Máy biến áp là gì ? Vai trò của máy trong hệ thống tư động hóa

Máy biến áp là thiết bị rất phổ biến trong hệ thống điện và có vai trò quan trọng trong truyền tải điện. Ngoài ra máy còn ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như: công nghiệp, điện tử, tự động hoá ... Bài viết này tìm hiểu kỹ hơn về thiết bị này cũng như vai trò ứng dụng trong hệ thống tự động hoá .

Cấu tạo máy biến áp

Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ nhằm biến đổi điện áp này sang điện áp khác (giữ nguyên tần số). Máy biến áp có cấu tạo chung gồm 3 bộ phận chính là lõi thép, dây quấn và vỏ máy.
Lõi thép: hay còn gọi là lõi từ gồm có trụ và gông. Trụ là phần để đặt dây quấn còn gông là phần nối liền giữa các trụ để tạo thành một mạch từ kín. Lõi thép được ghép thành hình dạng khác nhau: hình chữ Nhật, hình xuyến, hình trụ... tùy vào chức năng ứng dụng cụ thể.
 Lõi thép máy biến áp được chế tạo từ nhiều lá thép Silic mỏng từ 0,3-0,5 mm được sơn cách điện và ghép với nhau để giảm dòng điện xoáy trong lõi (dòng Fuco), vật liệu thường dẫn từ tốt thường là thép Sillic. Đối với các loại biến áp dùng trong lĩnh vực thông tin, tần số cao thường được cấu tạo bởi các lá thép permalloy ghép lại.

Dây quấn: vật liệu thường được chế tạo bằng đồng hoặc nhôm bên ngoài bọc cách điện để truyền tải năng lượng vào, ra. Với biến áp quấn bằng dây đồng thì sẽ dẫn điện tốt hơn, tránh được ôxi hoá, tăng tuổi thọ của biến áp.
Máy biến áp thường có 2 cuộn dây: cuộn sơ cấp là cuộn nhận điện năng từ lưới và cuộn thứ cấp là cuộn cấp điện cho phụ tải.

• Gọi W1 là cuộn sơ cấp và N1 là số vòng dây
• Gọi W2 là cuộn thứ cấp và N2 là số vòng dây thứ cáp

Các cuộn dây được quấn quanh trụ từ và được ngăn cách bởi vật liệu cách điện Số vòng dây ở hai cuộn phải khác nhau, tuỳ nhiệm vụ của máy tăng hay giảm áp mà có thể N1 > N2 hoặc ngược lại.
Với máy biến áp 3 pha: thường được ký hiệu
Dây cuốn cao áp: Pha A(A,X) pha B(B, Y) pha C(C, Z)
Dây cuốn hạ áp: Pha A(a,x) pha B(b.y) pha C(c,z)
Dây trung áp nếu có: Pha A(Am, Xm) pha B(Bm.Ym) pha C(Cm, Zm)

Vỏ máy: Tùy theo từng loại máy biến áp mà chúng được làm bằng các chất liệu khác nhau. Chúng thường được làm từ nhựa, gỗ, thép, gang hoặc tôn mỏng, có công dụng để bảo vệ các phần tử của máy biến áp ở bên trong nó, bao gồm: nắp thùng và thùng.
Với máy biến áp công suất lớn ( máy biến thế điện lực) vỏ máy còn có chức năng chứa dầu cách điện. Trên vỏ có hàn cánh tản nhiệt nhằm tăng diện tích dầu máy với không khí. Nhờ vào việc đối lưu dầu dẫn nhiệt ra ngoài không khí thông qua thùng máy.

Nguyên lý làm việc máy biến áp

Khi có dòng điện đặt vào cuộn dây sơ cấp W1, trong cuộn sơ cấp xuất hiện dòng điện I1. Dòng I1 cảm ứng trong lõi thép tạo từ thông biến thiên Φ1. Từ thông Φ1 móc vòng qua cuộn dây thứ cấp W2 sinh ra suất điện động cảm ứng. Do cuộn dây thứ cấp có trở kháng nên suất điện động trong cuộn thứ cấp:
E2 = I2(Z0+Z2) = I2.Z0 + I2.Z2 = U0 +U2
Trong đó:
U0: điện áp trên cuộn dây W2
U2: điện áp trên phụ tải Z2
Mỗi máy biến áp có nhiệm vụ cung cấp trực tiếp cho phụ tải, nó có vai trò là trung gian phân phối nguồn điện. Với mỗi máy thì có dung lượng nhất định và có lượng tiêu thụ nhất định(tổn thất): Máy tiêu thụ ít khi là công suất không tải P0 và lớn nhất khi ngắn mạch Pn.

Thông số kỹ thuật với mỗi máy biến áp

 Các thông số thường đi kèm với mỗi máy gồm:
Sđm(KVA): công suất định mức máy biến áp
Uđm1, Uđm2 (KV) điện áp định mức sơ cấp và thứ cấp máy biến áp.
Iđm1, Iđm2 (KA) dòng điện định mức cuộn sơ cấp và thứ cấp máy biến áp.
Un%: điện áp ngắn mạch tính theo %
I0%: dòng điện không tải khi máy vận hành
P0(W, KW): tổn thất không tải trị số này không đổi với mỗi máy biến áp.
Pk(W, KW) tổn hao có tải của máy biến áp
F(HZ) tần số làm việc của máy
Trọng lượng của máy: gam. Kg, tấn...

Phân loại máy biến áp

Cũng giống như nhiều các thiết bị điện khác, ta cũng có nhiều cách để phân loại máy biến áp.
Theo cấu tạo ta sẽ phân chia thành máy biến áp một pha và máy biến áp ba pha
Theo chức năng có máy biến áp hạ thế hay tăng thế
Theo cách thức cách điện: máy biến áp lõi dầu, máy biến áp lõi không khí,…
Theo mối quan hệ cuộn dây ta chia thành biến áp tự ngẫu và biến áp cảm ứng
Theo nhiệm vụ: máy biến áp điện lực, máy biến áp cho dân dụng, máy biến áp hàn, máy biến áp xung... Ngoài ra cũng có thể phân loại dựa vào công suất hay hiệu điện thế.

Máy biến áp là thiết bị trung gian truyền tải điện năng cho thiết bị điện. Với những thiết bị khác nhau cần những điện áp và dạng nguồn khác nhau tùy theo những ứng dụng cụ thể: Mạ, điện lực, ổn áp... Trong ngành tự động hóa thì rất cần nguồn điện ổn định ( thông số dòng điện, điện áp và tần số ) cần sự chính xác cao. Vì vậy máy biến áp là thành phần không thể thiếu trong hệ thống tự động hóa hiện đại ngày nay.

Nguyễn An

Biến tần ứng dụng thế nào trong công nghiệp

Với nguyên lý hoạt động thông minh của công nghệ inverter, hay công nghệ biến tần đang là sự lựa chọn tốt nhất cho các doanh nghiệp để điều khiển máy móc dùng động cơ điện. Hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất máy biến tần: biến tần Siemens,biến tần Omron,biến tần ABB, có nhiều loại khác nhau: loại 1 pha, 3 pha và có nhiều dải công suất khác nhau.

Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể đạt đến dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ. Bài viết này sẽ tìm hiểu những ứng dụng thông dụng của biến tần trong công nghiệp.

Công nghệ biến tần là gì?

