Nguồn xung và nguyên lý hoạt động và các loại nguồn xung

Trong các thiết bị điện tử hiện nay, nguồn xung là một phần không thể thiếu. Nó được tích hợp trong nhiều thiết bị như bếp từ, lò vi sóng, nồi cơm điện để chuyển đổi nguồn điện từ dạng xoay chiều sang dạng một chiều. Cách thức hoạt động của nguồn xung dựa trên sự kết hợp giữa chế độ dao động xung trong mạch điện tử và biến áp.

Bạn biết về Các linh kiện gì của nguồn xung?

Bằng cách sử dụng nguồn xung, khách hàng có thể linh hoạt biến đổi dòng điện thành các điện áp một chiều khác nhau, như 3V, 5V hoặc 8V, tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng của họ. Nguồn xung thường bao gồm nhiều thành phần khác nhau, tuy nhiên, về cơ bản chúng bao gồm các linh kiện như:

Biến áp xung là gì?

Biến áp xung (hay còn gọi là flyback transformer) là một loại biến áp sử dụng trong các mạch điện tử chuyển đổi dòng điện xoay chiều sang dòng điện một chiều. Biến áp xung thường được sử dụng trong các thiết bị điện tử như các bộ nguồn điện, mạch đèn huỳnh quang, mạch tạo xạ trị, mạch xung một số ứng dụng khác.

Trong mạch biến áp xung, nguồn điện xoay chiều được đưa vào cuộn dây tổng, sau đó đóng một cách ngắt quãng để tạo ra xung điện trên cuộn dây. Xung điện này sẽ tạo ra một trường từ để kích hoạt cuộn dây phụ, tạo ra một điện áp cao hơn trên cuộn dây phụ so với nguồn điện ban đầu. Điện áp này sau đó được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các linh kiện điện tử trong mạch.

Biến áp xung thường có cấu trúc đặc biệt để giảm thiểu các tác động của từ trường và giảm thiểu mất điện năng.

Biến áp xung (hay còn gọi là biến áp chuyển đổi) là một loại biến áp được sử dụng trong các mạch nguồn xung để chuyển đổi điện áp từ dạng xoay chiều sang dạng xung (tín hiệu xung), sau đó được biến đổi lại thành dạng điện áp một chiều theo nhu cầu sử dụng của người dùng.

Biến áp xung bao gồm hai cuộn dây cuộn quanh một lõi từ sắt, thường được chia thành hai phần: cuộn cấp và cuộn thu. Trong quá trình hoạt động của mạch nguồn xung, cuộn cấp sẽ nhận dòng điện và tạo ra một trường từ để tạo ra tín hiệu xung. Tín hiệu xung này sẽ được truyền qua cuộn thu, sau đó được biến đổi thành một dạng điện áp một chiều thông qua các linh kiện như diode và tụ điện.

Biến áp xung có nhiều ứng dụng, chẳng hạn như trong các mạch xử lý tín hiệu âm thanh, các thiết bị viễn thông, đèn LED và các mạch nguồn khác.

Cầu chì là gì?

Cầu chì là một thiết bị bảo vệ trong mạch điện, được sử dụng để ngăn chặn dòng điện quá tải gây ra nguy hiểm cho các thiết bị điện. Cầu chì thường được làm bằng chất liệu sợi thủy tinh hoặc kim loại, có hình dạng như một chiếc ống nhỏ, được đặt giữa nguồn điện và thiết bị điện. Khi dòng điện vượt quá mức cho phép, cầu chì sẽ nhanh chóng tan chảy và ngắt mạch, ngăn chặn dòng điện tiếp tục lưu thông và bảo vệ các thiết bị điện khác trong mạch. Cầu chì thường được sử dụng trong các mạch điện gia đình và công nghiệp để đảm bảo an toàn và tránh sự cố điện nguy hiểm.

Cuộn chống nhiễu, tụ lọc sơ cấp, diode chỉnh lưu có công dụng là gì?

Các thiết bị như cuộn chống nhiễu, tụ lọc sơ cấp và diode chỉnh lưu có chức năng chuyển đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều. Sau đó, chúng tích trữ năng lượng điện trên các tụ lọc để cung cấp cho cuộn dây sơ cấp của bộ nguồn. Các thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong các mạch nguồn xung, giúp cung cấp năng lượng ổn định cho các thiết bị điện tử và giảm thiểu các tác động gây nhiễu cho mạch.

Sò công suất là gì?

