Mã số N2029: Bộ KIT thí nghiệm đa năng Tesla Coils bách khoa toàn thư kỹ nghệ thực hành

Trong quá trình học tập các môn khoa học, công nghệ và kỹ thuật, học sinh, sinh viên không chỉ cần tiếp thu kiến thức lý thuyết mà còn có nhu cầu trực tiếp thực hành, thử nghiệm và kiểm chứng những nguyên lý khoa học thông qua các mô hình thực tế. Tuy nhiên, việc tiếp cận các thiết bị thí nghiệm phù hợp, có tính linh hoạt và khả năng ứng dụng trong nhiều nội dung học tập vẫn là một thách thức đối với người học và cơ sở giáo dục. Đa phần các sản phẩm thực tế hoặc các bộ thí nghiệm đều được thiết kế riêng biệt và chuyên dụng gây nên sự lãng phí tiền bạc và tài sản nhưng chỉ sử dụng được cho một hoặc vài mục đích cụ thể.

Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn đó, Bộ kit thí nghiệm đa năng Tesla Coils – Bách khoa Toàn thư Kỹ nghệ Thực hành được phát triển nhằm tạo ra một công cụ hỗ trợ học tập trực quan, giúp người học từng bước chuyển hóa kiến thức lý thuyết thành trải nghiệm thực hành dựa trên cùng một nguyên tắc chung và duy nhất giúp tiết kiệm tiền bạc và tài sản vì chỉ cần duy nhất một bộ thí nghiệm mà có thể dung được cho vô số mục đích thí nghiệm khác nhau. 

Thông qua việc lắp ráp, vận hành, quan sát và thử nghiệm, học sinh, sinh viên có cơ hội tìm hiểu các nguyên lý khoa học, tiếp cận tư duy kỹ thuật và phát triển khả năng giải quyết vấn đề trên công thức tổng quát như dưới đây:

                Core + Terminals = Any Thing. 

Trong đó Core chính là Khối mạch tạo ra tần số dao động, Terminals là các cơ cấu chấp hành tương ứng với mục đích cần tạo ra, Any Thing là kết quả cần tạo ra. Điểm nổi bật của bộ kit là định hướng tích hợp nhiều nội dung thí nghiệm trong một hệ thống, mở rộng khả năng khai thác trong hoạt động giảng dạy, học tập và nghiên cứu. Sản phẩm góp phần khuyến khích phương pháp học tập chủ động, học đi đôi với hành, đồng thời tạo điều kiện để người học phát huy tư duy sáng tạo, năng lực thiết kế và kỹ năng thực hành kỹ thuật.

I.  NGUYÊN LÝ TESLA COILS

Như đã giới thiệu sơ lược ở trên, Tesla Coils đầu tiên do Nikola Tesla phát minh cách đây ngót 150 năm chỉ đơn giản là một bộ Nghịch lưu do sự phóng điện của một tụ điện C1 được nạp điện áp vượt áp có thể phóng điện qua một tiếp điểm để kích thích cho cuộn sơ cấp L1 và tạo cảm ứng điện từ lên cuộn thứ cấp L2 và tạo ra cộng hưởng tần số do sự quyết định của L2C2. Nguyên lý này rất sơ đẳng, căn bản và rất dễ hiểu nên không còn gì để giải thích thêm (tuy nhiên, trong tài liệu hướng dẫn thực hành chi tiết và giáo trình lý thuyết kèm theo cũng sẽ trình bày và phân tích sâu thêm).

Nội dung này đề cập sâu vào các phiên bản hiện đại sau này là Dual Resonance Solid State – DRSS Tesla Coils để nêu bật những ứng dụng thực tiễn của Tesla Coils đã từng biến tướng và hiện thân khắp nơi trong cuộc sống. Sơ đồ nguyên lý của Tesla Coils thực chất gồm các khối chức năng cơ bản và quyan trọng dưới đây:

1. Khối Điều khiển Từ xa điều chế/giải điều chế tín hiệu điều khiển

Tesla Coils đầu tiên được dùng cho Vô tuyến điện được điều khiển bằng Mã Morse vì khi đó Kỹ thuật Vô tuyến và Kỹ thuật điện tử nói chung chưa đủ phát triển để tạo ra các hệ thống điều chế tín hiệu âm thanh và tách sóng âm thanh như bây giờ mà chỉ có thể truyền tin vô tuyến thông qua cơ chế ngắt mở Tesla Coils để nhận biết có tín hiệu hoặc không có tín hiệu theo quy ước của Mã Morse. 

Sau khi các bóng đèn chân không lần lượt ra đời (đèn 2 cực diode và đèn 3 cực Triod) thì Kỹ thuật Vô tuyến điện được phát triển vượt bậc có thể điều chế được âm thanh tức là có thể truyền đi giọng nói con người cũng như những bản nhạc… Dần dần Marconi là nhà sản xuất Rodio đầu tiên trên thế giới đã tiểu hình hóa Tesla Coils thành bộ anten dùng lõi bột từ nhỏ gọn hơn và có độ nhạy cao hơn để tích hợp vào bên trong các máy thu hoặc máy phát vô tuyến điện nên Tesla Coils trở nên vắng bóng dần trong Vô tuyến điện.

Trong khoảng 20 năm trở lại đây, trào lưu khôi phục Tesla Coils bùng phát, với sự phát triển của linh kiện bán dẫn, phần lớn người ta tích hợp phần cấu trúc của Tesla Coils bằng IC nên cũng bắt đầu áp dụng nhiều cơ chế điều khiển khác nhau nhưng do nhu cầu hạn chế nên các Tesla Coils phổ biến trên thế giới đều đang được điều khiển bằng kỹ thuật Điều chế Độ rộng Xung – PWM (Pulse Width Modulation).

Tần số lấy mẫu điều chỉnh được trong phạm vi 100 – 500Hz chủ yếu để Tesla Coils phóng điện theo âm nhạc phổ tần thấp dưới 250Hz (tần số lấy mẫu thường phải lớn hơn 2 lần so với Tần số tín hiệu cần được truyền đi hoặc được điều khiển).

Đó là vì nhu cầu thực tế của Tesla Coils chỉ để phục vụ cho biểu diễn phóng điện. Về mặt nguyên lý và cả về Kỹ thuật cũng như Công nghệ thì Tesla Coils có thể được điều khiển hoặc điều chế bởi dải tín hiệu không bị hạn chế miễn là thiết kế được để Tesla Coils hoạt động được tần số càng cao thì nó sẽ điều chế hoặc truyền tải được thông tin có dung lượng càng lớn không khác gì các hệ thống thông tin vô tuyến hiện đại ngày nay nên giải pháp điều khiển hoặc điều chế tín hiệu không bị giới hạn bởi duy nhất Điều chế Độ rộng Xung PWM mà có thể ứng dụng các kỹ thuật Điều Biên AM, Điều Tần FM, Điều Xung dịch FSK… và có thể ứng dụng các điều chế của Công nghệ Băng thông rộng như là QAM…

Cho nên nếu thiết kế để Tesla Coils hoạt động được ở tần số càng lớn tới hàng trăm MHz (thông thường kích thước của Tesla Coils càng bé thì tần số hoạt động cho phép càng cao) thậm chí lên tới hàng GHz thì Tesla Coils cũng có thể đảm nhiệm vai trò như những hệ thống vô tuyến hiện đại cũng có thể truyền được internet, Wifi, truyền thông vệ tinh cho tới cáp quang…

Dưới đây là giản đồ của một Hệ thống Điều khiển Từ xa cầm tay điều chế/điều khiển bằng giải pháp Điều chế Độ rộng Xung PWM truyền qua cáp quang hoặc hồng ngoại hoặc cáp đồng trục (để chống nhiễu):

Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển từ xa cầm tay truyền tín hiệu Điều chế Độ rộng Xung

PWM tới Tesla Coils thông qua diode phát quang (photo diode) hoặc thông qua bộ truyền nhận cáp quang (ở bộ điều khiển xa cầm tay sẽ được lắp module phát tín hiệu cáp quang là HFBR1414TZ-Transmitter và ở Tesla Coils sẽ lắp module thu tín hiệu cáp quang là HFBR2412TZ-Receiver).