Máy biến tần là thiết bị nhằm biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành tần số khác và có thể điều chỉnh được.
Nguyên lý cơ làm việc của máy biến tần khá đơn giản. Trước tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được lọc và chỉnh lưu thành nguồn điện 1 chiều phẳng. Giai đoạn này thực hiện bởi tụ điện và bộ chỉnh lưu cầu diode. Chính vì vậy, hệ số công suất cosphi có giá trị không phụ thuộc vào tải cũng như có giá trị ít nhất bằng 0.96. Điện áp một chiều này được biến đổi thành điện xoay chiều 3 pha đối xứng nhờ sự đóng cắt hợp lý các thiết bị công suất. Nguồn ra là nguồn xoay chiều hình sin 1 pha hoặc 3 pha.
Nhờ sự phát triển của công nghệ vi xử lý cũng như công nghệ bán dẫn lực, tần số chuyển mạch xung có thể lên đến dải tần số siêu âm nhằm làm giảm tiếng ồn của động cơ, giảm các tổn thất trên lõi sắt động cơ. Nhờ tính năng này mà các thiết bị có thể giảm tiêu thụ điện năng từ 20 đến 40%.

Một số ứng dụng của biến tần trong công nghiệp:

Biến tần điều khiển nâng hạ:

Dùng biến tần để điều khiển lực căng cho ứng dụng nâng, hạ trong ngành cấu trục, cầu trục, cần trục...
Biến tần dùng trong ứng dụng điều khiển vị trí:

Đặc biệt ứng dụng biến tần trong giải pháp tiết kiệm năng lượng trong các hệ thống bơm điều áp, trong ngành công nghiệp lạnh, ngành nén khí, công nghệ sản xuất bia, rượu, sữa, ngành giấy, nhựa…
Thay thế cho việc sử dụng các cơ cấu điều khiển vô cấp truyền thống trong máy công tác:

Sử dụng biến tần kết hợp với động cơ không đồng bộ 3 pha sẽ giúp điều chỉnh vô cấp thiết bị công tác, tiết kiệm được một lượng điện năng lớn, cải thiện hệ số công suất của motor, có khả năng tăng tốc động cơ lên rất cao , tích hợp nhiều chế độ điều khiển, có chức năng hãm, bảo vệ motor với việc phát hiện lỗi như: quá áp, thấp áp, mất pha, quá tải, quá dòng, chạm đất…từ đó nâng cao khả năng truyền thông, tự động hóa.
Cải thiện khả năng điều khiển của các hộp số:

Sử dụng biến tần điều khiển động cơ để mở rộng tốc độ máy giúp điều khiển đơn giản nhưng vẫn đáp ứng mọi đòi hỏi công nghệ về tốc độ với chi phí thấp.

Từ các ứng dụng phổ biến nêu trên máy biến tần ngày càng được quan tâm trong các doanh nghiệp và các công ty về lĩnh vực phân phối công nghiệp như trong điều khiển phải trực, thang máy, quạt công nghiệp... nhằm tiết kiệm điện, hiệu suất động cơ cao, tuổi thọ máy móc tốt hơn.

Nhờ tính năng vượt trội của biến tần trong công nghiệp đã đem lại hiệu quả cao về mặt kinh tế, tiết kiệm được nhiều chi phí cho các doanh nghiệp, đặc biệt là đối với những doanh nghiệp có nhu cầu sử dụng điện năng lớn: chế tạo thép, xi-măng. Vì vậy, máy biến tần trong công nghiệp là một trong những giải pháp tốt nhất giúp doanh nghiệp vượt qua khó khăn trong thời kỳ lạm phát hiện nay.

Trên đây là một số ứng dụng của công nghệ biến tần tiên tiến trong công nghiệp,công nghệ biến tần với những ưu thế vượt trội vẫn luôn phát triển và ứng dụng vào nhiều lĩnh vực,thay thế cho những công nghệ cũ lạc hậu,hao phí năng lượng.

Nên sử dụng biến tần hay khởi động mềm?

Hiện nay thì biến tần và khởi động mềm đều có tác dụng làm động cơ khởi động một cách nhẹ nhàng giúp tăng tuổi thọ động cơ và không gây ảnh hưởng đến lưới điện. dưới đây sẽ trình bày ưu nhược điểm của mỗi loại để dựa vào đó bạn đưa ra được phương án phù hợp nhất.

1. Sử dụng biến tần

Ưu điểm:
- Biến tần có hệ thống điều chỉnh tốc độ với kết cấu đơn giản, làm việc được trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau.
- Biến tần cho phép mở rộng dải điều chỉnh, nâng cao tính chất động học của hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều.
- Biến tần điều chỉnh tốc độ động cơ dễ dàng.
- Có khả năng bảo vệ động cơ: quá dòng, quá áp, mất pha, đảo pha…
- Biến tần được sử dụng linh hoạt cho nhiều ứng dụng khác nhau như bơm, quạt,…
Nhược điểm:
- Chi phí đầu tư thiết bị ban đầu cao.
- Người lắp đặt, vận hành phải trang bị kiến thức khi sử dụng biến tần.

2. Khởi động mềm

Ưu điểm:
- Khởi động mềm khởi động và dừng động cơ nhẹ nhàng, có điều khiển.
- Có các chức năng bảo vệ động cơ chạy quá tải, ngược pha, mất pha..
- Giá thành đầu tư thấp hơn so với biến tần.
 Nhược điểm:
- Khởi động mềm không điều chỉnh được tốc độ hoạt động.
 Từ việc so sánh ưu nhược điểm của mỗi loại thấy rằng: nếu ứng dụng cần yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ chính xác thì sử dụng biến tần là giải pháp tối ưu. Với ứng dụng tiết kiệm chi phí và máy khởi động êm lúc ban đầu thì sử dụng khởi động mềm là giải pháp không tồi.

TỔNG QUAN KIẾN THỨC VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Điện tử công suất là thuật ngữ quen thuộc đối với các chuyên gia và sinh viên ngành điện, điện tử, đo lường điều khiển và viễn thông. Tuy nhiên với đa số những người không thuộc chuyên ngành điện-điện tử thì thuật ngữ này khá khó hiểu. Bài viết này sẽ chia sẻ khái niệm và giải thích rõ hơn về linh kiện quan trọng này trong hầu hết các thiết bị điều khiển tự động cho những ai bước chân vào chuyên ngành điện, điện tử.

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT LÀ GÌ?

Điện tử công suất là gì? Để trả lời cho câu hỏi này bạn có thể hiểu định nghĩa điện tử công suất theo 2 góc độ như sau:

Định nghĩa hẹp: Điện tử công suất là tập hợp các thiết bị dùng để biến đổi và điều khiển dòng năng lượng điện dựa trên cơ sở các dụng cụ bán dẫn công suất.

Định nghĩa rộng: Điện tử công suất có thể được hiểu như một ngành khoa học kỹ thuật chuyên nghiên cứu về quá trình phát triển và ứng dụng các thiết bị điện tử công suất.

Điện tử công suất là gì?

LỊCH SỬ RA ĐỜI VÀ PHÁT TRIỂN CỦA ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Vào tháng 12 năm 1939: William Shockley là người đầu tiên đưa ra nguyên lý của chất bán dẫn có thể được sử dụng cho quá trình điều khiển nguồn điện
Ngày 23 tháng 12 năm 1947: là ngày chính thức đánh dấu phát minh về transistor, khi William Shockley, John Bardeen và Walter Brattain đó trình bày về transistor tiếp xúc điểm
Năm 1958: Mạch tích hợp (IC) được phát minh bởi Jack Kelby thuộc Texas Instrument
Năm 1957: Thyristor đã được giới thiệu bởi General Electric
Ngày nay, điện tử công suất có chỗ đứng quan trong trong công nghệ hiện đại và cách mạng hoá lĩnh vực điều khiển nguồn – năng lượng…

Tổng quan về điện tử công suất

TẠI SAO ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT NGÀY CÀNG PHÁT TRIỂN?

