Nguồn xung là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các loại nguồn xung

Nguồn xung ngày càng được sử dụng phổ biến trong các thiết bị điện tử, các thiết bị vật dụng gia đình. Dễ thấy có thể kể đến như: bếp từ, lò vi sóng, nồi cơm điện,… 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

Nguồn xung là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các loại nguồn xung
Nguồn xung là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các loại nguồn xung

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 công kềnh và tốn vật liệu lên không còn được sử dụng nhiều.

Cấu tạo của nguồn xung

Cấu tạo của nguồn xung
Cấu tạo của nguồn xung

Nhìn vào board mạch trên ta thấy rằng một bộ nguồn xung sẽ bao gồm những linh kiện cơ bản sau (một số kiểu sẽ có thêm những thành phần khác hoặc không có những linh kiện trên nhưng hầu hết là giống nhau):

  • Biến áp xung: Cũng cấu tạo gồm các cuộn dây quán trên một lõi từ giống như biến áp thông thường chỉ có điều biến áp này sử dụng lõi ferit còn biến áp thường sử dụng lỗi thép kỹ thuật điện . Với cùng một kích thước thì biến áp xung cho công suất lớn hơn biến áp thường rất nhiều lần. Ngoài ra biến áp xung hoạt động tốt ở dải tần cao còn biến áp thường chỉ hoạt động ở dải tần thấp.
  • Cầu chì: Bảo vệ mạch nguồn bị ngắn mạch
  • Cuộn chống nhiễu, tụ lọc sơ cấp, điode chỉnh lưu: Có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều 220V thành điện áp một chiều tích trữ trên tụ lọc sơ cấp để cung cấp năng lượng cho cuộn sơ cấp của máy biến áp xung
  • Sò công suất/: Đây là một linh kiện bán dẫn dùng như một công tắc chuyển mạch , đó có thể là transistor, mosfet, IC tích hợp, IGBT có nhiệm vụ đóng cắt điện từ chân (+) của tụ lọc sơ cấp vào cuộn dây sơ cấp của biến áp xung rồi cho xuống mass.
  • 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. Chúng ta biết rằng khi cuộn sơ cấp của biến áp được đóng cắt điện liên tục bằng sò công suất thì xuất hiện từ trường biến thiên dẫn đến cuộn thứ cấp của biến áp cũng xuất hiện một điện áp ra. Điện áp này được chỉnh lưu qua một vài diode rồi đưa ra tụ lọc thứ cấp để san phẳng điện áp
  • 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.

Nguyên lý hoạt động nguồn xung

Nguyên lý hoạt động nguồn xung
Nguyên lý hoạt động nguồn xung

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.

Ưu, nhược điểm của nguồn xung

Ưu điểm:

  • Kích thước nhỏ gọn và nhẹ.
  • Hiệu suất cao hơn và ít nóng.
  • Điều chỉnh tốt hơn.
  • Biên độ điện áp vào lớn.
  • Giá thành rẻ.

Nhược điểm:

  • Bởi vì có rất nhiều linh kiện sử dụng trong mạch nguồn cho nên khi xuất hiện lỗi nó có thể làm rất nhiều linh kiện bị lỗi theo ví dụ lỗi khi bị sét đánh hoặc điện áp vào quá cao .
  • Với nhiều mạch điện khác nhau được sử dụng trong nguồn xung ví dụ như mạch dao động ,mạch phản hồi,mạch bảo vệ,mạch nguồn phụ… và khi xảy ra nhiều vấn đề nó thậm chí có thể là nguyên nhân gây rắc rối trong quá trình sửa chữa nguồn xung.
  • Một số linh kiện thay thế rất đắt tiền và khó mua được trên thị trường ví dụ như Mosfet,ic nguồn và biến áp xung.
  • Nhiễu cao tần phát ra từ biến áp xung có thể làm nhiều vấn đề bị gián đoạn..
  • Chế tạo đòi hỏi kĩ thuật cao , thiết kế phức tạp ,việc sửa chữa khó khăn cho người mới học.

Các loại nguồn xung

Buck converter

– Đây là loại thông dụng nhất trong các loại nguồn xung thông dụng. 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:

Buck converter
Buck converter

– 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)

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:

Boost converter
Boost converter

Hoạt động cơ bản như sau: Khi công tắc 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).

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:

Mạch Buck-Boost (inverting)
Mạch Buck-Boost (inverting)

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.

Nguồn flyback

– Đây là loại nguồn linh hoạt nhất trong các loại nguồn xung thông dụng , 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:

Nguồn flyback
Nguồn flyback

– 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.

Nguồn xung là một thiết bị không thể thiếu trong thời đại công nghệ thông tin như hiện nay. Việc hiểu rõ nguồn xung là gì? Cũng như hiểu được cấu tạo và  nguyên tắc hoạt động của nó sẽ giúp bạn hiểu rõ các thiết bị điện tử của mình hơn. Trong trường hợp hư hỏng bạn cũng có thể chọn mua một nguồn xung thích hợp và thay thế dễ dàng. Một lưu ý cho các bạn khi mua nguồn xung là nên mua những sản phẩm chính hãng để bảo vệ các thiết bị của mình một cách tốt nhất.

Nguồn tham khảo

1. linhkienst.com

2. dientusangtaovn.com

3. bachkhoadientu.com

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