Nguồn AT

Nguồn AT được sử dụng cho Máy Vi tính để bàn (Personal Computer - PC) được thiết kế theo nguyên lý Dao động phức hợp bao gồm Dao động Tự kích ban đầu (theo nguyên lý hồi tiếp dương bằng biến áp) để cấp nguồn cho IC Nguồn TL494 sau đó IC Nguồn 494 sẽ tạo ra dao động PWM để khống chế Dao động Tự kích và tự động điều chỉnh điện áp ra theo yêu cầu.

Toàn bộ mạch dao động tự

 kích được mô tả bởi dưới đây bao gồm Cầu chỉnh lưu D1để đổi nguồn Xoay chiều 90 ÷ 220VAC thành nguồn một chiều và được lọc bởi các Tụ lọc nguồn C1 và C2 để chia đôi điện áp cho Mạch Dao động Tự kích theo kiểu đẩy kéo bằng Transistor Q1 và Q2 phối hợp với Biến áp Kích Xung Tr1 (bao gồm cuộn L1 để hồi tiếp dòng điện và các cuộn kích thích L2-1 và L2-2 để tạo xung kích thích - hồi tiếp dương về cực B cho cả hai Transistor Q1 và Q2 thông qua lần lượt các Tụ C3//(D2 + D3) hoặc C4//(D4 + D5) với phase xung nghịch đảo với nhau để tạo ra sự dao động tự kích trong mạch nói trên) và Tụ xuất Công suất C6của Transistor Q1 và Q2 để lấy 1/2 điện áp cung cấp cho Mạch Tạo dao động Tự kích, các mũi tên dưới đây chỉ dòng điện kích thích cho Mạch Tạo dao động Tự kích chạy qua lần lượt các phần tử trong mạch.

          Dòng điện tự kích sẽ chạy từ điểm E (điểm xuất Công suất của Mạch đẩy kéo  tại chân E1 của Q1 nối chung với chân C2 của Q2) chạy qua L1 của Biến áp Kích xung Tr1 rồi qua Tụ C6 để về điểm giữa nguồn U/2 (điểm giữa nguồn U/2 được tạo bởi 2 Tụ lọc nguồn C1 và C2).

o       Nguyên lý hoạt động tự kích

          Giả sử ban đầu vì một lý do gì đó có thể khiến cho điện áp ở điểm E (được tạo bởi chân E1 của Q1 và chân C2 của Q2) không bằng điện áp với điểm giữa nguồn U/2.

          Vì điểm E và điểm U/2 khác nhau về điện áp nên theo nguyên lý cơ bản của Điện học Vật lý thì sự chênh lệch điện áp giữa 2 điểm bất kỳ sẽ sinh ra dòng điện chạy từ điểm có điện áp cao đến nơi có điện áp thấp sẽ tạo ra dòng điện chạy qua cuộn L1 của Biến áp Kích xung Tr1 và qua Tụ C6 để hình thành dòng điện khép kín giữa điểm E và điểm U/2 nói trên theo 2 nửa chu kỳ luân phiên nhau để hình thành nên các chu kỳ xung điện xoay chiều tạo ra trong các cuộn L1 của Tr1 và Sơ cấp của Tr2 theo trình tự dưới đây:

     Nửa chu kỳ thuận

          Theo giả định trên, vì có dòng điện chạy qua cuộn L1 của Biến áp Kích xung Tr1 nên nó sẽ sinh ra 2 Suất điện động ngược Phase nhau cho 2 cuộn hồi tiếp L2-1 và L2-2 để đưa về cho cực B1 của Q1với điều kiện giả định ban đầu là điện áp của điểm E cao hơn điện áp U/2 thì xung hồi tiếp từ cuộn L2-1 đưa về cực B1 của Transistor Q1 theo chiều dương sẽ khiến cho dòng điện qua cực E1 của Q1 tăng lên khiến cho điểm E lại tăng điện áp lên hơn trước đó và cuộn L2-2 sẽ đưa xung ngược về cực B2 của Q2để làm cho Q2 bị khóa nhờ vậy điện áp ở điểm E lại càng được thúc cao hơn nữa... làm cho dòng điện chạy từ điểm E đến điểm U/2 sẽ càng tăng mạnh lên nên dòng điện qua cuộn L1 của Biến áp Kích xung Tr1 lại càng mạnh lên kéo theo Suất điện động tạo ra trên 2 cuộn L2-1 và L2-2 lại càng mạnh lên khiến cho Q1 lại tạo ra dòng điện mạnh hơn nữa qua cuộn L1... cứ như vậy cho đến khi dòng điện chạy qua cuộn L1 đạt tới mức bão hòa và kết thúc nửa chu kỳ thuận để bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ ngược;

