngược mà thôi.

Có nhiều giải pháp để triệt tiêu bớt biên độ của xung ngược:

–  Có thể dùng xung ngược để cung cấp năng lượng cho một số trường hợp sử dụng với yều công suất rất nhỏ (với cường độ dòng điện cần sử dụng rất nhỏ, cỡ vài chục mA trở xuống) hoặc với yêu cầu về độ ổn định điện áp không cao...

– Thiết lập mạch triệt xung ngược:

Mạch triệt xung ngược của nguồn Blocking rất đơn giản chỉ gồm một tụ C3 và điện trở R3. Bởi vì ta đều biết rằng xung ngược có thời gian rất ngắn tương ứng với một tần số xung động rất cao được xác định bởi:

fInv Pulse = 1/2t

Trong đó, t: Thời gian tồn tại của xung ngược, thường vào khoảng vài mS đến vài chục mS.

Khi đó, trở kháng của tụ C3 đối với xung ngược sẽ rất bé và được xác định bởi:

ZC3 = 1/w.C3 = 1/2p.f.C3 = t/4p.C3

Nên khi đó, phần lớn năng lượng của xung ngược sẽ thoát qua tụ C3 để xuống âm nguồn. Điện trở R3được ghép với tụ C3 để tạo hằng số thời gian C3.R3 tương ứng với hằng thời gian t của xung ngược.

Chú ý: Trong tất cả các mạch dao động hoặc là các mạch điện có xung điện áp (có dòng điện không sin) có tải là biến áp hoặc là cảm kháng thì nhất thiết cần phải có mạch dập xung ngược ít nhất là bằng một tụ điện được xác định theo hằng số thời gian của chu kỳ xung ngược. Nếu không có tụ dập xung ngược này thì không những transistor mà các diode đều bị nóng rất nhanh và có thể dẫn đến bị đánh thủng và bị phá hỏng. Không những thế, hiệu suất nguồn cũng rất thấp vì cường độ dòng điện tiêu thụ trở nên rất lớn.

Tuy nhiên, đối với nguồn Blocking, vì sự biến thiên của di /dt không phải quá lớn (như đã phân tích trên đâyn, biên dạng của dòng điện có dạng gần với một hình sin nên tốc độ biến thiên của di /dt không quá lớn mà vì vậy biên độ xung ngược sinh ra cũng không quá cao), vì thế mạch triệt xung ngược đối với nguồn Blocking không đòi hỏi phải quá phức tạp. Còn đối với nguồn Switching (sẽ được trình bày ở chương sau) thì do sự biến thiên của cường độ dòng điện rất đột ngột tạo hai thời điểm tăng và giảm (tăng tức thời và giảm cũng tức thời) nên tốc độ biến thiên của di /dt cực lớn mà vì vậy xung ngược của nguồn Switching có biên độ rất cao (lớn hơn so với xung ngược của Blocking tới 3 ¸ 5 lần).

·        {C}Biên độ xung kích

Như đã trình bày ở các phần trên, biên độ xung kích hay còn gọi là xung phản hồi dương để tạo dao động tự kích cũng là một vấn đề rất quan trọng. Nó xác định không những cả về công suất cho phép cung cấp cho tải mà cả về độ an toàn cho cả mạch nguồn...

Theo các mạch nói trên, ta thấy rằng, điện áp xung kích đưa về hồi tiếp dương từ cuộn hồi tiếp L2 gần như tác động trực tiếp vào Base của Q1.

Trên thực tế, mỗi vòng của các cuộn dây của biến áp xung luôn đạt được vào khoảng 1,2 ¸ 1,5VP – P  đối với xung thuận và khoảng 5 ¸ 7VP – Pđối với xung ngược và cuộn hồi tiếp dương để kích dao động cho mạch là khoảng 3 ¸ 4 vòng nên điện áp hồi tiếp dương theo chiều thuận tác động vào Base của transistor đã lên tới khoảng 6VP – P rất nguy hiểm cho transistor nếu khi mạch nguồn có công suất rất lớn. Với điện áp này và nếu với công suất của biến áp xung rất lớn (cỡ trên một chục Watt trở lên) thì nó có thể đánh thủng tiếp giáp B – E của transistor (vì điện áp làm việc của tiếp giáp B – E chỉ cho phép dưới 1VDC).

