Mạch nguồn là gì? Phân loại và ứng dụng mạch nguồn

Mạch nguồn, các loại mạch nguồn và công dụng của nó. Như chúng ta đã biết, tất cả các loại thiết bị điện tử cần phải có nguồn thì mới hoạt động được. Vậy trong thực tế thì các mạch điện tử này sẽ được lấy nguồn nuôi từ đâu và có những dạng mạch nguồn nào, ứng dụng của nó trong điện tử?

Mạch nguồn là gì?

Mạch nguồn được hiểu là mạch cung cấp nguồn điện cho các thiết bị điện. Thông thường ta thấy hầu như có rất nhiều thiết bị điện như TV, bếp từ, đầu đĩa, âm ly, loa bass đều là thiết bị sử dụng dòng điện 1 chiều. Nhưng loại điện mà chúng ta sử dụng hiện nay cơ bản là đều từ lưới điện 220V, vậy làm sao các thiết bị này có thể sử dụng được nguồn điện này. Để trả lời cho việc này, mạch nguồn chính là giải pháp.

Các loại mạch nguồn

Có rất nhiều loại mạch nguồn trên thị trường hiện nay, nhưng chung quy lại tất cả các loại  đều có chung nguyên lý  biến đổi điện áp đầu vào để cho được điện áp đầu ra thích hợp với từng loại thiết bị cần sử dụng. Mạch nguồn sẽ gồm 1 đầu dây nối với nguồn điện để đưa dòng điện đi qua điện trở hoặc biến áp nhỏ, 1 công tắc tự động nối LED, 1 bộ tạo xung và chỉnh lưu, tất cả mạch này thường được điều khiển tự động bằng 1 IC nguồn để cho điện áp đầu ra. Về cơ bản sẽ có 2 loại mạch nguồn: mạch nguồn xung và bộ biến đổi nguồn DC – DC.

Mạch nguồn xung

Nguồn xung hiện tại đang được sử dụng rất phổ biến trên các loại thiết bị điện do có hiệu năng cao, linh loạt trong việc chuyển đổi đầu ra(Output Voltage). Có thể có nhiều đầu ra với 1 đầu đưa nguồn điện vào(Single Input Voltage).

Nguyên lý mạch nguồn xung

Bao gồm mạch tạo điện đáp IC,khối giao động và khối công suất( IC giao động và đèn công suất), khối chống sóng thần để bảo vệ IC. Trong trường hợp không nhìn thấy IC giao động là do nó đã được tích hợp trong IC nguồn. Nguồn xung cũng bao gồm biến áp nhưng khác biến áp ở chổ nó không hoạt động trên dòng điện xoay chiều mà hoạt động dựa trên các xung điện. Nguồn xung cũng có nhiều cuộn, cuộn sơ cấp, cuộn thứ cấp và hồi tiếp. Nguồn xung không dùng các lỏi thép pha Silic như 1 biến áp bình thường mà nó sử dụng lỏi Feralit hay còn gọi là lỏi sắt non vì tần số đi qua cuộn dây rất cao sẽ dể làm cho mạch bị nóng. Mạch nguồn xung cũng hoạt động trên nguyên lý cảm ứng điện từ, tuy nhiên nó không dùng dòng điện xoay chiều.

Thông thường, mạch nguồn xung trang bị luôn 1 ACIN cầu Diod và tụ lọc nguồn, dòng điện xoay chiều đi qua cầu Diod được lọc thành nguồn điện 1 chiều đưa vào mạch( nếu nguồn đang dùng là 220V thì tụ lọc nguồn khoảng 400V). Dòng điện vào mạch, đi qua cuộn dây của biến áp, tới PWM( là 1 công tắc, thường được gọi là con sò). Công tắc này đóng mở liên tục vài trăm nghìn lần trên giây tạo ra từ thông trong lỏi thép. Khi công tắc đóng, điện áp trong cuộn dây sẽ lên đến 300V, nếu để như vậy sau vài giây cuộn dây sẽ cháy nên tiếp theo công tắc ngắt, cứ như vậy nó lại đóng ngẳt để đi vào 1 chu kỳ tiếp theo. Các chu kỳ đóng ngắt này tạo ra các lường xung( do dòng điện biến thiên liên tiếp từ 0V-300V-0V-300V) và trong cuộn dây sinh ra từ thông đi qua lỏi thép. Cuộn dây thứ cấp sẽ cảm ứng được, cuộn thứ cấp cũng sử dụng các Diod và 1 ổn áp nhỏ để bảo vệ cuộn dây, nguồn điện đi qua các tụ lọc và đi ra là điện 1 chiều. Đối với nguồn điện đưa vào mạch nguồn là điện 1 chiều thì sẽ có các chu kỳ + và  –  giao động quanh 0V chứ không phải chu kỳ 0V-300V-0V-300V như điện xoay chiều. Ngoài ra chúng ta còn có 1 cuộn hồi tiếp hoạt động để duy trì dòng điện qua PWM ổn định, nếu như nguồn bị cháy cuộn dây hồi tiếp này thường sẽ rất yếu và không ổn định.