     Nửa chu kỳ ngược

          Khi dòng điện chạy qua cuộn L1 bị bão hòa thì nó không tạo được Từ thông biến thiên qua mạch từ của Biến áp Kích xung Tr1 nên các cuộn L2-1 và L2-2 bị triệt tiêu suất điện động nên dòng kích thích cho Q1 bị mất khiến cho điện áp điểm E bị giảm xuống và vì trước đó Tụ C6 đã được nạp điện sao tạo ra một điện lượng rất lớn được dự trữ trên nó, khi điện áp ở điểm E giảm xuống thì Tụ C6sẽ phải phóng ngược dòng điện qua mạch theo chiều ngược lại vì vậy nó lại sinh ra một Suất điện động ngược lại ở cuộn L2-1 của Biến áp Xung Tr1 làm cho cực B1 của Q1 lúc này bị phân cực ngược nên nó sẽ khóa Q1 làm cho điện áp điểm E có xu hướng bị giảm xuống rất thấp.

          Đồng thời lúc này Suất điện động cảm ứng cũng được sinh ra ở cuộn L2-2 của Biến áp Xung Tr1 theo chiều thuận với thiên áp cho cực B2 của Q2 khiến cho điện áp của B2 tăng lên nên Q2 sẽ mở cho cường độ dòng điện từ điểm E chạy qua tiếp giáp C2 - E2 của Transistor Q2 tăng lên và làm cho điểm E có xu hướng bị 'nối tắt' xuống âm nguồn.

          Lúc này dòng điện trong mạch sẽ chạy ngược lại so với nửa chu kỳ trước đây (nửa chu kỳ trước thì dòng điện chạy từ điểm E đến điểm U/2 vì điểm E có điện áp cao hơn điểm U/2 nhưng ở nửa chu kỳ này thì điện áp ở điểm U/2 cao hơn điện áp ở điểm E nên dòng điện sẽ chạy từ điểm U/2 đến điểm E) khiến cho dòng điện chạy qua cuộn L1 của Biến áp Xung Tr1 và qua cuộn Sơ cấp của Biến áp Công suất Tr2 bị đảo chiều so với trước.

     Sự hình thành dòng điện xoay chiều do dao động tự kích

          Theo nguyên lý nói trên, giả dụ ban đầu điểm E có điện áp cao hơn điểm U/2 thì nửa chu kỳ dương sẽ được hình thành trước để kích cho Transistor Q1 mở cho dòng điện chạy qua mạch từ điểm E qua Cuộn L1 của Biến áp Kích xung Tr1 rồi qua Cuộn Sơ cấp của Biến áp Công suất Tr2 sau đó qua Tụ ghép chặn dòng điện một chiều C6 và về điểm U/2 để khép kín mạch điện.