Để hạn chế mức biên của điện áp hồi tiếp dương thì cần phải thiết lập thêm  một điện trở R4 (làm điện trở ghánh cho tiếp giáp B – E của Q1) nối tiếp với tụ hồi tiếp dương kích dao động C1 để làm giảm biên độ xung sao cho biên độ điện áp đặt vào tiếp giáp B – E luôn được xác định không quá 1VP – P ¸ 2,5VP – P.

Khi đó, vì điện trở R6 làm giảm năng lượng hồi tiếp về cho Q1 nên tụ C1 cần phải được tăng điện dung (trong các mạch đơn giản, tụ C1 có trị số vào khoảng 10nF) để đảm bảo cho cường độ của dòng điện hồi tiếp không bị thay đổi.

Ngoài ra, để thoát các thành phần hài bậc cao do các suất điện động cảm ứng của các cuộn biến áp xung gây ra, cần thiết lập một hệ mạch gồm tụ C5, R5 để triệt bớt các năng lượng hài bậc cao. Khi tụ C5 được ghép thêm vào mạch thì thông số cộng hưởng của mạch sẽ bị thay đổi:

Theo mạch nói trên ta thấy rằng vì C5 nối tiếp với C1 nên mạch cộng hưởng được tạo bởi C1.R6.C5.R5.L2 sẽ bị giảm điện dung, vì thế người ta phải tăng trị số điện dung của tụ C1 lên để đảm bảo hệ số ghép cộng hưởng không bị thay đổi thông số. Kết hợp với việc đáp ứng về cường độ dòng điện hồi tiếp như vừa được đề cập trên đây, trên thực tế C1 thường có giá trị khoảng 100nF.

·        {C}Dòng kích thích ban đầu

Dòng kích thích ban đầu IB0 chính là dòng định thiên hay còn được gọi là dòng phân cực ban đầu để transistor cũng như mạch điện có thể làm việc. Bằng lý thuyết cũng như trên thực tế có thể xác định được được dòng này vào khoảng 1 ¸ 2 mA. Vì thế, nếu mạch nguồn được thiết kế cho nguồn cung cấp là VCC thì điện trở phân cực R1 được xác định sao cho:

IB0 = VCC/R1 = 1¸ 2 mA

·        {C}Tần số dao động

Đối với nguồn Blocking, sự điều chỉnh điện áp ra hoàn toàn tuân thủ vào sự thay đổi của tần số dao động của nguồn.

Thật vậy, khi tần số của nguồn bị thay đổi thì cảm kháng của các cuộn dây của biến áp xung cũng bị thay đổi theo và được xác định bởi:

ZL = w.L = 2p.f.L

Điều đó có nghĩa là nếu tần số dao động của nguồn tăng thì ngay cả cuộn sơ cấp L1 cũng bị tăng cảm kháng và cả cuộn thứ cấp cũng bị tăng theo nên khi cảm kháng sơ cấp tăng thì lẽ dĩ nhiên là dòng cung cấp qua cuộn sơ cấp L1 sẽ bị giảm xuống và đối với cuộn thứ cấp thì khi bị tăng cảm kháng sẽ làm cho sụt áp nội tại trên thứ cấp tăng và sẽ làm cho điện áp mạch ngoài bị giảm.

Tác giả bài viết: Dr Trần Phúc Ánh

Read More

Nguồn Blocking

Vì lý do hiệu suất thấp nên các loại nguồn tuyến tính không đáp ứng được các nhu cầu cung cấp nguồn cho các trường hợp sử dụng có công suất lớn hoặc có dải điện áp vào rộng… và trước khi nguồn Switching ra đời thì người ta đã nghiên cứu chế tạo được Nguồn Blocking để cho phép tạo ra những nguồn cung cấp ổn định hơn và ít tỏa nhiệt hơn so với các Nguồn tuyến tính.

Nguồn Blocking đã được đưa vào ứng dụng rộng rãi cho các mục đích khác nhau với nhiều ưu điểm vượt trội: Công suất lớn, độ ổn định cao,dải điện áp vào cho phép biến thiên rộng (khoảng biến thiên có thể cho phép từ ±30% so với giá trị danh định cho phép)và một ưu thế nữa là kích thước rất nhỏ gọn và hiệu suất nguồn cao hơn hẳn so với các nguồn tuyến tính.
Về cơ bản, nguồn Blocking hiện nay đang bị nguồn Switching thay thế dần vì hiệu suất thấp và khả năng gây nhiễu rất mạnh. Một yếu điểm lớn của nguồn Blocking là khó đồng bộ tần số dao động vì nguyên lý hoạt động của nó là thay đổi tần số dao động để điều chỉnh điện áp...
Nhưng có thể nói rằng, nguồn Blocking là loại nguồn tựu trung mọi nguyên lý cơ bản nhất của lý thuyết dòng mạch động và cũng là loại nguồn mang nhiều đặc trưng về nguyên lý nên xét trên phương diện sư phạm thì nguồn Blocking rất cần phải được nghiên cứu để bổ trợ về mặt lý thuyết cho nguồn Switching và các loại nguồn hiện đại.