Sò công suất là một loại linh kiện điện tử được sử dụng để cung cấp công suất cho các thiết bị điện tử, đặc biệt là trong các mạch khuếch đại hoặc nguồn điện. Sò công suất thường được sử dụng trong các mạch điện có khối lượng lớn và nhu cầu điện năng cao, nó có khả năng chịu được dòng điện và áp suất cao hơn so với các loại linh kiện điện tử khác.

Sò công suất thường được sản xuất với nhiều loại và công suất khác nhau để phù hợp với các yêu cầu sử dụng khác nhau. Các loại sò công suất phổ biến bao gồm transistor công suất và MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).

Transistor công suất được thiết kế để chịu được dòng điện và áp suất cao, chúng có thể hoạt động trong các mạch điện có tần số cao và được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị công suất lớn như các mạch khuếch đại âm thanh, các mạch nguồn chuyển đổi và các mạch điều khiển động cơ.

MOSFET là một loại sò công suất có cấu trúc đơn giản hơn so với transistor công suất, nó được sử dụng rộng rãi trong các mạch nguồn chuyển đổi, các mạch điều khiển động cơ và các mạch khuếch đại âm thanh. MOSFET có thể hoạt động ở tần số cao hơn so với transistor công suất và có hiệu suất chuyển đổi cao hơn, tuy nhiên chúng có thể bị tổn thương bởi tín hiệu điện tĩnh.

Sự lựa chọn giữa transistor công suất và MOSFET thường phụ thuộc vào các yêu cầu kỹ thuật của mạch điện cụ thể và đặc tính của linh kiện được sử dụng.

Tụ lọc nguồn thứ cấp là gì?

Tụ lọc nguồn thứ cấp là một thành phần quan trọng trong các mạch điện tử cung cấp điện áp đóng vai trò lọc nhiễu và giữ cho nguồn cấp ổn định. Tụ lọc nguồn thứ cấp thường được đặt sau một đầu cầu chỉnh lưu và trước một linh kiện điện tử cần được cung cấp điện.

Tụ lọc nguồn thứ cấp hoạt động bằng cách lưu trữ một lượng điện năng trong thời gian đầu của chu kỳ sóng điện và giải phóng nó trong thời gian sau đó, giúp giữ cho đầu ra nguồn điện ổn định. Tụ lọc nguồn thứ cấp thường được làm bằng các loại tụ điện lớn có dung lượng cao và khả năng chịu điện áp cao.

Khi nguồn cấp được thiết kế tốt, tụ lọc nguồn thứ cấp sẽ giúp giảm độ rộng của xung sóng điện và làm giảm nhiễu điện từ, giúp cho các linh kiện điện tử có được nguồn cấp điện ổn định hơn và độ tin cậy cao hơn.

IC quang là gì?

IC quang là viết tắt của cụm từ (Optical Integrated Circuit) và được sử dụng để mô tả các vi mạch sử dụng ánh sáng để truyền thông dữ liệu. Các IC quang thường được sử dụng trong các thiết bị mạng, thiết bị truyền thông, máy tính và các thiết bị điện tử khác để tăng tốc độ truyền dữ liệu và giảm thiểu độ trễ trong việc truyền tải thông tin. Các ứng dụng của IC quang bao gồm truyền thông quang, ladar, các thiết bị cảm biến và các hệ thống tương tác ánh sáng.

Cơ chế, nguyên lý hoạt động của nguồn xung là gì?

Nguồn xung (hay còn gọi là mạch nguồn xung) là một loại mạch điện tử được sử dụng để tạo ra một tín hiệu xung điện áp hoặc dòng điện với tần số và độ rộng xung được điều khiển. Cơ chế và nguyên lý hoạt động của nguồn xung là như sau:

Nguồn xung thường bao gồm một bộ khởi động (hay còn gọi là Oscillator) để tạo ra tín hiệu xung và một bộ truyền dẫn để truyền tín hiệu này đến một biến áp xung để biến đổi thành tín hiệu điện áp hoặc dòng điện cần thiết.

Bộ khởi động thường sử dụng các linh kiện điện tử như transistor hoặc vi mạch để tạo ra tín hiệu xung. Tín hiệu này sẽ được điều chỉnh về tần số và độ rộng xung thông qua các linh kiện điều khiển như resistor và capacitor.

Tín hiệu xung sau đó sẽ được truyền qua một bộ truyền dẫn, ví dụ như một transistor hoặc một MOSFET để điều khiển một cuộn dây trong biến áp xung. Sự thay đổi của tín hiệu xung sẽ tạo ra một trường từ và cuối cùng là điện áp hoặc dòng điện được đưa ra thông qua các linh kiện điện tử khác như diode và tụ điện.