Điện tử công suất là công nghệ kết nối hai lĩnh vực truyền thống nguồn điện và mạch điện tử. Điện tử công suất có bước phát triển nhanh chóng trong thời gian gần đây, nguyên nhân chính bởi quá trình phát triển của các linh kiện bán dẫn, dựa trên sự phát triển công nghệ bán dẫn và chế tạo linh kiện bán dẫn.

Giá trị dòng điện, điện áp và các đặc trưng chuyển mạch của linh kiện bán dẫn đang được cải thiện, làm cho dải ứng dụng tiếp tục được mở rộng trong các lĩnh vực như điều khiển đèn điện, cấp nguồn cho điều khiển máy móc, tự động hóa nhà máy, vận tải, tích trữ năng lượng, các hệ truyền động công nghiệp nhiều MW và quá trình truyền tải và phân phối điện năng…

Cùng với đó, quá trình phát triển của mạch tích hợp cũng tạo nên sự phát triển cho điện tử công suất.

THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Nhiệm vụ chính: thực hiện biến đổi và truyền đạt dòng năng lượng công suất lớn theo tín hiệu điều khiển định trước. Quá trình biến đổi năng lượng được thực hiện bởi tập hợp các các dụng cụ bán dẫn công suất làm việc ở chế độ chuyển mạch và các phần tử điện từ khác.

Tín hiệu điều khiển quá trình năng lượng được hình thành từ yêu cầu của các quy luật điều khiển và đòi hỏi của công nghệ. Như vậy trong mỗi thiết bị điện tử công suất đồng thời xảy ra hai quá trình cơ bản:
Quá trình biến đổi và truyền đạt năng lượng
Quá trình xử lý và truyền đạt tín hiệu

PHÂN LOẠI THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Linh kiện điện tử công suất

Ở bài viết này mình đề cập đến cách phân loại thiết bị điện tử công suất theo định nghĩa hẹp, bạn có thể phân ra như sau:
THEO KHẢ NĂNG ĐIỀU KHIỂN
Không điều khiển: điốt
Bán điều khiển: thyristor
Điều khiển: BJT,…
THEO CẤU TRÚC
Điốt
Thyristor và Triac
BJT
MOSFET
IGBT
GTO

…

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ ỨNG DỤNG

CÁC ỨNG DỤNG CHÍNH CỦA ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT LÀ GÌ?
Các hệ truyền động động cơ một chiều
Các hệ truyền động động cơ xoay chiều
Điều khiển máy điện một chiều không cổ góp ( Brushless DC machine)
Các hệ truyền động máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Điều khiển một số máy điện đặc biệt: máy điện từ trở vi bước, động cơ bước
Các hệ thống cấp nguồn
Hệ thống nguồn liên tục UPS
Các ứng dụng nâng cao chất lượng nguồn: chỉnh lưu tích cực, lọc tích cực..
Truyền tải điện năng HVDC
MỘT SỐ LĨNH VỰC ỨNG DỤNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT LÀ GÌ?
Máy tính
Ô tô
Điện tử viễn thông
Hàng không và vũ trụ
Máy điện
Chiếu sáng
Chuyển đổi nguồn năng lượng ( năng lượng mặt trời, gió…)

TẢI TÀI LIỆU ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Download miễn phí tại đây: Google Drive!

TẢI MIỄN PHÍ GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TÁC GIẢ TRẦN TRỌNG MINH

Download miễn phí tại đây: Google Drive!

GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TÁC GIẢ PHẠM KHÁNH TÙNG

Download miễn phí tại đây: Google Drive!

Giáo trình điện tử công suất tham khảo:  Tại đây

Cảm biến công nghiệp - thiết bị không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại

Cảm biến công nghiệp là thiết bị đo đặc các đại lượng vật lý: nhiệt độ, áp suất, ánh sáng,.. Các tín hiệu đó chuyển đổi thành các tín hiệu điện tiêu chuẩn để đưa đến thiết bị phân tích. Thiết bị này thường các tác dụng chung là thu nhập dữ liệu (Sensor). Nó là thành phần quan trọng trong một thiết bị đo hay trong một hệ điều khiển tự động.

Cấu tạo cảm biến

Cấu tạo gồm: Thiết bị thu nhận tín hiệu, chuyển đổi tín hiệu và bộ khuếch đại tín hiệu và các phần tử mạch điện tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh, được đóng gói nhỏ gọn trong một vỏ hộp. Các tín hiệu phát ra được quy chuẩn theo các mức điện áp, và dòng điện thông dụng nhất phù hợp với các bộ điều khiển.

Phân Loại cảm biến

Mặc dù có hàng ngàn loại cảm biến khác nhau, nhưng thực tế khi chúng ta đi làm, thiết kế các máy móc, đặc biệt là ngành điện tự động hóa, chỉ có vài chục cảm biến công nghiệp thông dụng mà chúng ta dùng nhiều, thường thấy như cảm biến nhiệt độ, cảm biến quang, cảm biến áp suất, cảm biến tiện cận, cảm biến siêu âm, cảm biến độ ẩm vv. Bài viết này sẽ tìm hiểu nhũng cảm biến thông dung như vậy.

Công tắc hành trình (Limit Switches)

1. Công tắc hành trình dạng cơ khí:

Nguyên lý hoạt động của công tắc hành trình dạng này như sau:

Khi con lăn bị tác động, ép lò xo (1) làm tấm lò xo (6) di chuyển xuống phía dưới đến khi tác động lên cần đẩy (3) và nâng trục dẫn hướng (9) lên phía trên. Trên thân (2) có gắn tiếp điểm (4) và (5), trên trục dẫn hướng (9) gắn tiếp điểm(8). Khi trục dẫn hướng bị di chuyển lên phía trên thì tiếp điểm (4) mở sẽ thành tiếp điểm đóng và tiếp điểm đóng(5) thành tiếp điểm mở.

2. Công tắc hành trình nam châm

Cấu tạo công tắc hành trình nam châm gồm một vỏ bằng thủy tinh bên trong có hai cực làm bằng Rhodium, Volfram, bạc…. toàn bộ được chứa trong môi trường khí Nitơ, khí hydro hoặc chân không.



Đây là loại công tắc hành trình không tiếp xúc nghĩa là khi có nam châm di chuyển đến công tắc, sẽ làm cho đóng mạch của công tắc.

3. Ứng dụng:

Công tắc hành trình thường được sử dụng để giới hạn chuyển động, hành trình làm việc của một vật hay một chi tiết trong hệ thống.
Công tắc hành trình nam châm thường được sử dụng trong việc giới hạn hành trình xy lanh (trên cần đẩy của xy lanh có gắn nam châm vĩnh cửu), công tắc cửa của máy giặt, công tắc từ dùng gắn ở cửa của thiết bị báo trộm….

Cảm biến tiệm cận cảm ứng từ (Inductive Proximity Sensors)

1. Nguyên lý hoạt động

Cấu tạo cảm biến cảm ứng từ bao gồm 4 phần chính: cuộn dây điện từ, bộ tạo dao động, mạch trigger, khối output.

Bộ tạo dao động sẽ tạo ra tần số cao, thông qua cuộn dây điện từ sẽ tạo ra vùng từ trường biến thiên nằm ở đầu cảm biến, nếu có một vật bằng kim loại nằm trong vùng đường sức của từ trường, trong kim loại sẽ hình thành dòng điện xoáy, dòng điện xoáy này tạo ra từ trường mới ngược với từ trường ban đầu, làm cho biên độ dao động của từ trường giảm. Như vậy năng lượng của bộ dao động sẽ giảm, dòng điện xoáy sẽ tăng khi vật càng gần cuộn dây điện từ.

