Thiết kế Biến áp xung

Thiết kế Biến áp xung

 

Đề bài :

Hiện tại chúng ta đang có một biến áp xung cho mạch nguồn xung.
Mạch nguồn xung của chúng ta có các thông số kĩ thuật:
Điện áp đầu vào: xoay chiều, min = 85V, max = 265V ( đúng chất Việt)
Tần số là 50Hz
điện áp đầu ra: 12V
Dòng đầu ra là 6A
Điện áp cuộn nuôi là 9V, dòng nhỏ thôi cỡ 10mA
Tần số xung: min = 40KHz, max khoảng 130KHz  nhưng mọi người cứ lấy trung bình là 100KHz
Bây giờ chúng ta cần:
Loại lõi ferrit để làm
Số vòng dây của cuộn sơ cấp, thứ cấp, cuộn nuôi.
chân quấn các cuộn cho hợp lí với mạch Flyback

 

Giải đáp :

  • Dải điện áp vào : 85VAC – 250VAC 50/60Hz
    • Điện áp đầu ra : +12V/6A
    • Điện áp gợn sóng Vripple = 50mVpp
    • Hiệu suất n=75%
    • Tần số hoạt động f=50KHz

    Tính toán các thông số điện:

    • Tổng công suất đầu ra :

    Po = 12*6=72W

    • Công suất cung cấp đầu vào với hiệu suất 75% :

    Pin=Po/n = 72/0.75 = 96W

    • Điện áp DC đầu vào sau chỉnh lưu :

    Vmin = 85*sqrt(2) = 120VDC
    Vmax = 250*sqrt(2) = 353VDC

    • Dòng điện trung bình lớn nhất đầu vào :

    Iavmax=Pin / Vmin = 96/120 = 0.8A

    • Dòng điện đỉnh trên khóa bán dẫn :

    Ipk=5.5*Po/Vmin = 5.5*72/120=3.3A

    Yêu cầu về vật liệu từ và biến áp :

    Vật liệu từ muốn sử dụng trong ứng dụng từ thông đơn cực như flyback cần có đặc tính :

    • Hệ số từ thẩm µ nhỏ, thường chọn µ = 60-500
    • Ngưỡng cảm ứng từ bão hòa cao, Bsat=8000-15000 Gauss (1.5T)
    • Tổn hao lõi thấp

    Một số giải pháp sử dụng vật liệu từ :

    • Sử dụng vật liệu Ferrite thường, yêu cầu phải có khe hở không khí để tránh bão hòa lõi sớm, khoảng cách khe hở không khí phải được tính toán chính xác dựa trên mối tương quan giữa dòng xung đỉnh, tiết diện lõi (Ac), cảm ứng từ cực đại (Bmax) và điện cảm sơ cấp (Lpri). Cần phải dùng lõi ferrite có sẵn khe hở không khí nếu không sẽ khó làm trong điều kiện nghiệp dư.

    • Sử dụng vật liệu từ dạng lõi bột (Powder core), vật liệu này được chế tạo dưới dạng các hạt tinh thể được cách ly với nhau, hay được hiểu cách khác là khe hở được phân bố đều trong lõi, không cần tạo khe hở tại một vị trí cố định như ferrite. Chính vì cách chế tạo như vậy nên nó có hệ số từ thẩm µ thấp và tổn hao dòng xoáy nhỏ.

    Vì không có nhiều cách lựa chọn, nên bạn có thể dùng lõi cỡ EC42 hiện có bán rất nhiều ở Sài Gòn như codienhungphat hoặc sieuthivattudien…, chú ý là phải có khe hở ~5mm ở trụ giữa của lõi

Tính toán điện cảm sơ cấp:

Lpri = (Vin-min * Dmax)/(Ipk * f) = (120 * 0.45) / (3.3*50000) = 327 (uH)

Dmax là duty lớn nhất khi mạch flyback hoạt động ở chế độ gián đoạn, ta chọn Dmax=0.45

Đối với mỗi lõi từ, có một thông số mà ta gọi là hệ số điện cảm, ký hiệu AL , đơn vị nH/T2 (nH chia số vòng bình phương).

Giá trị này được cung cấp rõ ràng trong Datasheet nếu ta dùng hàng chuẩn chính hãng, và từ đó việc tính toán không khó khăn gì.