Nguyên lý Nguồn Blocking

Nguồn Blocking hoạt động theo nguyên lý bóp nghẹt sự dao động của một mạch dao động tự kích.


Ta có thể mô tả lần lượt các nguyên lý của mạch nguồn này như sau:
      Dao động tự kích

Về cơ bản, nguồn Blocking chính là một  mạch dao động tự kích theo nguyên lý hồi tiếp dương thông thường bằng một biến áp: Cuộn L1 được gọi là cuộn ghánh của mạch dao động nhằm biến đổi dòng điện biến thiên do transitor Q1 tạo ra thành dòng xoay chiều hoàn thiện để có thể truyền qua cuộn thứ cấp của biến áp là L2.
Cuộn L2 được phân thành hai cuộn ghép liên tiếp nhau, trong đó, cuộn L2 được gọi là cuộn hồi tiếp dương trở về cho cực Base của Q1 để tạo sự dao động tự kích.
Tụ C1 được gọi là tụ hồi tiếp của tín hiệu phản hồi để tạo dao động tự kích.
Các cuộn L3 và L4 được gọi là các cuộn cung cấp điện áp ra với các giá trị điện áp khác nhau (nếu số vòng dây của các cuộn khác nhau).
T1 được gọi là biến áp xung và có lõi bằng bột Ferrit từ nén để có thể cho phép hoạt động được với dòng điện có tần số cao từ 17KHz đến 68KHz hoặc thậm chí có thể lớn hơn, tới vài trăm KHz.

Dao động nghẹt
Để có thể giảm bớt suy hao do xung ngược tạo ra, chỉ có hai phương án hoặc tạo dao động đối xứng để có thể sử dụng được cả hai nửa chu kỳ (phương án này cũng đã được áp dụng để chế tạo các loại nguồn Switching đối xứng) hoặc tạo nên một tác động hỗ trợ nhằm làm khoảng thời gian tạo nên xung ngược càng ngắn càng tốt và có nghĩa là làm cho xung ngược bị nghẹt lại so với xung thuận vì thế ta sẽ biến mạch dao động nói trên trở thành mạch dao động nghẹt.
Mạch tác động nghẹt được đưa vào mạch dao động tự kích nói trên bằng các phần tử diode và điện trở để hỗ trợ cho việc đưa xung âm trở về mạnh hơn làm cho Base của Q1 bị khoá nhanh hơn (điều đó có nghĩa là dao động nghẹt được hình thành trên cơ chế hồi tiếp âm mạnh hơn để làm cho xung âm bị cắt ngắn).


Mạch được trình bày ở hình trên minh hoạ cho ta thấy rõ điều này:
Khi xung ngược được tạo ra vì đây là một xung âm nên nó dẽ dàng đi qua diode D2 để đưa về cho cực Base của Q1 với cường độ dòng điện âm cũng như điện áp âm đặt vào Base rất lớn làm cho Q1 bị khoá ngay lập tức.
Các đồ thị trên đây mô tả cho ta thấy rõ điều này: Cường độ dòng điện IB của transistor Q1 được tạo bởi ba dòng điện bao gồm dòng một chiều định thiên ban đầu là IDC do điện trở R1 cung cấp, dòng xoay chiều được phản hồi từ cuộn L2 thông qua tụ C1 là IC1 và một dòng bán dẫn được chỉnh lưu một nửa chu kỳ của dòng xoay chiều phản hồi từ cuộn L2 bởi diode D2 là ID2. Vì dòng qua diode D2 chỉ được cho qua trong nửa chu kỳ âm nên lúc này dòng điện tổng hợp theo giá trị tức thời được tạo bởi ba dòng nói trên được xác định bởi hệ thức dưới đây:

iB = IDC + IC1 + ID2
= IDC + I0C1.sinwt + I0D2.sinvt
Trong đó, w = 2p.f là tần số góc của dòng xoay chiều do mạch dao động tạo ra.
v cũng được gọi là tần số góc của dòng xoay chiều do mạch dao động tạo ra nhưng chỉ được lưu ý là nó chỉ được xác định bởi pha của dòng điện sao cho:
v = w.t với mọi giá trị của t sao cho k. p <= w.t <= 2k.p
Hệ thức trên được gọi là hệ thức triệt xung ngược bằng xung hồi tiếp âm qua diode D2. Dòng ID2 chính là dòng được mô tả phía dưới nửa âm của đặc tuyến dòng điện (nửa chu kỳ âm được tô đậm).
Nghĩa là chỉ với nửa chu kỳ âm thì dòng điện ID2 mới được xác định. Khi đó, ta có thể mô tả quá trình biến đổi biên dạng của xung dao động do mạch nói trên tạo ra như sau (ta hãy giả sử là mạch dao động có thể tạo ra các xung dao động hình sin như mô tả trên). Trên thực tế, để có thể tạo ra được các dao động hình sin thì mạch dao động cần phải được thiết kế theo đúng các nguyên tắc của một mạch dao động tuyến tính (được trình bày trong giáo trình Vô tuyến điện tử, trong giáo trình này không đề cập đến), còn đối với các mạch dao động bất kỳ thì thực chất không bao giờ tạo ra các hình sin mà luôn có dạng phi sin như được mô tả dưới đây:

Ta hãy lý luận rằng, khi cường độ dòng điện đang tăng mạnh (trong khoảng tuyến tính được xác định giữa hai điểm phi tuyến và điểm bão hoà) thì trong khoảng này tốc độ biến thiên của di /dt rất lớn nên suất điện động tự cảm cũng sinh ra rất mạnh để chống lại sự tăng dòng mà làm cho biên độ của điện áp ra trên cuộn sơ cấp L1cũng như cường độ dòng điện được tăng dần theo hệ thức dưới đây:
u = VCC + E = VCC – L1.di/dt
Trong đó, i: Cường độ dòng điện tức thời do nguồn cung cấp qua mạch gồm Q1 và L1 (được xác định bởi dòng IC qua transistor Q1).
Cho đến khi cường độ IC của transistor đạt tới bão hoà thì tốc độ biến thiên của cường độ dòng điện là di /dt = 0 (bị triệt tiêu) thì khi đó biên độ điện áp trên L1 mới có thể đạt cực đại bằng U +0 (do có sự hỗ trợ của suất điện động cảm ứng nên giá trị biên độ cực đại lớn hơn so với điện áp cung cấp VCC, trong thực tế U +0 lớn khoảng gấp rưỡi đến gấp đôi VCC).
Giả sử rằng, trong quá trình mà dòng điện IC tăng như đã được mô tả theo hình trên thì nó sẽ gây ra một từ thông biến thiên qua mạch từ của biến áp và tạo ra trên L2 một suất điện động cảm ứng EL2 có phase chậm hơn so với phase của cuộn sơ cấp L1.
Suất điện động động EL2 cũng tăng dần và được hồi tiếp về cho Base của Q1 để tiếp tục làm cho cường độ dòng điện IC cho đến lúc đạt giá trị bão hoà. Khi IC bão hoà thì từ thông không biến thiên nên EL2 sẽ bị triệt tiêu. Nhưng do EL2 chậm phase hơn so với suất điện động EL1 của cuộn L1 (vào khoảng 900) nên sau khi từ thông ngừng biến thiên một khoảng thời gian đúng bằng độ trễ phase thì EL2 mới thực sự bị triệt tiêu hoàn toàn. Nhờ sự trễ phase này mà dòng IC vẫn được duy trì tại điểm bão hoà một khoảng thời gian đúng bằng độ trễ phase Y nói trên.
Ta gọi trạng thái nói trên (khoảng thờigian IC đạt bão hoà kéo dài) là trạng thái quá độ của mạch dao động, khoảng này có thời gian được xác định là Y: Trong khoảng thời gian này, cường độ ICgần như không đổi (trên thực tế, trong khoảng này IC cũng bắt đầu giảm dần vì EL2 cũng bắt đầu bị triệt tiêu dần).
Khi suất điện động EL2 bắt đầu bị triệt tiêu thì điện áp phản hồi về cho mạch dao động (về Base của Q1 cũng sẽ bị giảm) nên nó sẽ làm cho cường độ dòng điện IB bị giảm đi mà sẽ làm cho IC cũng bị giảm theo. Khi IC giảm thì nó sẽ lại làm cho từ trường biến thiên theo chiều ngược lại so với lúc trước để tạo ra suất điện động cảm ứng trên L2 hoàn toàn ngược chiều (bắt đầu tạo ra xung âm) so với chiềucủa suất điện động cảm ứng lúc trước. Nhưng do sự trễ phase giữa suất điện động EL1 của L1 và EL2 của L2 nên khi IC bắt đầu giảm thì thực tế EL2 vẫn chưa đổi chiều mà chỉ mới đang bắt đầu giảm dần.
Sự giảm dần của EL2 lại làm cho IC giảm dần và có thể tạo ra biên dạng của dòng điện được sin hoá (được biến thiên theo hình sin). Nhưng khi giảm về dưới điểm phi tuyến thì do khác nhau về tốc độ biến thiên nên lúc này cường độ dòng điện IC sẽ bị giảm nhanh hơn (theo đặc tuyến của transistor được mô tả ở hình trên thì ta dễ dàng chứng minh được rằng nếu khi dòng IB bắt đầu tăng từ 0 cho đến điểm phi tuyến thì tại trong khoảng này IC sẽ tăng lên rất chậm nhưng IB khi bắt đầu giảm  từ trên điểm phi tuyến xuống ngang qua dưới điểm phi tuyến thì trong khoảng này IC sẽ bị suy giảm nhanh hơn) và sẽ làm cho EL2 bị biến thành xung âm tuyệt đối, đồ thì của điện áp trên L1 sẽ vượt qua dưới điểm 0 của hệ trục toạ độ theo trục tung.
Sau đó, vì I B vẫn tiếp tục giảm do EL2 tiếp tục giảm và làm cho điện áp trên L1 tiếp tục giảm xuống rất thấp và sẽ đạt tới biên độ cực tiểu U -0.
Điện áp trên L1 chỉ đạt tới biên độ cực tiểu U -0L1 khi cường độ IB giảm về 0 hoàn toàn và lúc đó do cường độ IC bị triệt tiêu nên sự biến thiên của từ thông cũng bị triệt tiêu và làm cho dòng phản hồi do cuộn L2 tạo ra cũng bị triệt tiêu thì IB lại tăng lên do dòng phân cực của R1 (chú ý rằngc, ngay trước khi IB bị triệt tiêu – bằng 0 tuyệt đối thì lúc đó nó sẽ tạo nên một biến thiên di /dt cực mạnh – vì lúc đó, từ một giá trị cực nhỏ của IB là một epsilon e đi về 0 trong một khoảng thời gian cũng cực nhỏ là t thì tỷ số di /dt »  e/t sẽ cực lớn – mà làm cho suất điện động trên L1 và cả trên L2 đạt tới cực tiểu của biên âm tương ứng với mỗi cuộn là U -0L1 và U -0L2).
