Biến áp xung là một trong những loại biến áp tùy chỉnh được sử dụng rộng rãi nhất trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Nhìn chung, các thiết bị chân không chủ yếu hoạt động với điện áp xung công suất cao được tạo ra bởi các biến áp xung công suất cao. Các biến áp này có cấu trúc nhỏ gọn và độ lặp lại vượt trội. Trong hầu hết các ứng dụng, người ta kỳ vọng vào độ rộng xung lớn, thời gian tăng ngắn và hiệu suất truyền tải năng lượng cao.

‍

Các máy biến áp này chủ yếu được thiết kế để chịu tải trọng cao nhằm phân phối điện năng. Chúng có khả năng truyền tải công suất lớn hơn nhiều so với máy phát điện thông thường có kích thước tương đương và có thể hoạt động ở tần số cao. Có nhiều lý do tại sao các máy biến áp này được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau. Bài viết này sẽ trình bày tổng quan về máy biến áp xung và nguyên lý hoạt động của nó.

Biến áp xung là gì?

Biến áp xung là một loại biến áp được thiết kế và tối ưu hóa để truyền xung điện áp giữa hai cuộn dây cũng như đến tải được kết nối. Loại biến áp này được sử dụng để truyền tín hiệu trong các mạch điều khiển có công suất thấp và là các thành phần thiết yếu trong bộ nguồn chuyển mạch công suất cao (SMPS). Sơ đồ biến áp xung được hiển thị bên dưới.

Các máy biến áp này xử lý dòng điện và điện áp ở dạng xung, do đó chủ yếu được sử dụng như máy biến áp cách ly trong các mạch điện tử công suất để tách nguồn và tải. Loại máy biến áp này được sử dụng trong radar, TV, máy tính kỹ thuật số và nhiều ứng dụng khác. Các chức năng chính của máy biến áp xung là:

• Biên độ xung điện áp có thể thay đổi.
• Có thể thay đổi cực tính của xung.
• Các tầng khác nhau của bộ khuếch đại xung có thể được ghép nối.
• Được sử dụng như một máy biến áp cách ly.

Thiết kế máy biến áp xung

Thiết kế của một máy biến áp xung chủ yếu phụ thuộc vào các thông số khác nhau như độ tự cảm, công suất định mức, trở kháng, mức điện áp từ thấp đến cao, kích thước, tần số hoạt động, đáp ứng tần số, điện dung cuộn dây, bao bì, v.v.

Các nhà thiết kế máy biến áp cố gắng giảm thiểu các thành phần ký sinh như điện dung cuộn dây, điện cảm rò rỉ thông qua các cấu hình cuộn dây tối ưu hóa sự ghép nối giữa các cuộn dây máy biến áp. Máy biến áp này có thể được thiết kế với nhiều loại, kích thước và hình dạng khác nhau bởi các nhà sản xuất như Butler Winding bằng cách sử dụng các cấu trúc tiêu chuẩn khác nhau.

Biến áp xung có kích thước nhỏ và số vòng dây tương đối ít. Do đó, điện cảm rò rỉ của cuộn dây là nhỏ nhất và điện dung giữa các cuộn dây của các biến áp này cũng nhỏ hơn.

Độ tự cảm từ hóa của máy biến áp xung cao vì lõi được thiết kế bằng ferit hoặc các dải hợp kim có độ thẩm thấu cao. Loại máy biến áp này bao gồm lớp cách điện có điện áp cao giữa hai cuộn dây và hướng xuống đất. Thông thường, các máy biến áp này xử lý tín hiệu xung hoặc điều chỉnh xung.

Hiệu năng của máy biến áp xung chủ yếu được xác định thông qua ảnh hưởng của nó đến hình dạng điện áp hoặc dòng điện đầu vào xung. Máy biến áp xung nhỏ chủ yếu được sử dụng trong máy phát xung, máy tính, v.v. Máy biến áp xung lớn chủ yếu được sử dụng trong hệ thống radar để cung cấp công suất từ ​​50 đến 100 MW ở điện áp từ 200 đến 300 kV trong vài micro giây.

