Bảo vệ transistor Blocking - Switching

·      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 L₁ đáp 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 L₁ của 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 V_CC thì nó sẽ tạo ra một dòng điện ban đầu i qua L₁:

i = V_CC/ (Z_L1 + Z_Bat )

Trong đó, Z_L1: Trở kháng của cuộn L₁, Z_Bat: Trở kháng của nguồn V_CC.

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 V_CC. Vì thế, hai điện áp được tạo bởi V_CC 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 = (V_CC – E)/(Z_L1 + Z_Bat )

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

Nếu điện áp của xung V_CC 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 V_CC và làm cho trở kháng tương đương của toàn mạch được xác định bởi:

Z = V_CC/i > (Z_L1 + Z_Bat)

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 » – òV_CC.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 L₁ chỉ còn thuần trở R_L1 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:

f_{Inv 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:

Z_C3 = 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 R₃ được 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 ¸ 1,5V_{P – P}  đối với xung thuận và khoảng 5 ¸ 7V_{P – P} đối 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 6V_{P – 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 1V_{P – P} ¸ 2,5V_{P – 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 I_B0 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 V_CC thì điện trở phân cực R₁ được xác định sao cho:

I_B0 = V_CC/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:

Z_L = 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.