Hiện nay đa số các Tesla Coils thương mại phổ biến trên thị trường đều được tích hợp bằng IC và Chip để đơn giản hóa, độ ổn định cao và ít lỗi khi sử dụng nhưng không nêu bật được nguyên lý cơ bản cho nên trong nội dung của đề án này tôi chú trọng phân tích cấu trúc của các bộ phận của Tesla Coils bằng linh kiện rời để giải thích rõ nguyên lý sơ đẳng và cơ bản nhất có thể, bên cạnh đó cũng sẽ có các phiên bản nâng cao bằng IC và Chip để học sinh và sinh viên hiểu rõ hơn những tiến bộ về công nghệ.

Bộ điều khiển tử xa cầm tay có 3 phần chính gồm:

• Khối VFC/VCO (Voltage to Frequency Controller tức là bộ chuyển đổi điện áp thành tần số hoặc Voltage Controlled Oscillator tức là bộ dao động điều khiển bằng điện áp) gồm 2 transistor lắp thành mạch dao động đa hài nhưng được cấp điện áp điều khiển cho cực Base thông qua một biến trở VR1 để thay đổi điện áp từ min tới max theo đó tần số dao động sẽ tăng khi điện áp cấp cho cực Base của cả 2 transistor càng cao. Theo nhu cầu thương mại thì khoảng tần số làm việc của khối này chỉ trong tầm 100Hz tới 500Hz, thực tế có thể thay đổi không bị giới hạn;

• Khối Điều chế Độ rộng Xung – PWM Control: Khối này được thiết lập bởi một mạch Flip Flop nhưng một phía được đặt mức ngưỡng bởi tín hiệu âm thanh đưa vào điều khiển thông qua diuode D2 đồng thời trước khi so mức để điều khiển độ rộng xung ở mỗi chu kỳ xung thì nó được cấp xung qua tụ C6 bởi Q1 để xóa trạng thái mạch Flip Flop để Q4 bắt đầu mở cho photo diode phát xung gửi đến Tesla Coils và sau đó tụ C3 (có nhiệm vụ so mức PWM) sẽ được nạp dần khi ngõ ra Q1 ở mức cao thông qua VR1 và R14 sao cho điện áp trên tụ C3 lớn hơn hẳn điện áp do Diode D2 đặt vào cực Base của Q4 thì Q3 sẽ bị mở để lật Q4 từ trạng thái mở lên trạng thái ngắt để photodiode D3 ngừng phát xung tới Tesla Coils, sau khi kết thúc chu kỳ xung này ngõ ra Q1 sẽ tụt xuống mức thấp thì tụ C3 sẽ bị xả về mức thấp nhất thông qua diode D1 xả về cực Collector của Q1 để cho phép mạch sẵn sàng lật về trạng thái mở khi có xung kích lật vào cực Base của Q4;

• Khối khuếch đại tín hiệu Audio: Tín hiệu Audio từ các thiết bị âm thanh thường đạt mức 1-2Vpp tương đối thấp để có thể điều khiển  quá trình điều chế độ rộng xung hiệu quả mà cần phải tăng mức biến thiên này lên mức 4-5Vpp thì hệ thống hoạt động tin cậy hơn.

 Lưu ý: Ở các bản thương mại người ta sử dụng 2 IC NE555 để tạo dao động và điều chế độ rộng xung và dùng 1 IC Op-Amp để khuếch đại tín hiệu Video, sẽ được trình bày chi tiết hơn ở tài liệu hướng dẫn thực hành.

2. Khối tạo Dao động tự kích đồng bộ được tần số và điều chế được biên độ dòng điện hoặc điện áp qua cuộn thứ cấp (khối chức năng chính có vai trò như là bộ Nghịch lưu – Biến tần – Inverter)

Khối Dao động của Tesla Coils chính là Công nghệ Lõi – Core Technology của mọi Kỹ thuật và Công nghệ hiện đại vì không một sản phẩm kỹ thuật – công nghệ nào hiện nay có thể hoạt động mà không tồn tại bên trong nó một Bộ tạo Dao động.

Tesla Coils có ít nhất 1 hoặc 2 Bộ tạo dao động chủ động (tự tạo dao động ngay bên trong chính nó) hoặc Bộ tạo dao động thụ động (được kích thích hoặc điều khiển từ bên ngoài tức là điều khiển từ xa).

Mặc dù vậy, nguyên lý hoạt động của Tesla Coils ở các phiên bản hiện đại (Cộng hưởng kép DRSS) gần như không có sự khác biệt qua sự phân tích cơ chế của Tesla Coils nguyên thủy đầu tiên (Cộng hưởng đơn) do Nikola Tesla từng phát minh như sau:

Về nguyên tắc Tesla Coils có thể dùng lõi không khí hoặc lõi từ nhưng đặc điểm chung là lõi từ hở để tạo ra sự gián đoạn từ trường giống hiệu ứng WormHole thì nó cho phép cuộn thứ cấp L2 tự cộng hưởng riêng theo tần số của nó và nó cưỡng chế dòng điện qua cuộn sơ cấp L1 để điều biến theo nó còn nếu mạch từ khép kín thì L2 sẽ bị cưỡng bức tuyệt đối theo L1. 

Nhờ cấu trúc mạch từ hở nên L2 luôn tự cộng hưởng riêng bởi điện cảm L2 của chính nó và tụ ghép ký sinh (bởi tự nó tạo ra do các vòng dây quấn lên nhau cũng tạo ra tụ ghép ký sinh phân tán) nếu nó không có tụ cộng hưởng lắp ở bên ngoài.

Hiện tượng cộng hưởng luôn phát huy một đặc tính vô cùng lợi hại là nó tạo ra một công suất Ps = U2.I2.cosø = Pr là công suất của sơ cấp.

Trong trạng thái không tải thì cosø = 0 nên Ps = 0 bất chấp tích số điện áp x cường độ là vô cùng lớn.

Điều này cho thấy rằng nếu dùng các mạch từ hở để quấn các 'biến áp' tăng áp thì hệ số tăng áp ở cuộn thứ cấp có thể tăng gấp trăm gấp ngàn lần so với nếu cũng quấn cùng tỉ số vòng dây thứ cấp/sơ cấp = n thì máy biến áp có lõi từ khép kín chỉ nhân được n lần điện áp so với điện áp vào nhưng nếu lõi từ hở thì cuộn thứ cấ p luôn tự cộng hưởng nên tỉ số nhân áp này coi như vô hạn nên nó dùng để tạo ra các máy siêu cao áp, bộ đánh điện cho bugi xe máy và ô tô nói chung chính là máy b iến áp tăng áp lõi từ hở đúng nguyên bản Tesla Coils.

Quay trở lại nguyên lý hoạt động của Tesla Coils nguyên thủy mà Nikola Tesla từng tạo ra:

Biến áp T sẽ nạp điện lên tụ C1 theo từng nửa chu kỳ nên điện áp nạp lên tụ sẽ tăng từ 0 lên tới giá trị Biên độ ở mỗi nửa chu kỳ đó và được xác định để khi đạt tới Biên độ U0 thì tụ C1 có thể phóng điện qua Spark Gap SG để cấp

     dòng điện vào cuộn sơ cấp L1 của Tesla Coils.

Khi C1 bắt đầu phóng điện vào cuộn sơ cấp L1 thì cuộn thứ cấp sẽ được cảm ứng để tạo ra suất điện động và đồng thời tự cộng hưởng theo tần số được xác định bởi L2C2 nên nó sẽ sinh ra suất điện động chống lại dòng điện sinh ra nó ở cuộn thứ cấp L1 nên nó ‘ngắt’ dòng phóng từ tụ C1 vào cuộn sơ cấp tạm thời cho tới khi dòng điện trong cuộn thứ cấp L2 đảo chiều (vì nó tạo ra dao động cộng hưởng nên nó sinh ra dòng điện xoay chiều đảo chiều liên tục theo tần số cộng hưởng xác định bởi L2C2) thì tụ C1 lại phóng điện vào L1 và lại bị suất điện động của L2 chống lại nên quá trình xả tụ C1 trong mỗi nửa chu kỳ của dòng xoay chiều AC do biến áp T cung cấp sẽ không thể xả duy nhất một lần là xong mà bị ‘băm’ ra 4n lần theo tỉ số tần số giữa L2C2 tạo ra (thường là rất cao, từ vài trăm KHz tới hàng MHz) so với tần số của biến áp T cung cấp (thường là 50Hz tới 60Hz) do tụ chỉ xả trong từng ¼ chu kỳ của dòng điện AC do biến áp T cung cấp.