          Lúc này Transistor Q2 bị khoá vì Suất điện động ξ2 sinh ra trong cuộn L2-2 cấp cho cực B2 của Transitor Q2 ngược Phase (tạo ra hồi tiếp âm) so với Suất điện động ξ1 sinh ra trong cuộn L2-1 lúc này đang cấp xung thuận cho cực B1 của Transistor Q1 tạo nên sự hồi tiếp dương cho Q1 nên sự dao động tự kích sẽ sinh ra trong : Do trong nửa chu kỳ này Q1 được hồi tiếp bởi Xung thuận của cuộn L2-1 nên Q1 mở dòng tăng từ giá trị ban đầu (phụ thuộc vào chênh lệch điện áp ban đầu giữa điểm E và điểm U/2) cho đến cực đại và bão hoà thì dừng lại để kết thúc nửa chu kỳ dương.
          Sau khi kết thúc nửa chu kỳ dương thì nửa chu kỳ âm sẽ tự hình thành ngay sau đó vì khi dòng điện do Q1 tạo ra trên điểm E đạt cực đại thì điện áp ở E cũng bằng điện áp nguồn VCC = U (thực tế bé hơn VCC khoảng 0,6V) thì dòng điện này không tăng nên từ thông qua Khung từ của Biến áp Kích xung không còn biến thiên vì vậy cả hai Suất điện động ξ1 và ξ2 cùng bị triệt tiêu nên điện áp ở cực B1của Q1 bị giảm xuống (vì bị mất hồi tiếp dương từ cuộn L2-1) trong lúc này điện áp cực B2 của Q2 lại tăng lên (vì bị mất hồi tiếp âm từ cuộn L2-2) nên lúc này dòng điện qua Q1 cấp cho điểm E bị giảm xuống và có xu hướng bị triệt tiêu về 0 đồng thời Q2 lúc này đang ở trạng thái bị khoá (dòng điện từ điểm E qua Q2 để xuống âm nguồn đang bằng 0) sẽ tăng lên nên điện áp ở điểm E sẽ bị giảm xuống khiến cho tất cá các dòng điện có thể có qua toàn bộ các mạch điện đều bị đổi chiều ngược lại như chiều các mũi tên theo hình dưới đây và hình thành nên nửa thứ 2 của dòng điện xoay chiều đi qua tất cả các mạch điện nói trên.

          Khi Q2 bắt đầu mở để cho dòng điện từ điểm E giảm dần thì Q1 sẽ bị hồi tiếp ngược từ cuộn L2-1 (lúc này Suất điện động ξ1 sẽ bị đảo chiều so với nửa chu kỳ trước) khiến cho Q1 sẽ khoá dòng điện từ dương nguồn qua Q1 để cấp cho điểm E nên điện áp diểm E sẽ càng bị giảm mạnh hơn nên dòng điện từ điểm U/2 qua L1 của Tr1 và Sơ cấp của Tr2... đến E sẽ tăng lên nhưng chạy theo chiều ngược lại so với nửa chu kỳ dương nên Suất điện động ξ2 cũng sẽ bị đảo chiều so với trước và tạo thành Xung thuận (trong nửa chu kỳ âm) để tạo thành hồi tiếp dương cho Q2 khiến cho Q2 tạo ra dao động tự kích (đồng thời lúc này Q1 sẽ khoá dòng điện cấp từ nguồn cho điểm E):

Dòng điện trong nửa chu kỳ âm cũng sẽ tăng từ 0 (bằng 0 khi điện áp điểm E bằng điện áp điểm U/2) cho đến cực đại (nhưng dòng điện chạy trong mạch theo chiều ngược lại so với nửa chu kỳ dương trước đó) và đạt trạng thái bão hoà thì cũng sẽ dừng lại giống như sự bão hoà ở nửa chu kỳ dương khiến cho Từ thông đi qua Khung từ của Biến áp Kích xung Tr1 sẽ ngừng biến thiên nên cả 2 Suất điện động ξ1 và ξ2 lại bị triệt tiêu để quay trở lại hình thành nửa chu kỳ dương tiếp theo giống như ban đầu đã được giải thích trên đây.

          Quá trình hình thành và chuyển đổi giửa các nửa chu kỳ âm và dương của sự dạo động tự kích nói trên sẽ tạo thành dòng điện xoay chiều sinh ra trong các mạch điện nói trên bao gồm dòng điện xoay chiều Mạch chính được tạo ra giữa điểm E và điểm U/2 và đi qua L1 của Biến áp Tr1 rồi qua Sơ cấp của Tr2 sau đó qua Tụ C6ghép cách ly dòng một chiều.

          Các dòng xoay chiều mạch phụ là hai Suất điện động ξ1 được sinh ra trong cuộn L2-1 và ξ2 được sinh ra trong cuộn L2-2 của Biến áp Kích xung Tr1.

          Mạch Dao động Tự kích được mô tả theo sơ đồ tối giản như nói trên.

     Sự hình thành dòng điện trong Biến áp Công suất Tr2

          Vì Cuộn Sơ cấp L1 của Biến áp Kích xung Tr1 được ghép nối tiếp với Cuộn Sơ cấp của Biến áp Công suất Tr2 nên khi dòng điện xoay chiều chạy qua trong Mạch chính bao gồm cuộn L1 của Biến áp Tr1 và Sơ cấp của Tr2 thì cũng sẽ khiến cho Biến áp Tr2 tạo ra các Suất điện động ξ tại hai nửa cuộn Thứ cấp với Công suất khá lớn để cấp cho tải cần thiết.