Mạch trigger có nhiệm vụ giám sát biên độ dao động của từ trường, nếu có sự thay đổi về biên độ từ trường, mạch trigger sẽ tác động đến output, làm thay đổi trạng thái ngõ ra của tải





Một số mẫu thực tế của cảm biến tiệm cận cảm ứng từ

2. Ứng dụng

Cảm biến cảm ứng từ được sử dụng để nhận biết các vật kim loại ở gần





Lưu ý: Khoảng cách tác dụng của cảm biến cảm ứng từ đối với đồng, nhôm, thau sẽ gần hơn so với sắt, thép.

Một số ứng dụng thực tế

 Cảm biến tiệm cận điện dung

1. Nguyên lý hoạt động

Cảm biến tiệm cận điện dung có cấu tạo tương tự cảm biến tiệm cận cảm ứng từ nhưng khác nhau ở bề mặt cảm biến.




Bề mặt cảm biến điện dung có cấu tạo bởi ba vòng kim loại đồng tâm. Hai vòng tròn kim loại ở trong cùng là hai điện cực tạo thành tụ điện, vòng tròn thứ ba ngoài cùng gọi là điện cực bù. Điện cực bù có tác dụng làm giảm độ nhạy của cảm biến đối với bụi bẩn, dầu mỡ…giúp cho cảm biến hoạt động chính xác hơn.

Khi một vật đến gần bề mặt của cảm biến, đi vào vùng tĩnh điện của điện cực, sẽ làm cho hệ số điện môi thay đổi, dẫn đến điện dung thay đổi ở bộ tạo dao động. Bộ tạo dao động bắt đầu hoạt động.. Mạch trigger sẽ kiểm tra biên độ dao động cho đến khi đạt bằng ngưỡng biên độ dao động tác động thì trạng thái ngõ ra output sẽ thay đổi. Khi vật đi ra xa bề mặt cảm biến sẽ làm cho biên độ dao động giảm, trạng thái ngõ ra output sẽ trở về trạng thái ban đầu.


Tham khảo thêm: Cảm biến ánh sáng quang điện trở (LDR)




Một số mẫu thực tế của cảm biến tiệm cận điện dung

2. Ứng dụng

Cảm biến tiệm cận điện dung có khả năng nhận biết được các vật cản kim loại cũng như là phi kim loại như là giấy, thủy tinh, chất lỏng, và vải….



Lưu ý khi sử dụng:

Do mỗi vật thể có hằng số điện môi khác nhau cho nên khoảng cách tác dụng của cảm biến điện dung đối với mỗi vật thể cũng khác nhau. Để hiểu rõ hơn chúng ta hãy xem xét bản đồ thị sau:



Nhìn đồ thị ta thấy rằng vật thể có điện môi càng cao thì khoảng cách tác dụng của cảm biến càng xa.

Bảng sau đây sẽ cung cấp cho ta hằng số điện môi của một số vật liệu:

 Ưu và nhược điểm của mỗi loại cảm biến

Ví dụ: Một cảm biến dung có khoảng cách tác dụng tối đa là 10mm, lấy rượu làm vật cản, hằng số điện môi của rượu là 25.8 tra bản đồ thị ta thấy tỉ lệ phần % khoảng cách tác dụng của cảm biến Sr là khoảng 85% tương đương khoảng cách tác dụng 8,5mm.

Một số ứng dụng thực tế:

 Cảm biến siêu âm

1. Nguyên lý hoạt động

Cảm biến siêu âm gồm có 4 phần chính: bộ phận phát và nhận sóng siêu âm, bộ phận so sánh, mạch phát hiện và mạch ngõ ra.

Bộ phận phát và nhận sóng siêu âm là gồm một cái đĩa ceramic kiểu áp điện được gắn ở dưới bề mặt của cảm biến. Đĩa này có khả năng phát và thu sóng siêu âm.

Khi có một điện áp với tần số cao được đưa vào thì đĩa sẽ rung động tạo ra sóng siêu âm. Khi sóng siêu âm được phát đi nếu gặp phải một vật cản thì tại đó sẽ dội ngược lại một sóng siêu âm mới có tần số tương tự nhưng có biên độ nhỏ hơn.



Khi cảm biến nhận được sóng phản hồi, bộ phận so sánh sẽ tính toán bằng cách so sánh thời gian phát và nhận tín hiệu sóng siêu âm, vận tốc sóng siêu âm để tính ra quãng đường đi của sóng siêu âm cũng chính là khoảng cách giữa cảm biến và vật cản.

Tín hiệu ngõ ra cảm biến siêu âm có thể là digital hoặc analog. Tín hiệu từ cảm biến digital báo có hay không sự xuất hiện của vật cản trong vùng cảm nhận của cảm biến. Tín hiệu từ cảm biến analog chứa đựng thông tin khoảng cách từ đối tượng đến cảm biến.

Tần số hoạt động: nhìn chung cảm biến siêu âm dùng trong công nghiệp hoạt động với tần số là từ 25KHz đến 500KHz. Các cảm biến siêu âm trong y khoa thì hoạt động với tần số 5MHz trở lên. Tần số của cảm biến tỉ lệ nghịch với khoảng cách phát hiện của cảm biến, với tần số 50KHz thì phạm vi hoạt động của cảm biến có thể lên tới 10m hoặc hơn, với tần số 200KHz thì phạm vi hoạt động của cảm biến giới hạn ở mức 1m.

Một số mẫu thực tế của cảm biến siêu âm

2. Ứng dụng

Trong công nghiệp cảm biến siêu âm dùng để điều khiển mực chất lỏng, phát hiện dây bị đứt, phát hiện người, phát hiện xe ….và nhiều ứng dụng khác trong cuộc sống như súng bắn tốc độ, máy siêu âm, máy tán sỏi thận….

Lưu ý khi sử dụng:

Có một vùng nằm trước cảm biến gọi là vùng mù. Khi vật cản nằm trong vùng này thì cảm biến sẽ không nhận ra được vật cản. Do đó ta phải điều chỉnh vị trí cảm biến khi lắp đặt sao cho khoảng cách từ vật cản cho đến đầu dò cảm biến phải lớn hơn khoảng cách vùng mù.

 Cảm biến quang

Cảm biến quang là một loại một thiết bị có khả năng nhận biết được hầu hết các vật ngoại trừ các vật trong suốt như thủy tinh… Chúng có thể nhận biết được vật với khoảng cách ở xa ( ngược với cảm biến điện dung và cảm biến cảm ứng từ), và chúng có thể nhận biết được vật trong môi trường chân không( ngược với cảm biến siêu âm)

Phần điều khiển của cảm biến quang bao gồm phần phát (nguồn sáng), phần thu để nhận ra ánh sáng do bên phát phát ra kết hợp với mạch so sánh và khuếch đại tín hiệu.

Ánh sáng sử dụng trong cảm biến quang là ánh sáng hồng ngoại đã được điều chế và được phát ra bởi diode phát quang (LED) với tần số từ 5 đến 30KHz.

Cảm biến quang được chia làm 3 loại chính:

1. Thru -Beam

Cảm biến loại Thru – Beam gồm hai đầu riêng biệt được gắn ở hai phía đối diện nhau. Đầu phát sẽ phát ra chùm tia hội tụ thông qua một thấu kính hướng tới bên thu.

Bình thường khi không có vật che tia sáng thì đầu thu sẽ nhận ra ánh sáng do đầu phát phát ra, lúc này ngõ ra của cảm biến sẽ không tác động. Tuy nhiên khi có một vật băng ngang qua giữa đầu phát và đầu thu khi đó tia sáng sẽ bị che làm cho đầu thu không nhận ra ánh sáng do đầu phát phát ra lúc này cảm biến sẽ tác động làm thay đổi trạng thái ngõ ra.





Cảm biến loại này thường được sử dụng ở nơi công cộng như bảo tàng, bãi đỗ xe… nhằm phát hiện ra sự di chuyển của một vật.