Các loại máy biến áp xung

Máy biến áp xung được phân loại thành hai loại: máy biến áp xung công suất và máy biến áp xung tín hiệu. Máy biến áp xung công suất được sử dụng để thay đổi điện áp mức công suất từ ​​dải này sang dải khác. Loại máy biến áp này có sẵn ở dạng thiết kế sơ cấp một pha hoặc ba pha, hoặc thay đổi tùy thuộc vào cuộn dây được kết nối.

Biến áp tín hiệu sử dụng cảm ứng điện từ để truyền dữ liệu từ mạch này sang mạch khác. Vì vậy, chúng thường được sử dụng để tăng hoặc giảm điện áp từ đầu này sang đầu kia của máy biến áp nguồn. Khi sử dụng các biến áp này, tỷ số vòng dây sẽ quyết định sự thay đổi điện áp.

Xây dựng/Công trình

Chức năng chính của biến áp xung là tạo ra tín hiệu cho thiết bị bán dẫn cũng như cung cấp sự cách ly điện. Hình dưới đây minh họa một biến áp xung hình xuyến bao gồm hai cuộn dây như cuộn sơ cấp và thứ cấp. Cấu tạo của biến áp xung được thể hiện bên dưới.

• Mỗi cuộn dây đều có số vòng dây tương đương nhau, vì vậy bất kỳ cuộn dây nào cũng có thể hoạt động như cuộn sơ cấp hoặc cuộn thứ cấp.
• Tín hiệu đưa vào bộ chỉnh lưu điều khiển bằng silicon có thể được truyền qua tỷ lệ 1:1 hoặc 1:1:1 của máy biến áp.
• Tín hiệu liên tục cấp cho SCR có thể được cung cấp bởi máy biến áp 3 cuộn dây.
• Tín hiệu điều khiển của mạch kích hoạt thông qua biến áp xung có thể được thể hiện trong sơ đồ thứ hai.
• Chức năng của điện trở mắc nối tiếp là hạn chế dòng điện giữ của bộ chỉnh lưu.
• Ở đây, điốt 'D' được sử dụng để tránh dòng điện cổng đảo chiều và biến áp xung 1:1:1 có thể được sử dụng để tạo xung liên tục cho SCR.
• Hình trên là máy biến áp xung 3 cuộn dây. Việc thiết kế máy biến áp này có thể đạt hiệu suất cao. Độ tự cảm của cuộn dây sơ cấp phải cao để giảm dòng điện từ hóa. Dòng điện một chiều cung cấp cho toàn bộ cuộn dây sơ cấp trong máy biến áp có thể ngăn ngừa hiện tượng bão hòa lõi.
• Cuộn dây của máy biến áp có thể được bảo vệ thông qua lớp cách điện giữa hai cuộn dây. Do đó, cần phải có sự ghép nối chặt chẽ giữa hai cuộn dây. Tín hiệu nhiễu tạo ra đường dẫn thông qua điện dung giữa các tầng ở tần số cao.
• Tín hiệu đầu ra chịu ảnh hưởng của tần số. Hình dạng và tần số của tín hiệu đầu ra và tín hiệu đầu vào là giống nhau đối với tín hiệu có tần số cao. Do đó, tín hiệu đầu ra tỷ lệ thuận với sự kết hợp của tín hiệu đầu vào ở tần số thấp.

Thông số kỹ thuật

Các thông số kỹ thuật của máy biến áp xung chủ yếu bao gồm các thông số khác nhau liên quan đến đáp ứng đầu ra. Các thông số này sẽ xác định giới hạn méo xung cho phép.

Biên độ xung

Biên độ xung là giá trị đỉnh cao nhất của tín hiệu, ngoại trừ các xung nhọn không cần thiết.