• Hiện tượng Flyback: Khi dòng điện DC bị ngắt mở một cách liên tục đi qua một cuộn cảm L thì nó sẽ phát sinh một hiện tượng vật lý khá thú vị là cứ sau khi xung bị ngắt (được gọi là xuung thuận Direct Pulse) thì nó luôn tạo ra xung ngược (được gọi là Flyback Pulse hoặc còn gọi là xung ngược Inverse Pule) có biên độ điện áp cao hơn so với xung thuận rất nhiều lần nhưng cường độ dòng điện thì nhỏ hơn bấy nhiêu lần. Về mặt lý thuyết thì công suất của xung Flyback gần bằng công suất của xung thuận nhưng nhờ vào đặc tính có điện áp cao hơn hẳn xung thuận nên xung Flyback thường được lợi dụng trong các cuộn tạo điện áp phóng điện lớn như các cuộn tăng áp đánh điện bugi xe máy và ô tô nói chung hoặc các bộ tạo cao áp và siêu cao áp trong các máy phóng tia X-quang, tạo plasma… hoặc cũng được lợi dụng triệt để để tăng lợi thế tăng áp trong các mạch điện biến đổi điện áp ra tăng cao hơn điện áp vào. Còn xung thuận thì ngược lại được dùng nhiều trong các mạch biến đổi điện áp hạ điện áp ra xuống thấp hơn điện áp vào.

Hiện tượng Flyback vì thế sẽ biến chuỗi xung xả của tụ điện C1 vào cuộn sơ cấp L1 bị băm tần số cộng hưởng F2 của cuộn thứ cấp L2C2 mà hình thành nên dòng xoay chiều bất đối xứng (biên độ xung ngược Flyback lớn hơn nhiều lần so với xung thuận).

• Hiện tượng nghịch biến biên độ giữa Thứ cấp và Sơ cấp: Mặt khác vì dòng xả của tụ C1 qua cuộn sơ cấp L1 bị giảm dần nên ở mỗi ¼ chu kỳ của dòng điện AC do máy biến áp T cấp cho tụ C1 thì tụ điện sẽ xả giảm dần tạo ra dòng điện xoay chiều bất đối xứng có biên độ tắt dần. Đồng thời về mặt nguyên lý cảm ứng điện từ thì dòng điện được sinh ra ở cuộn thứ cấp L2 luôn chống lại sự tạo ra nó bởi dòng điện qua cuộn sơ cấp L1 nên nó tạo ra hiện tượng nghịch biến là ở mỗi ¼ chu kỳ của dòng AC do biến áp T cung cấp cho tụ điện C1 thì nó tạo ra dòng điện tắt dần biên độ trên cuộn sơ cấp L1 nhưng nó sẽ tạo ra dòng điện cộng hưởng có biên độ tăng dần ở cuộn thứ cấp L2 

Hình bên trái mô phỏng biên độ tắt dần của dòng điện phóng từ tụ C1 vào cuộn sơ cấp L1 và hình bên phải là sự tăng dần biên độ của dòng điện trên L2 trong mỗi giai đoạn tụ C1 phóng dòng điện vào cuộn sơ cấp L1. Hiện tượng Flyback và hiện tượng Nghịch biến giữa cuộn sơ cấp L1 và cuộn thứ cấp L2 sẽ tạo ra sự băm xung ở cuộn L1 cũng có tần số bằng tần số cộng hưởng của cuộn thứ cấp L2. Tuy nhiên, có điều rất thú vị chính vì điều này mà khi càng giảm điện áp cấp nguồn cho đầu vào sơ cấp thì sẽ càng tạo ra sự bất đối xứng giữa xung thuận và xung Flyback qua cuộn sơ cấp nên dòng điện cảm ứng trên cuộn thứ cấp L2 nhờ đó mà ‘tiếp nhận’ tỉ số tăng áp của dòng Flyback mạnh hơn nên nó sẽ tạo điện áp ra trên L2 cao hơn nên nó dễ dàng phóng điện hơn nhưng sau khi phóng điện thì dòng Flyback sẽ bị tụt điện áp (vì nhược điểm của dòng Flyback là điện áp lớn hơn dòng xung thuận bao nhiêu thì cường độ bé hơn bấy nhiêu) nhưng do lúc này xung thuận tuy được cung cấp biên độ điện áp thấp nhưng độ rộng xung lại được kéo dài hơn nên nó cấp được dòng điện duy trì mạnh hơn cho nên xung Flyback ‘đi trước để mở đường’ nó tạo ra sự phóng điện làm cho không khí bị ion hóa nên sẽ dẫn điện tốt hơn để sau đó xung thuận tuy có điện áp thấp hơn bình thường không đủ khả năng để gây phóng điện nhưng nhờ xung Flyback phóng điện mở đường làm không khí trở nên dẫn điện nên dòng xung thuận được duy trì ngay sau đó với dòng phóng cực mạnh…

Điều đó có nghĩa là nếu 1 Tesla Coils được thiết kế để hoạt động bình thường ở 220V nhưng nếu giảm điện áp cho nó thì Tesla Coils sẽ phóng mạnh hơn. Các thực nghiệm cho thấy rằng khi giảm điện áp xuống 80V thì Tesla Coils phóng điện mạnh hơn ở điện áp 220V khoảng 30-100 lần.

Lợi dụng vào điều này, các máy hàn hồ quang DC nếu lợi dụng xung Flyback có điện áp cao để dễ phóng điện ở que hàn (thường khoảng 60V) và sau đó xung thuận chỉ cần duy trì ở 4-12V nhưng với cường độ dòng điện lớn hơn (200 – 500A thậm chí có những máy hàn lên tới 1000A) vì sau khi tia hồ quang được tạo ra thì không khí bị ion cao độ làm giảm điện trở môi trường giữa 2 điện cực về 0 nên điện áp ra trên 2 điện cực có xu hướng bị giảm xuống 0V nhưng dòng điện đạt cực đại nên trước khi tia hồ quang được tạo ra thì máy hàn cần lợi dụng xung Flyback để có điện áp cao hơn vài lần tới vài chục lần nhưng sau khi tia hồ quang đã được tạo ra thì dòng hồ quang được duy trì bởi xung thuận có điện áp thấp hơn nhưng lại có cường độ dòng điện phóng cáo hơn vài lần tới vài chục lần để nâng cao hiệu suất của máy hàn hồ quang.

-Hiện tượng khống chế ngược giữa thứ cấp và sơ cấp: Như đã có đề cập ở trên, ở các máy biến áp thông thường, nhất là các máy biến áp hạ áp thì biên dạng và tần số dòng điện ở cuộn thứ cấp luôn bị cưỡng bức bởi biên dạng và tần số của cuộn sơ cấp nghĩa là biên dạng và tần số thứ cấp giống như bản sao của sơ cấp chỉ khác là có sự lệch phase sớm hay muộn hơn tùy vào tải của thứ cấp nhưng ở Tesla Coils và các máy biến áp tăng áp đa phần do số vòng dây ở cuộn thứ cấp lớn hơn rất nhiều lần số vòng dây của cuộn sơ cấp nên sẽ xuất hiện tụ ghép ký sinh giữa các vòng dây và các lớp dây quấn của cuộn thứ cấp nên nó hình thành một tần số cộng hưởng ký sinh do L2C2 của cuộn thứ cấp tạo ra.  Sự cộng hưởng này tạo nên sự chống lại sự biến đổi của cuộn sơ cấp một cách mạnh mẽ nên nó khống chế sự biến đổi của dòng điện qua cuộn sơ cấp. Đặc tính này càng làm nổi bật khái niệm Flyback tức là tác động ngược giữa cuộn thứ cấp trở về lại cuộn sơ cấp. 