Trong công nghiệp hai đầu của cảm biến được gắn hai phía đối diện nhau của băng tải nhằm phát hiện sự di chuyển của vật trên băng tải.

Khoảng cách tối đa mà cảm biến loại này có thể nhận ra được vật cản là khoảng 100m.

2. Diffuse Reflective

Cảm biến Diffuse Reflective là loại cảm biến tiệm cận có phần phát và phần thu được đặt trên cùng một khối. Ánh sáng từ phần phát phát ra đập vào vật và phản xạ lại ánh sáng kiểu khuếch tán. Nếu phần thu nhận đủ lượng ánh sáng phản xạ cần thiết, trạng thái ngõ ra sẽ tác động. Nếu không có vật cản thì không có ánh sáng phản xạ lại, phần thu không nhận đủ lượng ánh sáng phản xạ cần thiết, trạng thái ngõ ra sẽ không tác động.



Cảm biến loại này tiện lợi hơn loại cảm biến Thru – beam bởi vì phần phát và phần thu được đặt chung cùng một vỏ nên đấu dây đơn giản. Tuy nhiên loại cảm biến này không nhận ra những vật cản có bề mặt mờ đục hay vật cản có bề mặt phản xạ ánh sáng kém.

Khoảng cách tối đa mà cảm biến loại này có thể nhận ra được vật cản là khoảng 1m.

3. Retro – reflective

Cảm biến Retro – reflective có phần phát và phần thu được đặt chung cùng một vỏ giống cảm biến loại diffuse reflective nhưng nguyên lý hoạt động giống loại Thru – Beam. Ánh sáng từ phần phát sẽ được chiếu thẳng đến một gương phản xạ và ánh sáng phản xạ về phần thu. Khi có một vật che đường ánh sáng thì ngõ ra của cảm biến sẽ tác động, ngược lại nếu không có vật che đường ánh sáng thì ngõ ra cảm biến sẽ không tác động.




Cảm biến loại này có thể nhận biết được các loại vật cản, tuy nhiên khi sử dụng cảm biến loại này chúng ta cần sử dụng gương phản xạ đồng bộ với cảm biến do nhà sản xuất cung cấp để phát huy hiệu quả của cảm biến.

Khoảng cách tối đa mà cảm biến loại này có thể nhận ra được vật cản là khoảng 10m.





Một số ứng dụng thực tế




Cảm biến

Ưu điểm và Nhược điểm

Công tắc hành trình
Khả năng chịu dòng cao
Giá thành hạ
Cần phải có sự tác động vật đối công tắc hành trình
Thời gian đáp ứng chậm

Cảm biến quang
Có thể nhận biết được tất cả các loại vật liệu
Có khả năng nhận biết được vật ở xa
Tuổi thọ cao
Thời gian đáp ứng nhanh
Bề mặt của cảm biến nếu bị bẩn sẽ không hoạt động tốt
Khoảng cách nhận biết được vật của cảm biến phụ thuộc vào màu sắc và hệ số phản xạ của vật

Cảm biến tiệm cận cảm ứng từ
Sử dụng được trong môi trường khắc nghiệt
Nhận biết được vật bằng kim loại
Tuổi thọ cao
Dễ dàng lắp đặt
Giới hạn về khoảng cách nhận biết vật

Cảm biến tiệm cận điện dung
Nhận biết được chất lỏng nằm trong chai.
Có thể nhận biết được vật không phải là kim loại
Giới hạn về khoảng cách nhận biết vật
Nhạy cảm với môi trường thay đổi

Cảm biến siêu âm
Nhận biết được tất cả các loại vật liệu
Nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ môi trường
Không nhận biết được vật trong môi trường chân không

 Cách đấu dây cảm biến

1. Ngõ ra là transiotor

a. Ngõ ra là loại transistor PNP



b. Ngõ ra là loại transistor NPN



2. Ngõ ra là dạng 2 tiếp điểm

a. Loại 2 đầu dây



b. Loại 3 đầu dây



c. Loại 4 đầu dây





Lưu ý: Hiện nay trên thị trường, cảm biến được sản xuất bởi nhiều công ty ở nhiều quốc gia khác nhau do đó chúng rất đa dạng về hình dáng, chủng loại vì vậy khi ta sử dụng một cảm biến cụ thể chúng ta cần tìm hiểu kỹ cách đấu dây và khả năng ứng dụng của cảm biến đó để sử dụng chúng một cách an toàn và hiệu quả.

Cảm biến tiệm cận ngõ ra là transistor thường có hai loại npn và pnp. Cảm biến loại npn còn gọi là cảm biến có ngõ ra kích âm, còn cảm biến loại npn còn gọi là ngõ ra kích dương. Việc xác định ngõ ra kích dương kích âm kích dương rất quan trọng trong việc đấu dây.

Thông thường ba đầu dây của cảm biến tiêm cận có quy luật màu như sau: đỏ + đen – ; trắng ngõ ra dây tín hiệu hoặc nâu +, xanh sẫm – đen ngõ ra dây tín hiệu.

Nguồn tổng hợp

CHUẨN TRUYỀN THÔNG RS-485 LÀ GÌ?

Chuẩn truyền thông RS-485 là gì? Tìm hiểu về chuẩn truyền thông RS-485? Nguyên lý hoạt động chuẩn RS-485? Năm 1983, Hiệp hội công nghiệp điện tử (EIA) đã phê duyệt một tiêu chuẩn truyền cân bằng mới gọi là RS-485. Đã được chấp nhận rộng rãi và sử dụng trong công nghiệp, y tế, và dân dụng. Có thể coi chuẩn RS485 là một phát triển của RS232 trong việc truyền dữ liệu nối tiếp. Những bộ chuyển đổi RS232/RS485 cho phép người dùng giao tiếp với bất kỳ thiết bị mà sử dụng liên kết nối tiếp RS232 thông qua RS485. Liên kết RS485 được hình thành cho việc thu nhận dữ liệu ở khoảng cách xa và điều khiển cho những ứng dụng. Những đặc điểm nổi trội của RS485 là nó có thể hỗ trợ một mạng lên tới 32 trạm thu phát trên cùng một đường truyền, tốc độ baud có thể lên tới 115.200 cho một khoảng cách là 4000feet (1200m).



Với kiểu truyền cân bằng và các dây được xoắn lại với nhau nên khi nhiễu xảy ra ở dây này thì cũng xảy ra ở dây kia, tức là hai dây cùng nhiễu giống nhau. Điều này làm cho điện áp sai biệt giữa hai dây thay đổi không đáng kể nên tại nơi thu vẫn nhận được tín hiệu đúng nhờ tính năng đặc biệt của bộ thu đã loại bỏ nhiễu. Liên kết RS485 được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp, nơi mà môi trường nhiễu khá cao và sự tin tưởng vào tính ổn định của hệ thống là điều quan trọng. Bên cạnh đó khả năng truyền thông qua khoảng cách xa ở tốc độ cao cũng rất được quan tâm, đặc biệt là tại những nơi mà có nhiều trạm giao tiếp được trải ra trên diện rộng.

Thông số	Điều kiện	Min	Max	Đơn vị
Áp ngõ ra điều khiển  khi hở mạch		1.5 -1.5	6 -6	V V
Áp ngõ ra điều khiển  khi có tải	RL=100Ω	1.5 -1.5	5 -5	V V
Dòng ngắn mạch ngõ ra  điều khiển	1 ngõ ra nối với điểm chung		±250	mA
Thời gian cạnh lên ngõ  ra điều khiển	RL=54Ω CL=50pF		30	% Độ rộng bit
Áp kiểu chung điều  khiển	RL = 54Ω		±3	±V
Ngưỡng nhạy thu và	-7V ≤ VCM ≤ 12V		±200	mV
Phạm vi áp kiểu chung  thu vào		-7	12	V
Tổng trở  ngõ vào phía  thu		12		KΩ

 Bảng 1:  Bảng tóm tắt thông số của RS485

1. Một số vấn đề liên quan đến chuẩn RS485.

1.1 Truyền dẫn cân bằng.

Hệ thống truyền dẫn cân bằng gồm có hai dây tín hiệu A,B nhưng không có dây mass. Sở dĩ được gọi là cân bằng là do tín hiệu trên dây này ngược với tín hiệu trên dây kia. Nghĩa là dây này đang phát mức cao thì dây kia phải đang phát mức thấp và ngược lại.