Khi IB bắt đầu tăng từ 0 đến điểm phi tuyến thì tại đây mặc dù tốc độ gia tăng của IC so với tốc độ gia tăng của IB rất nhỏ nhưng do có sự hỗ trợ của xung ngược có tốc độ biến thiên rất mạnh (vì xung ngược chỉ là xung thụ động nên khi bị mất năng lượng từ bên ngoài cung cấp thì nó bị triệt tiêu rất nhanh và làm cho nó nhanh chóng tăng từ giá trị biên âm cực tiểu U -0 về 0 để làm cho xung ngượcbị triệt tiêu hoàn toàn – nghĩa là nếu đối với xung thuận thì khi bị triệt tiêu nó sẽ giảm từ biên dương cực đại U +0 về 0 còn đối với xung âm thì ngược lại khi bị triệt tiêu sẽ tăng từ biên âm cực tiểu U -0 về 0) và tốc độ tăng nhanh của xung âm từ biên âm về 0 sẽ sinh ra dòng phản hồi về co Base càng mạnh nên nó lại làm cho IC càng tăng mạnh để tạo thành một sườn xung âm tăng lên rất dốc như mô tả ở hình trên.
Khi biên độ xung đạt tới 0 thì cũng là lúc mà IC bắt đầu vượt qua điểm phi tuyến để “đi” vào khoảng tuyến tính thì sự thay đổi tốc độ biến thiên của di /dt bắt đầu xảy ra. Đây chính là “bước ngoặt lịch sử” làm cho độ dốc của đặc tuyến điện áp trên L1 cũng như L2 có sự thay đổi khác biệt (chú ý rằng suất điện động sinh ra trong L2 luôn lặp lại sự biến thiên của suất điện động được tạo bởi L1tuy nhiên sẽ chậm phase hơn so với của L1 vào khoảng 900): Lúc này xung dương bắt đầu được hình thành và vì nó được tạo bởi dòng tích cực của nguồn cung cấp nên sự đối kháng của L1 và L2 cũng bắt đầu được hình thành như được mô tả ở phần trên (L1 và L2 bắt đầu hình thành cảm kháng để chống lại sự tăng dòng tích cực của nguồn cung cấp qua nó).
Và quá trình dao động duy trì được hình thành nhờ sự tiếp diễn liên tục của các giai đoạn tăng và giảm của điện áp trên các cuộn L1 và L2 như đã mô tả theo đúng các trình tự nói trên.
Vấn đề đáng nói ở đây là cần phải làm triệt tiêu xung ngược tới mức tối thiểu có thể đạt được. Tại sao phải triệt tiêu xung ngược? Là bởi vì xung ngược được tạo ra bởi suất điện động cảm ứng và chỉ có tính thụ động (không được sinh ra bởi dòng tích cực của nguồn cung cấp VCC) vì thế nó không đối xứng với xung thuận và có năng lượng trung bình bé hơn xung thuận (vì có độ rộng xung ngắn hơn nên có năng lượng trung bình nhỏ hơn và khó ổn định được biên độ so với nếu chỉ sử dụng xung thuận).
Để làm được điều này cần phải hỗ trợ bằng diode D2 như được trình bày ở phần trên. Ta hãy quay trở lại với hệ thức triệt xung ngược bằng xung hồi tiếp âm qua diode D2 như đã trình bày trên để làm sáng tỏ thêm vấn đề:
Thông qua đồ thị mô tả ở trên, nếu không ưu tiên phản hồi xung âm trở về cho Base để làm cho IB sớm bị triệt tiêu thì khoảng thời gian mà đặc tuyến điện áp bị suy giảm về âm để tạo thành xung ngược sẽ bị kéo dài và làm cho chu kỳ dao động sẽ bị dài ra.
iB = IDC + IC1 + ID2
= IDC + I0C1.sinwt + I0D2.sinvt
Khi xung âm được ưu tiên hồi tiếp về mạnh hơn do dòng I0D2 thì khi biên độ điện áp của xung sẽ nhanh bị giảm xuống dưới 0 và càng làm cho IB sớm bị giảm xuống dưới điểm phi tuyến cũng như sớm bị triệt tiêu nên xung âm sẽ sớm đạt được giá trị cực trị (biên âm cực tiểu Ub ‑0).
Vì thế xung âm bị cắt ngắn, về mặt lý thuyết, người ta mong muốn xung âm càng ngắn càng tốt. Nhưng trên thực tế không thể triệt tiêu một cách tuyệt đối sự tồn tại của xung âm vì khi cường độ dòng điện qua các mạch có cảm kháng bị giảm thì bao giờ xung âm cũng được sinh ra để chống lại sự suy giảm cường độ dòng điện đó. Mặt khác, nếu xung âm càng ngắn thì suất điện động tự cảm của nó sinh ra càng cao (vì nếu xung âm càng ngắn thì tốc độ biến thiên cường độ dòng điện sẽ càng lớn) nên khả năng gây nhiễu của nó càng mạnh và hài bậc cao của nó càng nhiều mà nó có thể làm đánh thủng các tiếp giáp bán dẫn của các linh kiện bán dẫn như transistor và các diode, thậm chí có thể đánh xuyên giữa các vòng dây của biến áp làm hỏng các biến áp…
Vậy nên, người ta vẫn phải chấp nhận sự tồn tại của xung âm trong một khoảng thời gian nhất định. Để định thời gian tồn tại xung âm, ta phải ghép thêm một điện trở định thời cho nó là R2. Điện trở R2 phối hợp với hệ số tự cảm L của cuộn L2 (đoạn mạch giữa hai điểm 3 và 4 của cuộn L2) để tạo thành một hằng số thời gian là RL2 cho xung âm (trên thực tế, thời gian của xung âm được xác định vào khoảng vài mS đến vài chục mS).
Mặt khác, vì xung ngược được kích về cực Base là rất lớn (khoảng 18 đến 30V) nên điện trở R2cũng có nhiệm vụ hạn chế biên độ kích thích cho cực Base của Q1 nhằm bảo vệ cho transistor không bị khoá tuyệt đối (không cho triệt tiêu xung ngược một cách tuyệt đối).
Kích mở bão hoà sớm (blocking)
Một trong những điều kiện để biến đổi một dao động tự kích thành dao động nghẹt là phải tạo ra sự bão hòa sớm ở chu kỳ thuận và cắt ngắn chu kỳ ngược... vì nếu không thì nó có thể sẽ taoụ ra dao động hình sine đối xứng.