Ở các phiên bản Tesla Coils hiện đại, sự dao động của cuộn sơ cấp sẽ được tạo ra bởi một bộ tạo dao động chủ động thay vì thụ động bởi sự phóng điện của tụ C1 vào cuộn sơ cấp L1 và bị băm bởi tác động của tần số cộng hưởng của cuộn thứ cấp L2. Và cũng chính vì vậy mà ‘xuất hiện’ khái niệm các phiên bản Cộng hưởng đơn (Single Resonance – SR) và cộng hưởng kép (Dual Resonance) vì thực tế cho dù là Cộng hưởng đơn hay Cộng hưởng kép thì dòng điện qua cuộn sơ cấp L1 cũng bị băm theo đúng tần số cộng hưởng của cuộn thứ cấp L2. Tuy nhiên, nếu chọn Tần số cộng hưởng F1 của cuộn sơ cấp được xác định bởi L1C1 không tuân theo tỉ số nguyên lần n của cuộn thứ cấp L2 là F2 sao cho F2 = nF1 thì ta gọi nó là Cộng hưởng đơn còn nếu khi F2 = nF1 được thỏa mãn và nhất là n càng tiến tới 1 nhưng khác 1 thì ta gọi nó là Cộng hưởng kép. Sự khác nhau giữa Cộng hưởng đơn và Cộng hưởng kép sẽ được phân tích kỹ hơn trong tài liệu hướng dẫn thực hành chi tiết. 

Nhưng sự khác biệt lớn là Cộng hưởng đơn sẽ cho phép sự phóng điện xảy ra kinh hoàng hơn, khó kiểm soát hơn nên các phiên bản thương mại thường thiết kế Cộng hưởng kép để dễ kiểm soát nên sẽ an toàn hơn cho cả thiết bị và người. Nếu căn cứ vào sơ đồ nguyên lý của Tesla Coils để phân biệt nó là Cộng hưởng đơn hay Cộng hưởng kép thì còn rất phỏng đoán vì còn tùy vào cách điều khiển quá trình phóng xả dòng điện vào cuộn sơ cấp như thế nào mới có thể xác định được nó hoạt động theo cơ chế cộng hưởng đơn hay cộng hưởng kép.

Trên đây là sơ đồ nguyên lý đơn giản nhất của một Tesla Coils được tạo bởi 2 bộ dao động OSC1 và OSC2 có cùng tần số với mục đích để kích mở Driver là 2 MosFet Q7 và Q8 với điều kiện Driver chỉ được phép đóng mở ngược phase nhau giữa Q7 và Q8 sao cho nếu Q7 mở thì Q8 phải ngắt và ngược lại nên OSC1 và OSC2 phải được khóa trạng thái bởi Flip Flop tạo bởi Q5 và Q6. Ban đầu các bộ dao động OSC1 và OSC2 không được cấp phân áp cho các transistor nên nó không dao động được cho tới khi có xung PWM ở mức cao ở đầu vào (được cấp bởi photo diode hoặc module thu tín hiệu cáp quang HFBR2412TZ để nhận tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển từ xa cầm tay) thì sẽ nạp điện áp vào tụ C5 thông qua diode D6 để cấp phân áp các cực B (các cực Base) của các transistor của OSC1 và OSC2 thì các bộ dao động này sẽ được phép dao động.

Tuy nhiên, 1 trong 2 bộ dao động sẽ bị khóa trạng thái bởi mạch Flip Flop sao cho nếu xung FlyBack đối xứng để tác động đồng thời căn cứ tính bất đối xứng của xung FlyBack mà chỉ 1 trong 2 OSC dao động được để tạo ra quá trình nạp hoặc xả tụ liên tục qua cuộn sơ cấp của Tesla Coils tạo ra trạng thái Cộng hưởng đơn: Sự bất đối xứng của xung FlyBack cũng là do độ dài xung PWM ở phần điều khiển quyết định sao cho nếu PWM có xung càng rộng thì thời gian mở của một OSC sẽ kéo dài tương ứng để biên độ điện áp hoặc dòng điện phóng ở cuộn thứ cấp tăng lên liên tục (OSC còn lại sẽ bị khóa cho tới khi dòng phóng ở cuộn thứ cấp đạt ngưỡng xác định tương ứng với độ rộng của xung PWM điều khiển Tesla Coils).  Trạng thái Cộng hưởng đơn vì thế không phải là kéo dài vô hạn mà cho tới khi xung PWM bị ngắt sau mỗi chu kỳ hoặc cảm biến dòng OCD CT xác định được dòng phóng trên cuộn thứ cấp (hoặc dòng qua cuộn sơ cấp nếu cảm biến này được dùng để đo dòng qua cuộn sơ cấp) vượt quá ngưỡng cho phép thì Diode Zener D4 sẽ trừ đi ngưỡng giới hạn lên điện trở R17 để đưa điện áp vào Flip Flop thông qua các diode D2 và D3 để khóa cả 2 ngõ ra của Transistor Q5 và Q6 đều về 0V nên nó khóa luôn cả 2 mạch dao động OSC1 và OSC2.

3. Khối phản hồi đồng bộ tần số và điều chế biên độ

Điều này có nghĩa rằng ngay cả những Tesla Coils được thiết kế cho Cộng hưởng kép thì nó cũng hoạt động trong các trạng thái quá độ do xung điều khiển PWM tạo ra sự bất đối xứng của xung FlyBack.

Nhưng các Tesla Coils được thiết kế Cộng hưởng đơn thì sẽ không có trạng thái Cộng hưởng kép xảy ra trong quá trình hoạt động.

Ở ngõ ra của cuộn sơ cấp của Tesla Coils sẽ được kiểm soát bởi 2 cuộn biến dòng (Current Transformer viết tắt là CT) là FlyBack CT và OCD CT được lấy cảm biến dòng ngay cuộn sơ cấp để đảm bảo độ nhạy cao nhất vì sự biến đổi dòng điện trên cuộn thứ cấp L của Tesla Coils cũng sẽ tác động trở ngược lại sự biến đổi dòng điện trên cuộn sơ cấp nhưng vì điện áp trên cuộn sơ cấp thấp hơn điện áp ra trên cuộn thứ cấp hàng ngàn lần mà vì biến đổi dòng điện tỉ lệ nghịch với biến đổi điện áp nên biến đổi dòng điện trên cuộn sơ cấp sẽ lớn hơn cuộn thứ cấp hàng ngàn lần cho nên thay vì các cuộn cảm biến dòng phải đo dòng ra trên cuộn thứ cấp thì có thể đo luôn ở cuộn sơ cấp để đạt độ nhạy cao hơn.

Phần lớn các thiết kế Tesla Coils thì cuộn cảm biến dòng điện FlyBack CT là cuộn đơn nhưng trong thiết kế này của tôi đặc biệt sử dụng cảm biến dòng kép để có thể điều khiển cùng lúc 2 bộ dao động OSC1 và OSC2 hoạt động ngược phase nhau một cách dễ dàng hơn.

4. Khối phản hồi bảo vệ chống quá tải

Cảm biến dòng OCD CT xác định được dòng phóng trên cuộn thứ cấp (hoặc dòng qua cuộn sơ cấp nếu cảm biến này được dùng để đo dòng qua cuộn sơ cấp) vượt quá ngưỡng cho phép thì Diode Zener D4 sẽ trừ đi ngưỡng giới hạn lên điện trở R17 để đưa điện áp vào Flip Flop thông qua các diode D2 và D3 để khóa cả 2 ngõ ra của Transistor Q5 và Q6 đều về 0V nên nó khóa luôn cả 2 mạch dao động OSC1 và OSC2.

Như vậy Tesla Coils sẽ được bảo vệ an toàn không bị vượt quá giới hạn điện áp hoặc cường độ dòng điện phóng trên cuộn thứ cấp.