1.2 Mức tín hiệu.

Với hai dây A, B truyền dẫn cân bằng, tín hiệu mức cao TTL được quy định khi áp của dây A lớn hơn dây B tối thi ểu là 200mV, tín hiệu mức thấp TTL được quy định khi áp của dây A nhỏ hơn dây B tối thiểu cũng là 200mV. Nếu điện áp VAB mà nằm trong khoảng -200mV < VAB< 200mV thì tín hiệu lúc này được xem như là rơi vào vùng bất định. Điện thế của mỗi dây tín hiệu so với mass bên phía thu phải nằm trong khoảng –7V đến +12V.

1.3 Cặp dây xoắn.

Như chính tên gọi của nó, cặp dây xoắn (Twisted-pair wire) đơn giản chỉ là cặp dây có chiều dài bằng nhau và được xoắn lại với nhau. Sử dụng cặp dây xoắn sẽ giảm thiểu được nhiễu, nhất là khi truyền ở khoảng cách xa và với tốc độ cao.

1.4 Trở kháng đặc tính cặp dây xoắn.

Phụ thuộc vào hình dáng và chất liệu cách điện của dây mà nó sẽ có một trở kháng đặc tính (Characteristic impedence -Zo), điều này thường được chỉ rõ bởi nhà sản xuất. Theo như khuyến cáo thì trở kháng đặc tính của đường dây vào khoảng từ 100 - 120Ω nhưng không phải lúc nào cũng đúng như vậy.

1.5 Điện áp kiểu chung.

Tín hiệu truyền dẫn gồm hai dây không có dây mass nên chúng c ần được tham chiếu đến một điểm chung, điểm chung lúc này có thể là mass hay bất kì một mức điện áp cho phép nào đó. Điện áp kiểu chung (Common-mode voltage -VCM) về mặt toán học được phát biểu như là giá trị trung bình của hai điện áp tín hiệu được tham chiếu với mass hay một điểm chung.

1.6 Vấn đề nối đất.
Tín hiệu trên hai dây khi được tham chiếu đến điểm chung là đất (Ground) thì khi đó nó cần được xem xét kỹ lưỡng. Lúc này bộ nhận sẽ xác định tín hiệu bằng cách tham chiếu tín hiệu đó với đất của nơi nhận, nếu đất giữa nơi nhận và nơi phát có một sự chênh lệch điện thế vượt qua ngưỡng cho phép thì tín hiệu thu được sẽ bị sai hoặc phá hỏng thiết bị. Điều này cho thấy mạng RS485 gồm hai dây nhưng có tới ba mức điện áp được xem xét. Do đất là một vật dẫn điện không hoàn hảo nên nó có một điện trở xác định, gây ra chênh lệch điện thế từ điểm này tới điểm kia, đặc biệt là tại các vùng có nhiều sấm sét, máy móc tiêu thụ dòng lớn, những bộ chuyển đổi được lắp đặt và có nối đất.

Chuẩn RS485 cho phép chênh lệch điện thế đất lên tới 7V, lớn hơn 7V là không được. Như vậy đất là điểm tham chiếu không đáng tin tưởng và một cách tốt hơn cho việc truyền tín hiệu lúc này là ta đi thêm một dây thứ ba, nó sẽ được nối mass tại nguồn cung cấp để dùng làm điện áp tham chiếu.

1.7 Điện trở đầu cuối.

Điện trở đầu cuối (Terminating Resistor) đơn giản là điện trở được đặt tại hai điểm tận cùng kết thúc của đường truyền. Giá trị của điện trở đầu cuối lí tưởng là bằng giá trị trở kháng đặc tính của đường dây xoắn, thường thì vào khoảng 100 - 120Ω.

Nếu điện trở đầu cuối không phù hợp với giá trị trở kháng đặc tính của đường dây thì nhiễu có thể xảy ra do có sự phản xạ xuất hiện trên đường truyền, nhiễu ở mức độ nhỏ thì không sao nhưng nếu ở mức độ lớn thì có thể làm tín hiệu bị sai lệch. Sau đây là hình minh họa dạng tín hiệu thu được khi dùng hai điện trở đầu cuối khác nhau.

1.8 Phân cực đường truyền.

Khi mạng RS485 ở trạng thái rảnh thì tất cả các khối thu đều ở trạng thái lắng nghe đường truyền và tất cả khối phát đều ở trạng thái tổng trở cao cách li với đường truyền. Lúc này trạng thái của đường truyền được xem là bất định.

Nếu -200mV ≤ VAB ≤ 200mV thì trạng thái logic tại ngõ ra khối thu sẽ mang giá trị của bit cuối cùng nhận được. Điều này không đảm bảo vì đường truyền rảnh trong truyền dữ liệu nối tiếp đòi hỏi phải ở mức cao để khối thu không hiểu nhầm là có dữ liệu xuất hiện trên đường truyền.

Để duy trì trạng thái mức cao khi đường truyền rảnh thì việc phân cực đường truyền (Biasing) phải được thực hiện. Một điện trở R kéo lên nguồn ở đường A và một điện trở R kéo xuống mass ở đường B sao cho VAB ≥ 200mV sẽ ép đường truyền lên mức cao.

Nguyên nhân mà RS485 có thể tăng tốc độ và khoảng cách truyền thông là do RS485 sử dụng phương pháp truyền 2 dây vi sai (vì 2 dây có đặc tính giống nhau, tín hiệu truyền đi là hiệu số điện áp giữa 2 dây do đó loại trừ được nhiễu chung). Mặt khác do chuẩn truyền thông RS232 không cho phép có hơn 2 thiết bị truyền nhận tin trên đường dây trong khi đó với chuẩn RS485 ta có thể nồi 32 thiết bị thu phát trên 2 dây cho phép tạo thành 1 mạng cục bộ. Cáp tín hiệu truyền thông công nghiệp RS485 bao gồm các chuẩn 22AWG và 24AWG.

Nguồn xung là gì? những điều cần biết về nguồn xung

Nguồn xung ngày càng được sử dụng phổ biến trong các bo mạch điện tử, các thiết bị công nghiệp đến vật dụng gia đình. Dễ thấy có thể kể đến như: bếp từ, lò vi sóng, nồi cơm điện …Nguồn xung được sử dụng ngày càng rộng rãi do có ưu điểm hiệu suất cao, ít tỏa nhiệt và kích thước nhỏ hơn nhiều so với nguồn tuyến tính có cùng công suất. Để tìm hiểu về nguồn xung, các ưu điểm của nó và các ứng dụng trong thực tế sẽ được chia sẻ bằng bài viết dưới đây.

Nguồn xung là gì ?

Nguồn xung là bộ nguồn có tác dụng biến đổi từ nguồn điện xoay chiều sang nguồn điện một chiều bằng chế độ dao động xung tạo bằng mạch điện tử kết hợp với một biến áp xung. Chúng ta biết rằng nguồn tuyến tính cổ điển sử dụng biến áp sắt từ để làm nhiệm vụ hạ áp rồi sau đó dùng chỉnh lưu kết hợp với ic nguồn tuyến tính tạo ra các cấp điện áp một chiều mong muốn như 3.3V, 5V, 6V, 9V, !2V, 18V, 24V.... Những bộ nguồn như trên thường rất cồng kềnh và tốn vật liệu nên không còn được sử dụng nhiều.