Bộ biến đổi DC-DC

Có chức năng thay đổi điện áp của dòng điện phù hợp với thiết bị cần sử dụng, Bộ DC-DC là dùng để điều khiển giá trị trung bình điện áp ở ngõ ra từ điện áp 1 chiều không đổi ở ngõ vào. Về cơ bản, bộ biến đổi DC-DC vẫn là 1 mạch nguồn và vẫn ứng dụng nguyên lý cảm ứng điện từ. Có 3 loại bộ biến đổi DC-DC cơ bản là bộ biến đổi tăng áp, giảm áp và đảo áp.

Bộ biến đổi giảm áp – BUCK

Cấu tạo: Mạch bộ giảm áp gồm nguồn điện áp một chiều không đổi U mắc nối tiếp với tải thông qua công tắc S. Tải một chiều tổng quát gồm R, L và suất điện động E( ví dụ động cơ một chiều). Diod đệm D0 mắc ngược song song với tải (hình mạch nguồn BUCK).

Nguồn 1 chiều có thể lấy từ ắc quy, pin điện, hoặc từ nguồn áp xoay chiều qua bộ chỉnh lưu không điều khiển và mạch lọc. Công tắc S có chức năng điều khiển đóng và ngắt được dòng điện đi qua nó. Do tính đóng ngắt nên công tắc S phải là linh kiện tự chuyển mạch. Chẳng hạn transitor (BJT, MOSFET, IGBT), GTO hoặc ở dạng kết hợp gồm thyristor (SCR) với bộ chuyển mạch.

hình mạch nguồn BUCK
hình mạch nguồn BUCK

Nguyên lý hoạt động mạch nguồn BUCK

Trong mạch nguồn bộ biến đổi BUCK có 2 chế độ là chế độ liên tục và chế độ không liên tục.

Chế độ liên tục

bộ biến đổi BUCK hoạt động với dòng điện được duy trì không bao giờ giảm về 0 trong cuộn dây IL. Xem hình

Nguyên lý hoạt động mạch nguồn BUCK
Nguyên lý hoạt động mạch nguồn BUCK

Khi công tắc đóng, điện áp trong cuộn dây là VL = Vi – V0 . Tuyến tính dòng đi qua cuộn dây được tăng lên. Khi không có dòng điện qua Diod tức là nó có điện áp ngược với nguồn.

Khi công tắc mở, Diod phân cực ngược, điện áp đi qua cuộn dây là VL= -V0 . IL giảm điện áp.

Năng lượng E lưu trữ trong cuộn dây L là :

Nặng lượng lưu trữ trong cuộn dây L tăng suốt thời gian công tắc đóng và giảm khi công tắc mở. L được dùng để chuyển đổi điện năng đầu vào cho đến đầu ra.

Công thức tính tỉ lệ thay đổi IL là :

Ta có, VL = Vi – V0 trong khi công tắc đóng và VL= -V0 khi công tắc mở. Dòng điện gia tăng trong quá trình đóng ngắt này được tính bởi công thức:

Tương tự, dòng điện giảm trong quá trình đóng ngắt được tính bằng công thức:

Nếu bộ chuyển đổi hoạt động ổn định và lích lũy năng lượng trong cuộn dây, kết thúc chu kỳ T bắt đầu với 1 chu kỳ mới. IL trong các chu kỳ bằng nhau khi t=0 và t=T.

Ta viết lại biểu thức :

Trong hình nguyên lý hoạt động mạch nguồn – bộ chuyển đổi BUCK, ta có: ton = DT,

toff = (1 – D)T. Chu kỳ chuyển mạch từ 0-1 có giá trị vô hướng là D.

Ta thấy, điện áp đầu ra của mạch nguồn chuyển đổi biến thiên liên tục tùy vào điện áp đưa vào. Ký hiệu D là chu kỳ , là tần số giữa  và T, đặc biệt luôn bé hơn 1, suy ra . Đây là lý do mạch nguồn BUCK còn có tên gọi là step-down converter.