II./. NGUYÊN LÝ CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN NĂNG

Ngày nay Việt Nam đang cố gắng ‘đi tắt đón đầu’ với tham vọng làm chủ được những công nghệ tiên phong của thế giới như UAV, Drone, Robot và AI cũng như Chip nhưng một thực trạng rất bi đát rằng hầu như các kỹ sư Việt Nam còn chưa tự thiết kế ra được những bộ nguồn chuyển đổi AC thành DC hoặc DC thành AC như mong muốn mà tất tần tật phải nhập ngoại từ những Adaptor cấp nguồn AC hoặc DC các loại cho tới Inverter điều khiển motor, nhập luôn cả motor cho tới các mainboard cho nên mang tiếng là Việt Nam cũng sản xuất được UAV, Robot… như các nước nhưng thực ra chỉ làm được mỗi cái khung và vỏ mà trong đó ngay cả từng con ốc vít cũng phải nhập luôn từ Trung Quốc. Nội dung của Bộ KIT Đa năng này là nhằm cung cấp một lượng kiến thức cần và đủ để học sinh, sinh viên và kỹ sư Việt Nam có thể tự làm chủ được từ A tới Z mọi kỹ năng tính toán thiết kế được tất cả những gì mình muốn để thật sự tiến kịp các nước trên thế giới.

1. Nguồn Flyback

Nguồn Đơn xung hay còn gọi nguồn Bất đối xứng và tiền thân của nó được gọi là nguồn FlyBack vì trước đây kiểu nguồn này thường được dùng để lợi dụng xung ngược có điện áp cao hơn rất nhiều lần so với xung thuận để tạo ra các khối nguồn cao áp và siêu cao áp trong các bộ đánh lửa điện cho bugi xe máy, cấp nguồn cao áp từ 15KW tới 100KV cho các màn hình CRT (Cathode Ray Transmission) của TV đen trắng ngày xưa và sa u đó là TV màu nhưng vẫn dùng ống phóng tia Cathode… hoặc trong các bộ cáo áp và siêu cao áp của các ống phóng X-Quang…

Có thể nói rằng bản chất của các nguồn FlyBack thực chất nó chính là những Tesla Coils Cộng hưởng đơn thu nhỏ tiểu hình hóa mà thôi.

Kiểu nguồn Flyback thực tế đã thương mại phổ biến

Chú ý: Lõi của các biến áp FlyBack hoặc nguồn cộng hưởng thường phải là loại thanh từ thẳng (như hình bên phải) để mạch từ hở hoàn toàn hoặc các kiểu lõi ghép có khe hở (như hình trái) hoặc phải ghép lỏng để chừa khe hở ở giữa lòng. Nếu ghép kín không có khe hở thì xung FlyBack sẽ gây tổn thất công suất vì nguồn FlyBack và nguồn cộng hưởng cần tạo ra sự phân tán từ trường để phát huy tính cộng hưởng riêng tạo ra tần số và biên dạng riêng không lệ thuộc tần số và biên dạng của dòng điện ở cuộn sơ cấp để nhân áp và dòng mạnh hơn.

Ngày nay các nguồn FlyBack không chỉ dùng để tạo ra siêu cao áp mà cũng còn được dùng để tạo ra các điện áp thấp để tạo ra các khối nguồn hạ áp từ AC100-220V về những điện áp DC có điện áp thấp hơn và chỉ lấy xung thuận để đạt lợi thế có cường độ dòng lớn chứ không còn lấy dòng ngược như các bộ nguồn cao áp như trước đây nữa nhưng người ta vẫn gọi là nguồn FlyBack là vì xung ngược vẫn gây ảnh hưởng ‘tiêu cực’ tới hiệu suất của nguồn nên người ta phải tìm cách để triệt tiêu xung ngược (bằng 1 cụm diode với 1 điện trở và 1 tụ điện D4-C5-R12 trong mạch linh kiện rời mà tôi thiết kế hoặc D4-C9-R12 sử dụng IC UC3842 ghép phức hợp giữa cuộn sơ cấp của biến áp xuất để triệt tiêu xung ngược này nên cũng làm giảm hiệu suất nguồn) và hơn thế các nguồn FlyBack này hoặc phải dùng lõi không khí (các chấn lưu điện tử vang bóng một thời cũng dùng cuộn tăng áp lõi không khí để tạo ‘hiệu ứng’ FlyBack tăng biên xung điện áp lên rất cao) hoặc dùng lõi từ hở kiểu một thanh hình trụ dài hoặc dùng các biến áp xung lõi EI hoặc EE nhưng ghép hở phải tạo khoảng hở giữa các lõi ít nhất 0.5mm tới vài mm là để xung FlyBack tự do hình thành vì nếu không có độ hở của lõi từ thì xung ngược sẽ gây nên sự triệt tiêu đối với xung thuận làm giảm hiệu suất xuống dưới 40% và làm nóng toàn bộ khối nguồn.

Theo 2 hình nói trên, mặc dù một sơ đồ lắp linh kiện rời còn sơ đồ kia dùng IC chuyên dụng phổ biến nhưng nguyên lý hoạt động hoàn toàn tương đương nhau như dưới đây:

Vì các MOSFET và IGBT cũng như các transistor trường (FET) nói chung thì tuy rằng về mặt lý thuyết trở kháng đầu vào của nó là vô cùng nhưng trên thực tế tiếp giáp Gate – Sourse (tiếp giáp G-S) luôn tồn tại 1 tụ ghép ký sinh khá lớn, nếu transistor trường có khả năng cho dòng điện đi qua càng lớn thì tụ G-S càng lớn và khi nó mở cho dòng chạy qua kênh Drain – Sourse càng lớn thì trở kháng qua tiếp giáp G-S càng lớn nên nó ăn dòng điều khiển để mở transistor trường càng lớn gần giống cách mà các transistor lưỡng hạt (loại NPN hoặc PNP) cho nên để có thể mở hoàn toàn các transistor trường thì điện trở cấp nguồn trực tiếp cho nó phải rất bé chỉ trong tầm vài Ohm tới vài chục Ohm.

Với các nguồn FlyBack phổ biến thì điện trở cấp nguồn trực tiếp để mở hoàn toàn transistor trường ở điện áp cấp mở G-S khoảng 12V tới 18V là từ 47 tới 220Ω.

Vì cần dòng mở lớn như vậy nên lẽ ra cần phải tạo một nguồn cấp trước cho mạch dao động một cường độ dòng điện khá lớn là bất khả thi nên đa phần người ta dùng một điện trở khoảng 100KΩ để cấp nguồn ban đầu gọi là Pre-Power với dòng ban đầu chỉ vài mA thì rất bé không đủ để mở được transistor trường nên nó phải được nạp vào 1 tụ cấp nguồn (trong mạch dùng linh kiện rời thì tụ này là C1, trong mạch dùng IC UC3842 thì tụ này là C2 và C3) nên bên trong IC UC3842 luôn có 1 mạch ghim điện áp chờ khi Pre-Power được nạp đầy tụ đạt trên ngưỡng 18V thì IC mới được phóng 1 xung cấp cho transistor trường mở để cấp xung cho cuộn sơ cấp của biến áp xung làm việc thì sẽ có 1 cuộn Feedback hoặc cuộn FlyBack CT cấp nguồn trở ngược lại cho IC hoạt động với cường độ đủ lớn cho transistor hoạt động bình thường.

Với mạch bên trái dùng linh kiện rời thì nguồn Pre-Power được ghim bởi Zener D2 và transistor PNP Q1 sao cho khi điện áp vượt 12-18V theo điện áp của Zener thì Q1 sẽ mở nguồn cấp cho mạch dao động đa hài Q2 và Q3 hoạt động và vì cực B của Q3 luôn bị phân áp thấp hơn so với Q2 do có 1 điện trở nối đất nên Q3 sẽ mở chậm hơn Q2, Q2 luôn mở trước nên ngõ ra của Q3 sẽ ở mức cao để nguồn Pre-Power cấp thẳng cho cực Gate của transistor trường Q4 thông qua R6 chỉ khoảng 47-220Ω đủ để Q4 mở bão hòa cấp dòng qua cuộn sơ cấp của biến áp FlyBack và nó sẽ tạo ra nguồn quay về thông qua cuộn FlyBack CT cảm biến dòng cuộn thứ cấp hoặc quấn thêm cuộn Feedback lên biến áp xung (Biến áp FlyBack) để cấp nguồn trở về nuôi mạch hoạt động với cường độ dòng điện duy trì đủ lớn cho transistor Q4 mở được bão hòa ở mỗi chu kỳ xung.