Cấu tạo

Nguồn xung thường được tạo nên bởi một số linh kiện cơ bản có thể kể đến như sau:

Biến áp xung: Được làm từ các cuộn dây quấn trên một lõi từ giống với biến áp thường. Biến áp xung sử dụng lõi ferit và có công suất khá lớn, hoạt động tốt ngay cả ở dải tần cao, những điều mà biến áp thường khó có thể đáp ứng.

Cầu chì: bảo vệ mạch nguồn bị ngắn mạch

Cuộn chống nhiễu: có thể coi đây là một công tắc chuyển mạch, có thể là transistor, mosfet, IC,….

Tụ lọc nguồn thứ cấp: dùng để tích trữ năng lượng điện từ cuộn thứ cấp của biến áp xung để cấp cho tải tiêu thụ

IC quang và IC TL431: Có nhiệm vụ tạo ra một điện áp cố định để khống chế điện áp ra bên thứ cấp ổn định theo mong muốn. Chúng sẽ làm nhiệm vụ khống chế dao dộng đóng cắt điện vào cuộn sơ cấp của biến áp xung sao cho điện áp ra bên thứ cấp đạt yêu cầu.

Một số kiểu nguồn xung cơ bản

Nguồn xung kiểu Buck: Đây là kiểu biến đổi nguồn cho điện áp đầu ra nhỏ hơn so với điện áp đầu vào tức là Vinout

Nguồn xung kiểu Boot: Kiểu dạng nguồn xung này cho điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào Vin < Vout

Nguồn xung kiểu Flyback: Đây là kiểu nguồn xung truyền công suất gián tiếp thông qua biến áp. Cho điện áp đầu ra lớn hơn hay nhỏ hơn điện áp đầu vào. Từ một đầu vào có thể cho nhiều điện áp đầu ra

Nguồn xung kiểu Push-Pull: Đây là dạng kiểu nguồn xung được truyền công suất gián tiếp thông qua biến áp, cho điện áp đầu ra nhỏ hơn hay lớn hơn so với điện áp đầu vào. từ một điện áp đầu vào cũng có thể cho nhiều điện áp đầu ra. Nó được gọi là nguồn đẩy kéo
Nguyên lí hoạt động



Đầu tiên điện áp đầu vào từ 80V đến 220V xoay chiều qua các cuộn lọc nhiễu rồi vào đi ốt chỉnh lưu thành điện một chiều khoảng gần 130 -300V(tùy từng điện áp AC đầu vào) trên tụ lọc nguồn sơ cấp. Tụ lọc nguồn sơ cấp có nhiệm vụ tích năng lượng điện một chiều cho cuộn dây sơ cấp biến áp xung hoạt động. Các tụ lọc sơ cấp thường thấy như 4,7uF - 400V, 10uF-400V, 220uF-400V, 10uF-200V

Cuộn dây sơ cấp của biến áp xung được cấp điện theo xung cao tần thông qua khối chuyển mạch bán dẫn là các linh kiện như transistor, mosfet hay IGBT. Các xung điện này được tạo ra nhờ bộ tạo xung hoặc các mạch dao động điện tử. Các mạch dao động tạo xung thường gặp như Viper22, Viper12, hx202, Tl494, Sg3525

Ở bên cuộn thứ cấp của biến áp xung sẽ có những mạch chỉnh lưu cho ra điện một chiều cấp điện cho tải tiêu thụ. Điện áp thứ cấp này sẽ được duy trì ở một điện áp nhất định như 3.3V, 5V, 9V, 12V, 15V, 18V, 24 V nhờ mạch ổn áp. Đồng thời mạch hồi tiếp sẽ lấy tín hiệu điện áp ra để đưa vào bộ tạo xung dao động nhằm khống chế sao cho tần số dao động ổn định với điện áp ra mong muốn. Các IC ổn áp thường dùng là 7805, 7809, 7812, 7818. IC ghim áp đưa vào mạch hồi tiếp là IC431, còn IC hồi tiếp là opto couple PC817.

Các loại nguồn xung thông dụng.

Có 4 loại nguồn switching thông dụng nhất là:
+ Buck: biến đổi điện áp DC đầu vào thành đầu ra DC có điện áp nhỏ hơn
+ Boost: ngược lại so với Buck, điện áp đầu ra lớn hơn đầu vào
+ Buck-Boost (invert): Tạo điện áp âm có trị tuyệt đối lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp vào (điều chỉnh được)
+ Flyback: tạo điện áp dương có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp vào (điều chỉnh được)
Nhưng trước hết, ta sẽ điểm qua các thành phần chính của nguồn switching: Cuộn cảm, biến áp và PWM

1: Các thành phần chính của nguồn switching
a: Cuộn dây. - Điện áp trên cuộn dây và dòng điện đi qua nó liên hệ theo phương trình sau: V= L(di/dt)
- Từ phương trình trên ta rút ra được 2 đặc tính quan trọng của cuộn dây:
+ Chỉ có điện áp rơi trên 2 đầu cuộn dây khi dòng điện đi qua nó biến thiên.
+ Dòng đi qua cuộn dây không thể thay đổi đột ngột, bởi vì để làm được điều đó ta cần mức điện thế vô cùng lớn. Dòng qua cuộn dây thay đổi càng mạnh thì điện áp rơi trên nó càng lớn.

b: Biến áp - Biến áp cấu tạo bởi 2 hoặc nhiều cuộn dây có quan hệ từ tính với nhau. Hoạt động của biến áp là biến điện áp xoay chiều đầu vào sơ cấp thành điện áp thứ cấp có giá trị to hơn hoặc nhỏ hơn tùy theo số vòng dây quấn. Biến áp không tạo thêm năng lượng, cho nên năng lượng ở 2 đầu sơ cấp, thứ cấp phải bằng nhau (=const). Đó là lí do tại sao cuộn dây nhiều vòng quấn hơn có điện áp cao hơn nhưng dòng nhỏ hơn, trong khi cuộn dây ít vòng dây quấn hơn có điện áp nhỏ hơn nhưng dòng điện lớn hơn.


- Dấu chấm ký hiệu ở một trong hai đầu cuộn dây gọi là cực tính, thể hiện sự liên hệ về dấu của điện áp và chiều dòng điện của 2 cuộn sơ cấp và thứ cấp. Các bạn xem hình vẽ trên để biết thêm chi tiết.
- Một ứng dụng đơn giản của máy biến áp được sử dụng rất nhiều trong hệ thống đánh lửa của oto, xe máy...

Sơ đồ nguyên lý như trên. Cuộn dây N2 có số vòng lớn hơn rất nhiều so với N1. Khi công tắc (points closed - chính là nút bấm khởi động) đóng, điện áp qua N1 là 12V, dòng qua N1 là dòng một chiều (giá trị bằng dòng qua trở hạn dòng) nên không có hiện tượng cảm ứng từ.
Khi công tắc mở ra (ấn công tắc khởi động) dòng qua cuộn N1 giảm xuống rất nhanh, điện áp rơi trên nó cũng vọt lên rất lớn. Hiện tượng cảm ứng từ xảy ra khiến điện áp ở cuộn N2 tăng lên đến cỡ 30kV-40kV theo (công thức ở trên) gây phóng điện ở tiếp điểm spark gap, đốt cháy nhiên liệu và xe bắt đầu hoạt động!
c: PWM - Tất cả các loại nguồn switching đều có dạng điện áp đầu ra kiểu xung vuông với tần số xác định nào đó, gọi là Pulse Width Modulation (PWM), dân ta hay gọi là băm xung :D. Xét một ví dụ cơ bản sau:

- Điện áp ở dạng xung vuông với chu kỳ Tp, độ rộng Ton chính là thời gian xung ở điện áp đỉnh Vpk (Ton<=Tp). Xung vuông này sau khi cho qua mạch lọc LC sẽ bị san phẳng thành điện áp một chiều có giá trị Vout như hình vẽ. Ta có thể điều chỉnh điện áp Vout theo ý mình bằng cách điều chỉnh độ rộng xung Ton, Ton càng lớn thì Vout càng lớn và ngược lại. Đây chính là nguyên lý hoạt động chung của các loại nguồn xung.