Nguồn xung có nhiều ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như trong các thiết bị nguồn điện, các thiết bị điều khiển motor, mạch đèn LED và các thiết bị điện tử khác.

Xem thêm: Nguyên lý hoạt động Mạch điện cầu thang và cách lắp đặt

Nguồn xung có Ưu điểm và nhược điểm gì?

Nguồn xung có nhiều ưu điểm như:

• Điều chỉnh dòng điện đầu ra: Nguồn xung cho phép điều chỉnh dòng điện đầu ra, do đó giúp tăng hoặc giảm hiệu suất của các thiết bị điện tử.

• Điều chỉnh hiệu điện thế đầu ra: Nguồn xung cũng cho phép điều chỉnh hiệu điện thế đầu ra, do đó cho phép sử dụng nhiều loại thiết bị điện tử có yêu cầu khác nhau về điện áp.

• Hiệu suất cao: So với nguồn cấp điện thông thường, nguồn xung có hiệu suất cao hơn, tiêu thụ ít năng lượng và tạo ra ít nhiệt độ hơn.

• Thiết kế nhỏ gọn: Do tính chất của các linh kiện điện tử, nguồn xung được thiết kế nhỏ gọn hơn, tiết kiệm không gian và tiện lợi trong việc sử dụng và lắp đặt.

• Chi phí sản xuất thấp: So với nguồn cấp điện truyền thống, nguồn xung có chi phí sản xuất thấp hơn, do sử dụng các linh kiện điện tử phổ biến và kỹ thuật sản xuất tiên tiến.

Nguồn xung có một số nhược điểm như:

• Tạo nhiễu: Nguồn xung có thể tạo ra các tín hiệu nhiễu trên dòng điện và điện áp trong mạch, gây ảnh hưởng đến các thiết bị khác trong hệ thống.

• Độ ổn định thấp: So với nguồn đơn giản hơn như nguồn điện xoay chiều, nguồn xung cần phải được thiết kế kỹ lưỡng để đảm bảo độ ổn định cao. Nếu không được thiết kế tốt, nguồn xung có thể gây ra sai số điện áp và dòng điện, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của mạch điện tử.

• Phức tạp hơn: Thiết kế và lắp đặt nguồn xung cần nhiều kinh nghiệm và kiến thức chuyên sâu hơn so với các loại nguồn đơn giản hơn. Điều này làm tăng chi phí và độ phức tạp của quá trình sản xuất và sử dụng.

• Yêu cầu năng lượng cao: Do tính chất hoạt động của nguồn xung, để sản xuất được nguồn xung có năng lượng đủ để cung cấp cho mạch điện tử thì cần sử dụng các linh kiện chịu được dòng điện cao, điều này làm tăng chi phí và cũng gây ra nguy cơ an toàn khi sử dụng.

Các loại nguồn xung trên thị trường hiện nay là gì?

Loại 1: Buck converter

Buck converter, còn được gọi là step-down converter, là một dạng mạch điện tử được sử dụng để giảm điện áp đầu vào xuống điện áp đầu ra thấp hơn. Nó hoạt động dựa trên nguyên lý điều khiển tỷ số tốn công suất của điện áp đầu vào để tạo ra một điện áp đầu ra ổn định.

Buck converter được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng điện tử như điện thoại di động, máy tính xách tay, ổ cứng di động và các thiết bị điện tử khác. Ưu điểm của buck converter là khả năng cung cấp dòng điện lớn ở điện áp đầu ra thấp hơn, tiết kiệm năng lượng và giảm kích thước của bộ nguồn.

Tuy nhiên, nhược điểm của buck converter là điện áp đầu ra phụ thuộc vào dòng điện đầu ra, điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và độ ổn định của mạch. Ngoài ra, việc thiết kế và lắp đặt buck converter có thể khó khăn hơn so với các loại bộ chuyển đổi khác.

Chúng hoạt động ở trạng thái nạp và xả điện của cuộn dây. Hiện có 2 trạng thái để tính dòng điện qua LOAD

Trạng thái 1: Khi công tắc SW đóng, điện áp đầu vào sẽ được chuyển tới cuộn dây và tạo ra một trường từ. Lúc này, điện áp tại đầu ra V0 sẽ bằng 0 và tụ điện sẽ được nạp điện dần dần. Dòng điện cấp sẽ tăng dần theo thời gian.