Khi điện áp FlyBack quay về càng lớn nó sẽ khấu trừ ngưỡng điện áp giới hạn thông qua diode Zener D7 để cấp phần còn lại vào cực B của Q3 để điều chỉnh độ rộng xung sao cho khi điện áp này càng lớn thì Q3 càng nhanh bị mở để ngăt xung cấp nguồn vào Gate của Q4 tức là làm giảm độ rộng xung, ngược lại nếu điện áp ra trên cuộn thứ cấp càng giảm thì điện áp FlyBack quay về cũng giảm thì nó cũng giảm tác động vào cực B của Q3 nên độ dài xung cấp cho Gate của Q4 cũng tăng lên để làm tăng điện áp ra.

Như vậy, về cơ bản, nguồn FlyBack chính là Tesla Coils Cộng hưởng đơn được đơn giản hóa vì các Tesla Coils thường được điều khiển đồng bộ tần số, điều khiển dịch phase xung và được tiểu hình hóa về mặt cấu trúc để nhỏ gọn hơn mà thôi… còn ở các mạch nguồn FlyBack thì chỉ đơn giản là điều khiển xung PWM cấp vào Gate của Q4 để ổn định điện áp ra hoặc khống chế cường độ dòng điện ra ở thứ cấp.

2. Nguồn Đối xứng

Về cơ bản, hầu như mọi hệ thống chuyển đổi nguồn từ AC thành DC cho tới từ DC thành AC đều không thoát khỏi cái bóng dáng nguyên lý của Tesla Coils hoặc ở dạng FlyBack Cộng hưởng đơn hoặc ở dạng Đối xứng Cộng hưởng kép. Cho nên thêm lần nữa, nền công nghệ hiện đại của thế giới vẫn không thể khép lại Lịch sử hình thành và phát triển của Tesla Coils vì nó luôn biến hình tàng ẩn trong mọi hình dạng nhưng nguyên lý cơ bản thì hầu như không hề thay đổi.

Chú ý: Lõi của các nguồn đối xứng lại phải ghép kín để tăng tính cảm ứng giữa sơ cấp và thứ cấp lên tối đa để dòng điện ở thứ cấp ‘bám’ theo biên dạng và tần số của dòng điện qua sơ cấp càng chính xác tức là ngược lại so với nguồn FlyBack và nguồn cộng hưởng.

Một mạch nguồn đối xứng thực chất là một Tesla Coils ‘cộng hưởng kép’ nhưng được bỏ qua tụ cộng hưởng vì nó thay cuộn thứ cấp chỉ dùng để phóng điện có số vòng dây rất lớn bằng cuộn thứ cấp có số vòng rất ít để lấy điện ra và đa phần được chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ để tận dụng triệt để công suất còn sự hoạt động cơ bản của nó chính là Tesla Coils Đối xứng hay còn gọi là Tesla Coils Cộng hưởng kép… nhưng không cần cộng hưởng ở đầu ra.

Nếu nhìn bề ngoài thì khó phân biệt được đâu là nguồn flyback đâu là nguồn đối xứng: Nguồn đối xứng có kích thước nhỏ hơn nhưng công suất lớn gấp 4 lần nguồn Flyback có cùng kích cỡ biến áp xung. Nguồn FlyBack thường chỉ dùng duy nhất một transistor xuất công suất cho biến áp xung.

III. NGUYÊN LÝ BẾP TỪ VÀ LÒ LUYỆN KIM

• Bếp từ và các loại bếp nhiệt trở

Bếp từ và nhất là các Lò Luyện Kim lại càng mang dấu ấn sâu sắc của Tesla Coils vì các Lò Luyện Kim đa phần là các Lò Trung Tần hoặc Lò Cao Tần Cộng hưởng đơn (thường là các hệ thống Nghịch lưu dùng Thyristor – SCR biến đổi điện lưới 50-60Hz thành 2-8KHz với các Lò Trung Tần hoặc 25-120KHz với các Lò Cao Tần).

Tương tự, có thể thay mâm cảm ứng từ bằng mâm nồi cơm điện sợi đốt cũng sẽ tạo ra kiểu nồi cơm điện điều khiển được công suất cho việc nấu, làm nóng hoặc giữ nhiệt cho đồ ăn trong thời gian dài chống bị siu thối…

Nhiều loại Bếp từ cao cấp cũng dùng hệ thống mạch cấp nguồn đối xứng như dưới đây: 

Các Bếp từ thông dụng ở tần số 20-30KHz chỉ tác dụng với nồi sắt và Inox chủ yếu để các nhà sản xuất Bếp từ bán kèm theo bộ nồi Inox. Không có tác dụng với nồi nhôm. Muốn dùng được nồi nhôm phải tăng tần số lên 50-150KHz.

Lò Luyện Kim

Ở các Tesla Coils nguyên thủy thì thường phải có thêm cuộn thứ cấp mới được định nghĩa là Tesla Coils còn ở Bếp từ hoặc các Lò Luyện Kim thì không cần có thêm cuộn thứ cấp mà chỉ cần mỗi duy nhất 1 cuộn ‘sơ cấp’ là đủ vì cuộn ‘thứ cấp’ chính là soong nồi hoặc kim loại cần được nung nóng hoặc cần được nấu chảy. Cho nên có thể dùng y nguyên sơ đồ nguyên lý ở các mạch nói trên để biến nó thành Bếp từ hoặc Lò Luyện Kim nếu dùng MOSFET hoặc IGBT làm khối công suất xuất cho cuộn cảm ứng của Bếp từ hoặc của Lò Luyện Kim nếu công suất không quá lớn (các IGBT ngày nay có thể cho phép thiết kế các Lò nung Cao tần có công suất vài chục tới vài trăm KW, trên 1MW vẫn thường phải dùng SCR).

L5 được coi là cuộn sơ cấp của Tesla Coils là cuộn dây của Lò Nung Kim loại. 

IV. NGUYÊN LÝ RADAR VÀ SONAR (HIỆU ỨNG DOPPLER)

Về nguyên tắc thì Radar, Sonar hay các thiết bị định vị, đo tốc độ, trắc địa, dò tìm kim loại hoặc máy dò tì vết (kiểm tra vết nứt hoặc bị lỗ bên trong kim loại cũng như kiểm tra chất lượng vết hàn) đều có cùng nguyên lý chỉ khác là dạng sóng điện từ hay sóng âm thanh (bao gồm sóng siêu âm Ultrasonic) đó là đều phát ra một tần số hoặc một dải tần số hoặc nhiều tần số hoặc nhiều dải tần số cùng lúc sau đó thu sự phản xạ trở về của nó để xác định độ lệch phase theo thời gian hoặc độ trễ thời gian phản hồi trở về để xác định khoảng cách và xác định độ biến thiên tần số để xác định tốc độ di chuyển của vật gây nên sự phản xạ sóng trở lại. Cho nên nếu hiểu được nguyên lý hoạt động và các giải pháp xử lý tín hiệu của các hệ thống Sonar hoạt động thế nào thì cũng sẽ hiểu được nguyên lý và cách xử lý của Radar cũng như thế và ngược lại.

Nguyên lý của hệ thống rất đơn giản là tạo ra một tần số ban đầu để phát ra loa (nếu dùng sóng âm thanh) hoặc transducer phát sóng siêu âm Ultrasonic rồi dùng Micro thu sóng phản xạ lại (hoặc đầu thu siêu âm) về nguyên tắc tần số càng lớn thì khả năng đo đạc càng chính xác. Sóng phản xạ về sẽ đồng thời làm tăng tần số dao động thông qua R24 tác động lên điện áp điều khiển VFC/VCO và sẽ làm thay đổi độ rộng xung PWM thông qua điện trở R25 làm thay đổi điện áp đặt mức PWM. Căn cứ sự biến thiên của tần số và sự thay đổi độ rộng xung PWM mà xác định được các thông số ta muốn. Cảm biến chuyển động cũng như các hệ thống Radar và Sonar là những hệ thống cơ bản và quan trọng của Hệ thống Đạo hàng (Hệ thống Dẫn đường Hàng không và Hàng hải cho dân dụng và quân sự nói chung).