2: Các loại nguồn switching
a. Buck converter - Đây là loại thông dụng nhất trong các loại nguồn switching. Người ta sử dụng nó trong các mạch với đầu vào DC lớn (24-48V) với các mức đầu ra 15V, 12V, 9V, 5V... với hao phí điện năng rất thấp. Buck converter sử dụng một transistor để đóng cắt liên tục theo chu kỳ điện áp đầu vào qua một cuộn dây. Sơ đồ nguyên lý cơ bản như sau:

- Hai hình bên dưới mô tả hoạt động của mạch ở 2 trạng thái nạp và xả của cuộn dây. Ta sẽ tính dòng qua điện trở LOAD (tải) ở hai trạng thái.
+ Trạng thái nạp: Do chênh lệch điện thế giữa 2 điểm SW và V0, dòng qua cuộn dây tăng dần lên, tụ C0 đồng thời được nạp. Dòng điện qua LOAD tính theo công thức I(LOAD)=I(L)-I(C0).
+ Trạng thái xả: Nguồn Vin bị ngắt ra, lúc này dòng cấp cho tải LOAD sẽ là dòng xả của cuộn dây và của tụ C0. I(LOAD)=I(L)-I(C0) (dấu - vì chiều quy ước của I(C0) chảy về C0).
Với cuộn dây có điện cảm đủ lớn và tụ có điện dung đủ lớn, ta sẽ có điện áp ra tải V0 gần như phẳng (gợn sóng chỉ cỡ mV) V0=I(LOAD)*R(LOAD)

b. Boost converter - Mạch boost converter cho điện áp DC đầu ra cao hơn đầu vào (cùng dấu). Sơ đồ nguyên lý mạch boost converter như sau:

- Hoạt động cơ bản như sau: Khi công tác đóng, dòng qua cuộn dây tăng dần lên. Khi công tắc mở ra, dòng qua cuộn dây giảm (do có thêm tải) khiến điện áp cuộn dây tăng lên. Điện áp này đặt vào tụ khiến cho tụ được nạp với điện áp lớn hơn điện áp Vin.
- Lưu ý rằng năng lượng đầu ra chỉ có thể nhỏ hơn hoặc bằng năng lượng đầu vào, do đó ở mạch boost converter dòng đầu ra phải nhỏ hơn dòng đầu vào (do áp đầu ra lớn hơn áp đầu vào).

c. Mạch Buck-Boost (inverting)
- Mạch tạo điện áp trái dấu, với đầu vào DC (âm hoặc dương) điện áp đầu ra trái dấu với điện áp đầu vào và có trị tuyệt đối có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp đầu vào. Sơ đồ nguyên lý cơ bản như sau:


- Khi công tắc đóng, điện áp vào Vin khiến dòng đi qua cuộn dây tăng lên. Lúc này dòng cấp cho tải chỉ là dòng do tụ phóng ra.
- Khi công tắc mở, điện áp vào Vin bị ngắt ra. Dòng đi qua cuộn dây giảm dần khiến điện áp trên nó tăng lên. Điện áp này nạp vào tụ đồng thời mở thông diode D dẫn dòng phóng ra từ cuộn dây cấp nguồn cho tải.
d. Nguồn flyback - Đây là loại nguồn linh hoạt nhất trong các loại nguồn switching, nó cho phép ta thiết kế một hoặc nhiều đầu ra ở các mức điện áp khác nhau kể cả đầu ra điện áp âm. Mạch flyback được sử dụng nhiều trong hệ thống cung cấp năng lượng (mặt trời, gió...) khi từ một đầu vào yêu cầu cho nhiều mức điện áp đầu ra theo yêu cầu hệ thống (thường là +5V, +12V, -12V...) với hiệu suất cao. Sơ đồ nguyên lý cơ bản của mạch nguồn flyback như sau:


- Đặc tính quan trọng nhất của mạch nguồn flyback là cực tính 2 cuộn sơ cấp và thứ cấp. Nếu ta muốn tạo điện áp dương thì cực tính 2 cuộn dây phải ngược nhau như trên hình, ngược lại nếu muốn tạo điện áp âm thì cực tính 2 cuộn dây phải cùng chiều. Ta sẽ bàn về vấn đề này sau. Nguyên tắc hoạt động như sau:
+ Khi công tắc đóng, dòng qua cuộn sơ cấp tăng lên. Xét cuộn sơ cấp lúc này, điện thế ở đầu có dấu chấm nhỏ hơn so với đầu còn lại dẫn đến ở cuộn thứ cấp cũng có điều tương tự. Điện thế ở đầu có dấu chấm của cuộn thứ cấp nhỏ hơn đầu kia của nó dẫn đến điện áp âm đặt lên diode theo chiều thuận, diode bị khóa. Nguồn cấp cho tải lúc này chỉ là do tụ phóng ra.
+ Khi công tắc mở, dòng qua cuộn sơ cấp giảm. Cuộn sơ cấp lúc này có điện thế ở đầu có dấu chấm lớn hơn so với đầu còn lại, dẫn đến cuộn thứ cấp cũng có điều tương tự. Điện áp dương đặt lên diode theo chiều thuận. Diode mở ra dẫn dòng từ cuộn thứ cấp nạp cho tụ đồng thời cấp cho tải.
Đây là nguyên tắc hoạt động cơ bản của nguồn flyback.
- Vậy vì sao lại nói đây là loại nguồn linh hoạt nhất? Ta xét sơ đồ sau:

- Đây là sơ đồ của một mạch flyback với 3 mức điện áp đầu ra, có cả điện áp âm. Muốn tạo điện áp âm rất đơn giản ta chỉ cần đảo chiều cực tính của cuộn dây, đảo chiều tụ đầu ra như hình trên.
- Một số đặc điểm của mạch flyback nhiều đầu ra như sau:
+ Phản hồi dòng điện để điều khiển PWM lấy từ đầu ra có dòng lớn nhất, như trên là ở đầu ra 5V.
+ Các IC nguồn LDO được sử dụng để đảm bảo các đầu ra ít nhiễu. Như với trường hợp trên, với đầu ra 12V thì cuộn thứ cấp sẽ được điều chỉnh cho điện áp khoảng 13V, chênh lệch điện áp nhỏ này đảm bảo tránh các vấn đề về quá nhiệt. Tương tự với đầu ra -12V sẽ là -13V ở cuộn thứ cấp.
+ Do bảo toàn năng lượng nên các bạn cần chú ý các đầu ra điện áp càng lớn thì dòng điện càng nhỏ và tổng năng lượng đầu ra nhỏ hơn hoặc bằng đầu vào. + Các đầu ra không có phản hồi dòng (như đầu ra +12V và -12V ở trên) có sụt áp khi phải kéo tải lớn cỡ 5%-10%. Nhưng điều này là quá đủ với đa phần ứng dụng.
Ngoài ra còn các loại nguồn switching khác như PUSH-PULL converter, HAFT-BRIDGE converter, FULL-BRIDGE converter.
Các bạn tham khảo thêm ở: http://www.ti.com/lit/an/snva559/snva559.pdf