Ngoài ra, để tăng công suất của xung thuận cũng như để tránh tổn thất năng lượng lên transistor Q1, vì theo mạch điện trên, ta thấy rằng cuộn L1 của biến áp T1 mắc nối tiếp với Q1 nên theo định luật Kirshoft thứ hai đối với mạch dòng nối tiếp thì tổng các giá trị điện áp tức thời trên các phần tử nối tiếp bằng điện áp mạch ngoài hay nói cách khác là bằng điện áp cung cấp theo biểu thức dưới đây:

uL2 + uQ1 = VCC
Vì thế, nếu xung thuận tạo ra trên cuộn L1 một dòng điện có dạng hình sin thì điện áp trên Q1 sẽ được xác định bởi:
uQ1 = VCC – U0L1.sinwt

Trong đó, U0L1: Biên độ điện áp dao động hình sin tạo ra trên cuộn L1, w: Tần số góc của dao động hình sin đang xét, t: Thời gian đang xét của dao động.
Theo hệ thức nói trên, nếu tại thời điểm mà điện áp tức thời của dòng điện hình sin bị triệt tiêu thì Q1 sẽ ghánh toàn bộ điện áp nguồn cung cấp… nên nếu xét theo trị trung bình thì transitor sẽ ghánh một
công suất xấp xỉ một nửa công suất cung cấp của nguồn điện và làm cho hiệu suất của nguồn giảm xuống trong phạm vi chỉ vào khoảng dưới 50% (một phần nữa bị tổn hao do không tận dụng được năng lượng của xung ngược).
Để chống được tổn thất, hơn nữa tổn thất này sẽ gây nên

sự tiêu tán nhiệt cho transistor Q1 nên cần phải làm cho biên dạng của dòng điện trở thành không sin sao cho nó chỉ tạo ra hai trạng thái trên cuộn L1 hoặc bằng 0V hoặc bằng đúng điện áp nguồn nghĩa là tạo ra dạng xung vuông thì khi đó tổn thất trên transistor
mới đạt cực tiểu (do khi transistor mở bão hoà thì vẫn luôn tồn tại một điện áp rơi VS trên tiếp giáp C – E khoảng 0,6 - 07V tạo nên công suất tiêu tán PS= VS.I  nhất định rất bé coi như không đáng kể).
Muốn vậy, người ta cần phải đưa dòng hồi tiếp thuận về càng mạnh thì dạng xung điện áp sẽ càng tăng mạnh và có độ dốc khi tăng càng nhanh để tạo thành sườn thẳng đứng của xung vuông nhờ diode D1, tức là cần phải kích cho transistor mở bão hoà khi phát xung (hay lúc xung đang tăng) và ngắt tuyết đối khi giảm biên độ xung (hay khi ngắt xung).

Triệt trạng thái quá độ Blocking
“Tránh vỏ dưa lại gặp vỏ dừa”, khi tạo ra dạng xung vuông cho dòng điện qua biến áp thì tại thời điểm “dừng” của biên độ điện áp (là thời điểm mà biên độ điện áp đạt cực đại đúng bằng giá trị của điện áp nguồn cung cấp VCC thì nó kéo dài sườn xung mà không gây nên sự biến thiên điện áp hay còn gọi là trạng thái quá độ – khoảng này được gọi là khoảng “dừng” hay còn được gọi là khoảng Bão hòa của biên độ xung, sau đó sẽ giảm nhanh xuống cũng theo sườn thẳng đứng).