V. NGUYÊN LÝ CẢM BIẾN CHUYỂN ĐỘNG

Tesla Coils vốn dĩ là một hệ thống cộng hưởng biến dung tức là tụ cộng hưởng có thể thay đổi được khi có sự thay đổi khoảng cách giữa Toroid nhôm trên đỉnh của cuộn thứ cấp L2 hoặc có các vật kim loại ở gần hoặc những vật có khả năng dẫn điện hoặc cảm ứng được sóng điện từ di chuyển qua gần Tesla Coils thì tần số cộng hượng của Tesla Coils sẽ thay đổi. Trên cơ sở đó, thông qua cảm biến FlyBack CT hoặc cảm biến OCD CT mà có thể thiết lập mạch đo biến thiên tần số và cường độ phản hồi sẽ xác định được vật chuyển động trong phạm vi Tesla Coils có thể tạo được hiệu ứng biến dung (có thể trong khoảng cách vài met).

Nếu sử dụng nhiều Tesla Coils gần nhau lập thành matrix thì có thể xác định được quá trình di chuyển của vật thể trong không gian của matrix được lập bởi các Tesla Coils.

VI. NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA

Bản chất của Tesla Coils được điều khiển từ xa bằng nhiều phương thức khác nhau mà có thể ‘nhúng’ bất kỳ kỹ thuật – công nghệ điều khiển lên nó cho nên Tesla Coils là tiêu biểu nền tảng công nghệ điều khiển từ xa cho Robot hay UAV hay bất kỳ thiết bị nào khác không thua kém mạng internet hay bất kỳ phương thức điều khiển từ xa hiện đại nào có thể thực hiện được. Các Tesla Coils hiện tại đang được điều khiển từ xa bằng một bộ điều khiển cầm thay bằng hồng ngoại hoặc cáp quang, cũng có thể điều khiển xa bằng bleuthood hoặc Wifi. Mặt khác chính Tesla Coils cũng có thể trở thành một máy thu phát vô tuyến điện (phát sóng vô tuyến thông qua cuộn thứ cấp và thu sóng vô tuyến từ xa truyền tới bằng một mạch thu tín hiệu ở FlyBack CT hoặc OCD CT). Bởi thế, Tesla Coils không bị hạn chế bởi bất kỳ phương thức điều khiển từ xa nào để nó hoạt động nên nó là mô hình nhúng tốt nhất đa năng nhất để thử nghiệm mọi phương thức điều khiển từ xa một cách hiệu quả làm nền tảng cho các giải pháp điều khiển UAV, Drone, Robot…

VII. NGUYÊN LÝ VÔ TUYẾN ĐIỆN

Bản chất của Tesla Coils chính là máy thu phát vô tuyến điện công suất lớn không hạn chế. Sơ đồ dưới đây là nguyên lý máy phát thanh điều chế biên độ âm thanh Amplitude Modulation – AM thông qua Micro làm thay đổi mức tín hiệu phân áp cho cực Base của OSC1 và OSC2 sẽ tạo ra sự tăng giảm biên độ dòng điện trên cuộn thứ cấp L2. 

Sơ đồ dưới đây là nguyên lý máy phát thanh điều chế tần số âm thanh Frequency Modulation – FM thông qua Micro làm thay đổi mức điện áp VFC/VCO của OSC1 và OSC2 sẽ tạo ra sự tăng tần số dòng điện trên cuộn thứ cấp L2

Tương tự, sơ đồ dưới đây là nguyên lý máy phát thanh điều chế FSK - Frequency Shift Key (mãy mã Morse) thông qua phím ấn (cần gõ ma nip) làm thay đổi mức điện áp VFC/VCO của OSC1 và OSC2 sẽ tạo ra sự tăng giảm tần số dòng điện trên cuộn thứ cấp L2

Tóm lại, trên cùng một nền tảng nguyên lý của Tesla Coils mà có thể tạo ra bất kỳ phương thức vô tuyến điện nào.

Vì để đề cao tính đa năng nhằm giúp học sinh và sinh viên dễ dàng thuần thục lắp ráp thực hành trên cùng một sơ đồ nguyên lý cơ bản chỉ cần thay đổi đầu ra (thay đổi phản hồi hoặc cơ cấu thứ cấp L2 của Tesla Coils) và thay đổi đầu vào (thay đổi cơ cấu điều khiển hoặc phương thức điều chế và giải mã) mà có thể tạo ra bất kỳ ứng dụng nào.

Tài liệu thực hành chi tiết sẽ trình bày cả nguyên lý máy thu và các hệ thống thu và phát tích hợp như các máy bộ đàm hoặc các trạm phát vô tuyến và các máy thu đầu cuối một cách đầy đủ giúp học sinh và sinh viên có thể tiếp cận được cách thiết kế các thiết bị liên lạc vô tuyến chuyên nghiệp trong dân dụng và quân sự một cách dễ dàng.

VIII. NGUYÊN LÝ WIFI

Wifi là một hệ thống mạng lưới chuyển tiếp thông tin vô tuyến, về cơ bản nó đồng thời nhận tín hiệu từ mạng internet thông qua các loại cáp truyền tín hiệu và sau đó phát lại bằng sóng vô tuyến cho các thiết bị vô tuyến. Tesla Coils có bản chất là máy thu phát vô tuyến nên cũng có thể dễ dàng thiết lập một mạng Wifi dựa trên các Tesla Coils bố trí thành mạng phân tán tương tự như cách lắp đặt các thiết bị Wifi hiện nay. Từ đó dễ dàng biến Tesla Coils thành thiết bị kết nối đa phương tiện để có thể thiết lập thành mạng kết nối thông tin và điều khiển thông minh cho nhà thông minh, nhà máy tự động vận hành cũng như kiểm soát thành phố thông minh…

IX. NGUYÊN LÝ TỔNG TRẠM THU PHÁT VÔ TUYẾN

Các tổng trạm vô tuyến thực chất là có khả năng truyền tải một lượng thông tin rất lớn cũng như cho phép kết nối nhiều thiết bị đầu cuối với nhau nên nó cho phép ghép kênh và phân kênh cho nhiều thiết bị đầu cuối có thể kết nối vào đường truyền của nó. Học sinh và sinh viên cũng sẽ làm quen với các mạch ghép kênh tín hiệu đơn giản cũng như tách kênh chẳng hạn như cho phép điều khiển nhiều Tesla Coils phóng điện tuần tự theo kịch bản thông qua nhiều phương thức truyền nhận khác nhau từ cáp quang tới cáp đồng trục và thông qua thu phát vô tuyến…

X. NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI MÃ THÔNG TIN

Bản chất Tesla Coils vừa là hệ thống thu phát vô tuyến nên có thể nhúng bất kỳ giải pháp đ iều chế lên nó từ Điều chế Biên độ Amplitude Modulation – AM, Điều chế Tần số Frquency Modulation – FM, Điều chế Dịch phím Shift Frquency Key – FSK cho tới Điều chế QAM…  Đồng thời Tesla Coils cũng có thể nhúng bất kỳ giải pháp điều khiển từ xa nào lên nó nên có thể thực hiện mọi giải pháp mã hóa/giải mã thông tin và điều khiển nói chung.

Học sinh và sinh viên sẽ được làm quen với các phương thức điều chế và giải mã thông tin cũng như phương thức ghép kênh và phân kênh để truyền tải thông tin hoặc điều khiển tới nhiều thiết bị đầu cuối khác nhau như là cách tập dượt cho năng lực thiết kế các hệ thống điều khiển giám sát và truyền nhận thông tin mặt đất với UAV, Drone hoặc thiết lập mạng điều khiển Robot một cách thông minh thay vì phải nhập khẩu nguyên bộ board mạch và phần mềm mở rất khó khai thác chiều sâu và nâng cấp tối ưu hóa…

Điều chế/giải điều chế cũng như mã hóa/giải mã sẽ là xu hướng tất yếu trong công nghệ cao và có thể coi nó như là Công nghệ Lõi của công nghệ hiện đại vì nó phải đảm bảo độ tin cậy và chính xác của thông tin được truyền nhận giữa các thiết bị đầu cuối. Hệ thống mã hóa âm thanh thành PWM và giải mã PWM thành âm thanh Class D. Dưới đây là một trong những ứng dụng cụ thể của một trong những giải pháp điều chế (Modulation) hoặc mã hóa (Encode) âm thanh và sau đó giải điều chế (Demodulation) tức là giải mã (Decode) trở lại thành âm thanh dựa trên Công nghệ Lõi của Tesla Coils. Một trong những tiến bộ vượt bậc của Kỹ nghệ Audio ngày nay là những hệ thống dàn âm thanh Class D siêu nhỏ nhưng công suất siêu lớn và chất lượng âm thanh rất cao mà giá thành siêu rẻ đang ngày càng trở nên thịnh hành hơn có khả năng soán ngôi những hệ thống âm thanh truyền thống.  Dựa vào Công nghệ Lõi của Tesla Coils chính là tạo ra dao động và cho phép nhúng mọi giải pháp điều chế lên nó mà có thể điều chế tín hiệu âm thanh thành PWM thông qua Micro (hoặc cấp một tín hiệu âm thanh phân cực âm dương được để cấp được tín hiệu đồng thời cho OSC1 và OSC2 ngược phase nhau) rồi sau đó biến thành xung công suất lớn ở đầu ra loa và được chuyển đổi PWM trở lại thành âm thanh bằng bộ lọc đơn giản là cuộn chặn L3 và tụ lọc C9.