Lõi EC42 của chúng ta đã được tôi xác định bằng thực nghiệm là AL=145 (nH/T2), để đo được AL hoặc điện cảm ta cần một LCR meter, đây là yêu cầu bắt buộc với người làm ĐTCS.

Công thức tổng quát để tính số vòng cuộn sơ cấp như sau:

Npri = sqrt(Lpri / AL)

Lpri : là điện cảm sơ cấp đã tính ở trên, quy sang đơn vị nH
AL : Hệ số điện cảm nH/T2

Do vậy:

Npri = sqrt(327*1000/145) ~=48 (vòng)

Số vòng sơ cấp đã có, vậy dòng điện thì sao ?

Ở trên đã tính ra dòng đỉnh Ipk = 3.3A, tuy nhiên để tính cỡ dây đồng thì ta phải tính dòng hiệu dụng RMS.

Dạng sóng của dòng điện sơ cấp là xung răng cưa, do vậy giá trị hiệu dụng bằng :

Ipri-rms = Ipk * sqrt(Dmax) / sqrt(3) = 3.3*sqrt(0.45)/sqrt(3) = 1.28 (A)

Ở tần số cao ta không thể bỏ qua hiệu ứng bề mặt, tức là dòng điện chỉ chạy trên bề mặt của dây dẫn với một độ sâu nhất định.

Công thức tính độ sâu bề mặt như sau:

e = 66.2 / sqrt(f) = 66.2 / sqrt (50000) = 0.295 (mm)

Khi sử dụng dây dẫn tròn đường kính dây không được vượt quá 2*e = 0.592 mm

Như vậy đối với cuộn sơ cấp ở 50kHz ta không dùng dây đồng có đường kính vượt quá 0.6mm

Khuyến cáo dùng nhiều sợi dây bện cho cuộn sơ cấp để khi quấn còn tách sợi và xen lớp với các cuộn khác, mục đích là giảm nhỏ điện cảm rò trên các cuộn.

Ta dùng dây đồng đường kính 0.4mm cho cuộn sơ cấp, dây này có tiết diện là S=0.125 (mm2), lấy mật độ dẫn dòng trên dây đồng bằng J=5A/mm2

Mỗi sợi dây 0.4mm dẫn được S*J = 0.125*5 = 0.625 (A).

Dòng điện sơ cấp hiệu dụng tính ở trên là 1.28A, như vậy ta cần 2 sợi dây 0.4mm cho cuộn sơ cấp.

Nếu qua thực nghiệm ta thấy cửa sổ quấn dây còn thừa thì có thể nâng số sợi lên để giảm tổn hao dẫn.

Tôi đề nghị cuộn sơ cấp dùng 4 sợi dây 0.4mm quấn 48 vòng.

Số vòng cuộn thứ cấp :

Ns = [ Npri * (Vo+Vd)*(1-Dmax) ] / (Vin-min * Dmax) = 48* (12+0.95)(1-0.45)/(120*0.45) = 6.3 (T) , lấy tròn thành 6 vòng

Ở đây Vd là điện áp rơi thuận cực đại của diode chỉnh lưu thứ cấp , tôi dùng loại có Vd = 0.95V, các bạn dùng loại nào thì thay đổi lại sau đó làm tròn theo quy tắc thông thường.

Do dòng thứ cấp yêu cầu là 6A nên để đơn giản hóa, ta có thể dùng nhiều hơn 10 sợi dây 0.4mm tương tự như tính toán ở trên.

Số vòng cuộn phụ AUX ta có thể quấn 5 vòng, hoặc điều chỉnh qua thực nghiệm, chiều quấn của sơ cấp và hai cuộn thứ cấp là ngược chiều nhau về mặt điện.

Trên đây chỉ là một vài tính toán rất cơ bản của Cơ điện Hưng Phát về flyback transformer, thực tế đây cũng không phải cách tính duy nhất, còn rất nhiều kiểu khác nhau.

Tính toán cũng chỉ nhằm mục đích đưa kết quả về gần yêu cầu nhất chứ không bao giờ có chuyện tuyệt đối đúng và để một mạch flyback chạy ổn định còn nhiều yếu tố khác liên quan đến MOSFET, Diode, mạch Feedback, Snubber…

 

Chúc thành công !
 

Chia sẻ bài viết