Tại khoảng thời gian mà biên độ xung không thay đổi thì sự biến thiên của từ thông qua biến áp sẽ bị triệt tiêu nên suất điện động cảm ứng trên L2 cũng sẽ bị triệt tiêu vì thế điện áp trên cuộn phản hồi L2sẽ bị giảm trước khi điện áp trên cuộn L1 bị giảm (suất điện động cảm ứng trên L2 có sự biến thiên chậm phase hơn so với của L1khoảng 900) và làm cho Q1 bị mất phản hồi:
Điều này sẽ làm cho Q1 ngắt xung cung cấp cho cuộn L1 trước khi xung của nó thực sự bị cắt và làm cho nửa chu kỳ của xung thuận bị ngắn lại và đồng nghĩa với việc làm tăng tần số của xung và cũng đồng thời sẽ làm giảm công suất ra của dòng điện cung cấp cho tải.
Vì thế, việc kích điện áp dương nhằm làm cho xung dao động trở thành xung vuông chỉ được xác định sao cho toàn bộ năng lượng của xung đều có thể gây nên từ thông biến thiên theo chiều thuận để có thể truyền được năng lượng qua biến áp (vì nguyên tắc của biến áp là chỉ có dòng điện biến thiên thì mới sinh ra từ thông biến thiên và khi đó mới truyền được năng lượng từ cuộn sơ cấp sang thứ cấp. Còn nếu là cường độ không đổi thì từ thông sẽ không biến thiên nên sẽ không sinh ra suất điện động cảm ứng trên cuộn thứ cấp và làm cho điện áp ra bị triệt tiêu). Nếu xung vuông có độ rộng xung quá dài thì không những nó không thể truyền được toàn bộ năng lượng của nó ra tải thông qua sự cảm ứng năng lượng điện từ của nó qua cuộn thứ cấp L2. Một mặt nữa là ở trạng thái “dừng” thì vì từ thông không biến thiên nên cảm kháng bị triệt tiêu nên cường độ dòng điện sẽ tăng đột biến có thể gây đoản mạch cho mạch nguồn...
Trên cơ sở đó, sự phản hồi nhằm làm cho transitor đạt trạng thái bão hoà sớm cũng chỉ được phép sớm hơn một khoảng nhất định, nếu đạt được trạng thái bão hoà quá sớm thì nó sẽ làm ngắn khoảng tồn tại của xung dương như đã phân tích trên (tức làm giảm độ rộng xung của xung dương).
Mạch trên, cho thấy rằng, cần phải phối hợp với một điện trở R4 và điện trở R1 để hạn chế biên độ xung hồi tiếp dương nhằm làm cho dòng điện Ic qua tiếp giáp C – E của transistor Q1 không bị bão hoà quá sớm mà phải bị trễ đi một khoảng nhất định được xác định gần đúng bởi hằng số thời gian của mạch R4L2. Tức là:
t = R4.L2
Trong đó, t: Thời gian trễ của điểm bão hoà so với thời điểm mà xung dao động bắt đầu tăng sau mỗi chu kỳ.
Nhờ có khoảng trễ t mà xung do mạch dao động tạo ra có độ biến thiên mạnh trong khoảng chưa bão hoà nhằm tạo ra một điện từ trường biến thiên mạnh nhất qua các cuộn L1 để cung cấp năng lượng mạnh nhất cho toàn hệ thống và L2 hồi tiếp về mạnh nhất.
Để làm được việc này, khi có xung ngược xuất hiện thì nó sẽ tạo ra một dòng âm đi qua diode D2 và R2 để khóa Transistor ngay lập tức. Ngược lại, để đặc tuyến sớm đặt được sự bão hòa thì diode D1 gần như làm ngắn mạch từ cuộn phản hồi L2 về cực B của Q1 để Q1 mở dòng tăng lên nhanh nhất.

Chú ý: Trên thực tế, D2 là Zener 5 - 6V
Sau khoảng thời gian này, khi cường độ dòng điện qua cuộn L1 đã đạt bão hoà thì từ trường không biến thiên nữa nên sẽ xảy ra hai trường hợp:
Trường hợp thứ nhất: Sự truyền đạt năng lượng giữa các cuộn biến áp sẽ bị gián đoạn nếu tải tiêu thụ với cường độ ổn định thì trong khoảng thời gian sau điểm bão hoà thì năng lượng của biến áp sẽ bị tổn thất vô công.
Trường hợp thứ hai: Nếu tải thay đổi dòng tiêu thụ thì nó sẽ gây nên một điện từ trường biến thiên để làm cho điện từ trường tổng qua mạch từ của biến áp xung T1 cũng bị biến đổi theo mà nhờ đó nó sẽ gây nên sự biến thiên của từ trường của cuộn L1 theo nguyên lý hỗ cảm nên lúc này năng lượng từ cuộn L1 lại tiếp tục được truyền qua các cuộn của biến áp xung T1 mặc dù cuộn L1 đang bị bão hoà nhờ vậy hiệu suất truyền đạt năng lượng của biến áp sẽ được tăng lên.

Tác giả bài viết: Dr Trần Phúc Ánh

Read More