Trên đây là Sơ đồ mã hóa âm thanh trực tiếp từ Micro thành Điều chế Độ rộng xung PWM, khuếch đại xung thông qua OSC1, OSC2, Driver và khối khuếch đại công suất sau đó ngay tại đầu ra loa tín hiệu PWM được đổi trở lại (giải mã) thành tín hiệu âm thanh nhờ cuộn chặn L3 và tụ lọc C9. Tần số dao động của OSC1 và OSC2 càng cao thì chất lượng âm thanh càng cao và độ nhạy với Micro cũng càng cao (chu kỳ xung càng ngắn thì tỉ lệ điều chế PWM càng cao với cùng 1 mức tín hiệu âm thanh), các Chip xử lý âm thanh Class D thương mại phổ biến hiện nay trên thị trường thường có tần số lấy mẫu từ trên 300KHz tới 500KHz.

XI. NGUYÊN LÝ NGHỊCH LƯU – BIẾN TẦN – INVERTER

Ngày nay nhu cầu về các bộ chuyển đổi điện áp từ dạng này sang dạng khác cũng như thay đổi được tần số và thay đổi được điện áp đồng thời đang ngày càng trở nên phổ biến hơn như Inverter cho điện mặt trời, Inverter cho điều khiển rất nhiều loại motor đa dạng. Tesla Coils vẫn luôn là ứng cử viên sáng giá để tạo ra những Inverter đa năng cho nhiều mục đích khác nhau vì bản thân nó chính là Nghịch lưu – Biến tần (Inverter) cho nên chỉ có Tesla Coils có thể đảm nhiệm và thay thế vai trò của Nghịch lưu – Biến tần bất kỳ nhưng không một Nghịch lưu – Biến tần nào có thể thay thế nó. Bằng cách đưa một hàm sóng có tần số cần tạo ra ở đầu ra vào đầu vào để điều khiển Tesla Coils hoạt động thì ở đầu ra trên thứ cấp hoặc ở ngay trên cuộn sơ cấp ta sẽ có một dòng điện có biên dạng và tần số mà ta muốn có.

Ở các Inverter hiện đại, thông thường Wave Input là chuỗi xung PWM mô phỏng biên dạng sóng sine của dòng xoay chiều cần tạo ra thường là ở 50-60Hz đối với các Inverter sử dụng cho điện mặt trời (thường dùng một mạch tích hợp đã được lập trình sẵn EGS008 hoặc EGS002 bán tự do trên thị trường rất đơn giản chỉ phối hợp thêm phần khuếch đại công suất và cuộn chặn với tụ lọc triệt cao tần là có thể dễ dàng tạo ra một inverter 50Hz) hoặc có thể điều khiển được tần số từ 0Hz tới 400Hz để điều khiển các motor.

XII. NGUYÊN LÝ KHUẾCH ĐẠI TỪ

Các hệ thống khuếch đại từ từng được phát triển rất mạnh trong những thập niên đầu thế kỷ 21 khi mà các kỹ thuật khuếch đại điện tử và bán dẫn còn chưa đáp ứng được nhu cầu về điều khiển và chuyển đổi điện năng. Ngày nay tuy rằng các bộ Nghịch lưu và Biến tần sử dụng các tổ hợp và module bán dẫn công suất lớn cũng đã đáp ứng được phần lớn nhu cầu chuyển đổi và điều khiển điện năng nhưng với những hệ thống công suất lớn hàng MW vẫn còn gặp nhiều trở ngại. Tesla Coils cũng là ứng cử viên sáng giá để tạo ra những hệ thống khuếch đại từ có công suất lớn hàng MW thậm chí hàng GW cho ngành công nghiệp điện. Tất nhiên trong lịch sử, các biến tướng và thế thân của Tesla Coils cũng đã từng góp phần làm nên văn minh cho nhân loại thông qua rất nhiều phiên bản khuếch đại từ khác nhau để tạo ra các hệ thống ổn định điện áp xoay chiều công suất lớn giải quyết các tình trạng vượt điện áp lưới điện do trạng thái không tải hoặc bù điện áp khi tải dưới áp trên mạng điện lưới. Tuy nhiên các hệ thống khuếch đại từ trong quá khứ cũng gặp nhiều trở ngại vì các linh kiện sử dụng vẫn còn nhiều hạn chế. Với sự phát triển không ngừng của kỹ thuật điện tử và bán dẫn nói chung mà các tổ hợp và module bán dẫn công suất lớn mà hiệu quả cao ít gây tổn hao sẽ lần nữa là m sống dậy những hệ thống khuếch đại từ từng làm nên lịch sử của Kỹ thuật Công nghiệp điện.

Hệ thống khuếch đại từ bên trái cho dòng DC và bên phải cho dòng AC, chỉ cần công suất rất nhỏ ở đầu vào Frequency Control có thể điều khiển và kiểm soát được một công suất rất lớn của dòng điện một chiều DC hoặc dòng xoay chiều AC có công suất lớn gấp vài chục lần tới vài ngàn lần thậm chí hàng triệu lần tùy vào mức độ cộng hưởng ở cuộn thứ cấp của Tesla Coils ở biến áp Transformer CT với tụ cộng hưởng C1. Để kiểm soát và khống chế được dòng điện DC thì điểm giữa của cuộn thứ cấp của ‘Tesla Coils’ sẽ được cấp dòng DC cần điều khiển đi vào nó và ở 2 đầu ra ở 2 nửa cuộn thứ cấp sẽ được phân dòng ra bởi lần lượt 2 diode và được lọc chặn xung Frequency Control bằng cuộn chặn L1. Tương tự, dòng AC cần được điều khiển sẽ được chặn bởi một Double Inductor thay vì được phân đường bằng các diode. 

Nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại từ là nhờ vào đặc tính cộng hưởng của cuộn thứ cấp của ‘Tesla Coils’ nếu nó đạt trạng thái không tải ở tần số hoạt động của Frequency Control thì hệ số Cosø= 0 nên tích số U.I (U là điện áp ra trên thứ cấp và I là dòng điện qua mạch cọng hưởng của cuonj thứ cấp đi qua tụ cộng hưởng C1) sẽ bằng vô cùng nên hoặc là U bằng vô cùng hoặc I bằng vô cùng hoặc cả U lẫn I đều bằng vô cùng. Tuy nhiên dễ chứng minh rằng I bằng vô cùng thì U cũng bằng vô cùng nên nó có khả năng khống chế dòng điện DC hoặc AC qua nó do sự bù trừ điện áp với nó sao cho nếu DC hoặc AC có điện áp Uload lớn hơn điện áp U của nó thì Uout = Uload – U do đó nếu U cộng hưởng của thứ cấp của ‘Tesla Coils’ lớn hơn điện áp Uload của dòng DC hoặc AC thì dòng DC hoặc AC sẽ không thể đi qua nó để tới tải ở đầu ra.

Như vậy bộ KIT Đa năng Tesla Coils cho phép học sinh và sinh viên cũng như những học viên muốn thực hành kỹ thuật trên nhiều lĩnh vực khác nhau. Nó cho phép tiếp cận được trên nhiều mức độ khác nhau từ sơ lược, cơ bản tới nâng cao và chuyên sâu.

Trần Phúc Ánh