Chế độ không liên tục

Trong chế độ không liên tục, ví dụ điện áp trong bộ biến đổi là ổn định tức là trung bình điện áp cuộn cảm VL =0. Ta có:

Dòng điện nhận từ I0 đầu ra có giá trị không đổi. Thông thường, điện áp của tụ điện đặt ở đầu ra có điện áp rất lớn nhằm ổn định điện áp trong chu kỳ dẫn tới giá trị dòng đi qua tụ điện quá nhỏ so với nó, ta coi như bằng 0. Ta có: giá trị tuyệt đối của IL:

Khi  là giá trị trung bình của dòng điện đi qua cuộn dây. Như hình trên, ta có :

Ban đầu, dòng điện chạy qua cuộn cảm chỉ có giá trị bằng 0 rồi tăng dần lên đến ILmax bắt đầu từ lúc ton. Ta có, ILmax được tính bằng công thức:

Thay ILmax vào công thức trước, ta có:

Thay δ ở biểu thức trên:

Viết lại biểu thức, ta được:

Đây là giá trị điện áp đầu ra của mạch nguồn bộ chuyển đổi DC-DC.

Hình ảnh: Bộ chuyển đổi DC-DC không liên tục
Hình ảnh: Bộ chuyển đổi DC-DC không liên tục

Ứng dụng của mạch nguồn

Ngày nay, mạch nguồn được ứng dụng vào rất nhiều thiết bị điện trong cuộc sống điển hình như là mạch nguồn dùng trong ổn áp dùng transitor, nguồn 5V dùng trong các mạch số, kết hợp với IC ráp nguồn có tính ổn áp, mạch phát tín hiệu nhạc, khuếch đại cho ống nói dạng điện dung và điện động…

Mạch nguồn trong ổn áp dùng transitor

Mạch nguồn trong ổn áp này là dạng tuyến tính dung transitor và Zerner ổn áp. Loại mạch nguồn này không dùng dòng quá ca, khoảng vài chục đến 100ml Ampe. Mạch này cũng tương đối đơn giản. Cần 1 con điện trở R1 và 1 con transitor và 1 con Diod do con biến áp thì khoảng 12V nên dùng transitor khoảng 13V là vừa đủ. Làm sao xác định được cần điện trở R1 là bao nhiêu? R1 sẽ bằng điện thế vào là V1 trừ VR1 là 13V và chia cho dòng điện đi ngang qua. Dòng điện đi ngang qua R1 sẽ là dòng điện cung cấp cho con Zener Diod là dòng điện VR1 cộng với dòng điện đi vào cực B là IB. Tham khảo sơ đồ sau và áp dụng trong thực tế :

   Hình ảnh: Mạch nguồn tuyến tính dùng transitor và Zener ổn áp
Hình ảnh: Mạch nguồn tuyến tính dùng transitor và Zener ổn áp

 

Mạch nguồn trong mạch phát tín hiệu nhạc

Mạch này cần dùng thêm 1 IC UM66 là loại IC phát tín hiệu nhạc theo dạng xung điều biên độ rộng.

Hình ảnh: mạch nguồn phát tín hiệu nhạc
Hình ảnh: mạch nguồn phát tín hiệu nhạc

Mạch dao động sóng Sin

Hình ảnh: mạch nguồn dao động phát tín hiệu Sin, tần số 1KHz
Hình ảnh: mạch nguồn dao động phát tín hiệu Sin, tần số 1KHz

Mạch khuếch đại ống nói

Hình ảnh: Mạch khuếch đại ống nói
Hình ảnh: Mạch khuếch đại ống nói

Mạch nguồn khuếch đại âm tần

Hình ảnh: mạch nguồn khuếch đại âm tần
Hình ảnh: mạch nguồn khuếch đại âm tần

Trên đây là những thông tin cơ bản về mạch nguồn, phân loại và ứng dụng của mạch nguồn trong thiết kế, sản xuất và đời sống. Hy vọng bài viết trên Thegioidienco.vn cung cấp kiến thức thú vị về mạch nguồn, chúc các bạn đam mê kỹ thuật thành công!

Click to rate this post!
[Total: 0 Average: 0]

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Website này sử dụng Akismet để hạn chế spam. Tìm hiểu bình luận của bạn được duyệt như thế nào.

Hotline: 0938.441.404
Chat Facebook
Gọi điện ngay