          

Quan trọng nhất đối với Mạch nguồn AT là chính điện áp ra trên cuộn Thứ cấp của Biến áp công suất sẽ vừa cấp điện áp cho tải thì đồng thời sẽ cấp nguồn cho Mạch tạo dao động điều khiển nguồn PWM để cấp cho các L3-1 và L3-2 để khống chế sự dao động tự kích nói trên và đồng thời hình thành quá trình điều khiển Nguồn bằng nguyên lý Switching với khả năng Điều chế Độ rộng Xung(PWM) thông qua IC TL494.

          Mạch trên đây là Mạch tạo Dao động và Điều khiển Độ rộng Xung PWM của Mạch Nguồn Switching Cách ly qua Biến áp Công suất Tr2 như đã được trình bày trên đây:

          Điện áp Vcc được tạo ra ở Thứ cấp của Biến áp Công suất Tr2 bởi Mạch Dao động Tự kích  như đã phân tích trên đây sẽ cung cấp cho Mạch Nguồn nói trên hoạt động, IC TL494 sẽ tạo ra Dao động PWM hai Phase là Osc1 và Osc2 để cấp cho 2 cuộn phản hồi L3-1 và L3-2 để đưa về cho các cuộn hồi tiếp L2-1 và L2-2 nhằm khống chế dao động tự kích ban đầu của mạch gây nên và tạo ra sự dao động có điều khiển duy trì bằng Dao động PWM để đảm bảo ổn định được điện áp ra Vcc cho tải theo yêu cầu...

          Chú ý 1: Tải sẽ được cung cấp bởi điện áp Vcc và điểm nối đất (không được cấp cực âm Vss lấy trực tiếp tại cuộn Thứ cấp của Biến áp Công suất Tr2) vì điểm nối đất sẽ được nối với cực âm Vss của Thứ cấp Biến áp Công suất Tr2 thông qua Điện trở R10 = 1Ω để kiểm tra Cường độ dòng điện tải nếu quá lớn thì nó sẽ làm điện áp so sánh quá tải ở chân 15 (thông qua Điện trở R9 = 270Ω) bị hạ thấp hơn điện áp của điểm nối đất chung của tải và IC TL494 (tức là âm hơn điện áp ở chân 16 - chân 15 là so sánh điện áp âm và chân 16 so sánh điện áp dương: Nếu điện áp vào chân 15 thấp hơn chân 16 thì Mạch sẽ ngắt dao động) khiến cho IC TL494 ngắt dao động nhờ vậy Tải sẽ bị cắt nguồn cung cấp để chống bị quá tải cho Mạch nguồn nói trên.

          Chân 'Com' của Biến áp Kích xung Tr1 được nối với dương nguồn Vcc thông qua R11 = 1k5 để chống bị đoản mạch đối với các xung ngược bị triệt bởi các diode D1 và D2 (2 diode muỗi loại 1N148).

           Mạch trên đây mô tả đầy đủ và hoàn chỉnh hơn phần Nguồn cấp trước cho IC TL494 thông qua phương thức tự dao động: Cực dương nguồn Vcc sẽ cấp nguồn cho tải đồng thời cấp nguồn cho IC TL494 tạo ra dao động PWM để có thể điều khiển ổn định điện áp ra Vcc.

          Cực âm Vss cấp âm nguồn - nối đất cho tải và Mạch IC TL494 thông qua R10 = 1Ω để so sánh Dòng điện quá tải cấp cho tải cần sử dụng.

          Chú ý 2: Theo hình mô tả nói trên, trong một Bộ nguồn AT luôn có 2 Biến áp Xung (có lõi bằng bột ferrit) gồm Biến áp Tr1 là Biến áp Kích xung có kích thước nhỏ chỉ cho phép cung cấp một Công suất tối đa vào khoảng 6 ÷ 10W và Biến áp Công suất có kích thước lớn hơn rất nhiều có thể cung cấp được Công suất tối đa lên tới 200W.