Thời gian tăng (Tr)

Thời gian tăng là khoảng thời gian cần thiết để tín hiệu đầu ra tăng từ 10% lên 90% biên độ xung cực đại trong lần thử đầu tiên. Trong một số trường hợp, nó có thể được mô tả là khoảng thời gian cần thiết để tín hiệu đầu ra phản hồi khi biên độ xung tăng từ 0 đến một giá trị nhất định trong lần đầu tiên.

Vượt quá

Tín hiệu đầu ra vượt quá biên độ đỉnh được gọi là hiện tượng quá tải (overshoot).

Độ rộng xung

Khoảng thời gian giữa thời điểm đầu tiên và thời điểm cuối cùng mà biên độ tức thời đạt 50% biên độ cực đại được gọi là độ rộng xung hoặc thời lượng xung.

Rủ xuống

Hiện tượng sụt giảm (droop) là sự dịch chuyển biên độ xung trong suốt quá trình đáp ứng mức độ của nó, và nó cũng được gọi là hiện tượng nghiêng (tilt).

Thời gian mùa thu (Tf)

Thời gian giảm (fall time) có thể được định nghĩa là khoảng thời gian cần thiết để tín hiệu đầu ra giảm biên độ đỉnh từ 90% xuống 10% trong suốt quá trình đáp ứng của cạnh sau (tailing edge). Nó còn được gọi là thời gian suy giảm (decay time).

Động tác vung gậy lên

Phần mép sau mở rộng xuống dưới mức biên độ bằng không được gọi là phần vung ngược.

Ứng dụng/Công dụng của máy biến áp xung

Các ứng dụng của máy biến áp xung bao gồm những điều sau đây.

• Mạch tạo xung
• Ứng dụng chuyển mạch tương tự
• SCR
• Điện tử công suất
• Mạch xử lý dữ liệu
• Radar
• Transistor chuyển mạch
• Giao tiếp
• Mạch ống vi sóng
• Mạch điều khiển cho việc điều khiển bắn
• Mạch ống tia cathode (CRO)
• Hệ thống radar
• Điện tử số
• Biến áp xung đường truyền chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng truyền tín hiệu xung nhanh và cả trong truyền tín hiệu số.

Ưu điểm và nhược điểm

Những ưu điểm của máy biến áp xung bao gồm:

• Kích thước nhỏ
• Điện áp cách ly cao
• Giá rẻ
• Không cần nguồn điện bên ngoài
• Nó hoạt động ở tần số cao.
• Nó có khả năng truyền tải năng lượng cao.
• Bao gồm nhiều cuộn dây hơn
• Tránh dòng điện lạc
• Nó cung cấp khả năng cách nhiệt và kiểm soát.

Những nhược điểm của máy biến áp xung bao gồm:

• Ở tần số thấp, cả hai dạng sóng đầu ra đều khác nhau.
• Dòng điện một chiều được cấp qua cuộn dây sơ cấp để giảm hiện tượng bão hòa lõi.
• Loại máy biến áp này bị bão hòa ở tần số thấp hơn. Do đó, nó chỉ có thể được sử dụng cho tần số tối đa mà thôi.
• Tín hiệu không rõ ràng do sự ghép nối từ tính.

Như vậy, đây là tổng quan về máy biến áp xung và nguyên lý hoạt động của nó . Máy biến áp này chủ yếu được tối ưu hóa để truyền xung điện, điện áp hoặc dòng điện. Nó ghép tín hiệu từ cuộn dây sơ cấp sang cuộn dây thứ cấp để bảo vệ đường viền. Do đó, hiệu suất của máy biến áp xung có thể được đánh giá bằng cách đo ảnh hưởng của máy biến áp đến đường viền của tín hiệu bên ngoài. Vì vậy, yếu tố hiệu suất của nó chủ yếu phụ thuộc vào đường viền của tín hiệu đầu ra. Câu hỏi đặt ra cho bạn là, nguyên lý hoạt động của máy biến áp xung là gì?