          Mặc dầu vậy, ưu điểm của Biến áp Xung (Tần số cao) là có thể cung cấp được một Công suất tải rất lớn nhưng kích thước của nó nhỏ hơn rất nhiều lần so với các loại Biến áp Sắt từ thông thường hoạt động với Tần số 50 Hz.

          Hình bên đây mô tả một Biến áp Sắt từ thông thường có kích thước lõi bên trong là:

S = 2 x 3 = 6cm2

Có thể cung cấp được một Công suất Tải tối đa là P theo hệ thức kinh nghiệm gần đúng như dưới đây:

P = S2 = 62 = 36 W

Với cùng kích thước và tiết diện lõi như trên nhưng nếu sử dụng Biến áp Xung Tần số cao trong Nguồn Switching thì Công suất tối đa có thể đạt tới 200W. Điều đó cho thấy Nguồn Switching ưu thế gọn nhẹ về kích thước và tính ổn định cao đối với điện áp ra trong lúc sử dụng các Nguồn Biến áp thông thường phải đòi hỏi kích thước cồng kềnh, nặng nề và điện áp ra thay đổi phụ thuộc vào điện áp vào cũng như phụ thuộc mức tiêu thụ của Tải.

²      Trị số của các cuộn Biến áp

Trong các Bộ nguồn AT chỉ có 2 Biến áp là Biến áp Kích xung Tr1 để tự tạo ra dao động tự kích ban đầu vừa để cấp nguồn trước cho IC TL494 hoạt động và sau đó IC TL494 tạo ra Xung dao động có điều chế Độ rộng Xung sẽ cấp trở về để không chế sự dao động tự kích này và tự điều chỉnh lại điện áp ra. Biến áp này chỉ có kích thước rất nhỏ với Tiết diện lõi của các cuộn dây trong khoảng 6 ÷ 10mm2 và có các cuộn dây với số vòng lần lượt như dưới đây:

Đối với Biến áp Tự kích Tr1:

Cuộn Tự kích L1 = 2 vòng cỡ dây 0,5mm (dùng 3 ÷ 4 sợi dây 0,15 cuốn chập với nhau);

Cuộn phản hồi L2-1 = L2-2 = 10 vòng cỡ dây 0,1mm;

Cuộn cấp Xung điều khiển Độ rộng Xung (Xung PWM do IC TL494 tạo ra)L3-1 = L3-2 = 38 vòng cỡ dây 0,15mm

Chú ý Tiết diện cũng như kích thước của Biến áp Kích Xung Tr1 có thể thay đổi và lớn hơn kích thước chuẩn của Biến áp Xung hiện tại (nếu cần thay thế sửa chữa Biến áp Xung hoặc thiết kế mới mà không có loại Biến áp Xung cùng Kích cỡ và Tiết diện thì có thể sử dụng loại lớn hơn nhưng không được bé hơn vì nếu bé hơn sẽ không đủ Công suất yêu cầu) thì trị số các cuộn dây của Biến áp Xung này vẫn được cuốn như vậy, không thay đổi. Đây chính là một đặc tính rất lợi hại của các Nguồn Switching.

Đối với Biến áp Công suất Tr2 (có kích thước và Tiết diện lõi cuốn dây lớn hơn so với Biến áp Kích Xung Tr1 rất nhiều lần) để có thể cung cấp được Công suất Tải tới vài chục W thậm chí lên tới 250W hoặc hơn nữa và các cuộn dây của Biến áp công suất được qui chuẩn theo các tham số kỹ thuật dưới đây:

Cuộn Sơ cấp: 45 vòng cỡ dây 0,3 mm

Cuộn điện áp ra (có nhiều đường điện áp ra) thường được cuốn đối xứng theo kiểu lấy ra 2 nửa cuộn để cho phép chỉnh lưu ra theo 2 nửa chu kỳ dòng điện đối với những đường điện áp cần dòng tải lớn (nếu không cần dòng tải lớn thì chỉ cần cuốn cuộn đơn là đủ) được cuốn theo Hệ thức chuẩn là 3Volt/vòng tức là nếu cần điện áp ra là 12V thì chỉ cần cuốn 2 nửa cuộn 4 vòng x 2 là đủ.

Tác giả bài viết: Dr Trần Phúc Ánh