Trạng thái 2: Khi công tắc SW mở, nguồn cấp sẽ bị ngắt, dòng điện sẽ chuyển sang tải V0 và cuộn dây. Tụ điện sẽ xả ra tải V0, giúp giữ cho điện áp ổn định. Khi độ cảm của cuộn dây lớn và tụ điện có trị số điện dung lớn thì điện áp tại đầu ra V0 sẽ trở nên ổn định và không bị dao động.

Các trạng thái này sẽ lặp lại theo chu kỳ và tần số xung được điều chỉnh thông qua các linh kiện điều khiển như resistor và capacitor. Mạch chuyển đổi DC-DC sử dụng nguyên lý độ lên cao cấp được sử dụng phổ biến trong các thiết bị điện tử như điện thoại di động, máy tính xách tay và các ứng dụng điện tử khác.

 Loại 2: Boost converter

Boost converter là một loại mạch điện tử được sử dụng để tăng áp đầu ra so với áp đầu vào. Nó hoạt động theo nguyên lý của các cặp tụ lọc sạch sót tín hiệu và điều khiển một switch để điều chỉnh thời gian hoạt động của switch đó.

Trong boost converter, áp đầu vào được cấp cho một cuộn dây, gọi là cuộn dây sơ cấp, còn áp đầu ra được lấy từ một cuộn dây khác, gọi là cuộn dây thứ cấp. Các tụ lọc được sử dụng để sạch sót tín hiệu và cung cấp năng lượng cho cuộn dây thứ cấp.

Khi switch đóng, dòng điện chạy qua cuộn dây sơ cấp và lưu trữ năng lượng trong cuộn dây đó. Khi switch mở, điện áp được tạo ra bởi sự thay đổi trong dòng điện của cuộn dây sơ cấp được chuyển đổi sang cuộn dây thứ cấp, tăng áp đầu ra so với áp đầu vào.

Boost converter thường được sử dụng trong các ứng dụng cần cung cấp điện áp cao hơn so với nguồn điện đầu vào, chẳng hạn như trong hệ thống điện tử điện thoại di động hoặc trong các ứng dụng năng lượng mặt trời.

Loại 3: Mạch Buck-Boost (inverting)

Mạch Buck-Boost là một loại mạch chuyển đổi điện áp DC/DC, cho phép điều chỉnh đầu ra điện áp với các giá trị cao hơn hoặc thấp hơn so với đầu vào. Mạch Buck-Boost hoạt động dựa trên nguyên lý điều khiển độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation), trong đó tần số của xung đầu vào được giữ nguyên, nhưng độ rộng xung sẽ thay đổi để giảm hoặc tăng điện áp đầu ra.

Mạch Buck-Boost bao gồm một cuộn cảm, một điốt, một transistor và một tụ điện. Điện áp đầu vào được đưa vào cuộn cảm và transistor sẽ điều khiển độ rộng xung để mở hoặc đóng mạch. Khi transistor mở, cuộn cảm sẽ lưu trữ năng lượng và khi transistor đóng, năng lượng này sẽ được chuyển đến đầu ra thông qua điốt và tụ điện. Quá trình này sẽ liên tục lặp lại để cung cấp đầu ra với điện áp ổn định và ổn định.

Mạch Buck-Boost có ứng dụng phổ biến trong các thiết bị điện tử, như đèn LED, bộ sạc pin, bộ điều khiển động cơ và các ứng dụng năng lượng mặt trời. Ưu điểm của mạch này là cho phép điều chỉnh đầu ra điện áp với các giá trị cao hơn hoặc thấp hơn so với đầu vào, trong khi vẫn giữ được hiệu suất cao và kích thước nhỏ gọn. Tuy nhiên, mạch Buck-Boost cũng có thể gặp khó khăn trong việc kiểm soát điện áp đầu ra và cung cấp năng lượng cho các tải động, khiến cho mạch này phức tạp hơn so với các mạch đơn giản hơn.

Loại 4: Nguồn flyback 

Mạch nguồn xung Flyback là một loại mạch nguồn chuyển đổi điện áp được sử dụng phổ biến trong các thiết bị điện tử. Mạch này sử dụng nguyên lý lưu dòng từ để chuyển đổi điện áp từ nguồn đầu vào sang điện áp cần thiết cho tải.

Mạch nguồn xung Flyback bao gồm một biến áp có hai cuộn dây quấn xung quanh một lõi từ. Trong quá trình hoạt động, một nguồn DC sẽ được kết nối tới cuộn cấp của biến áp, tạo ra một trường từ và nạp điện vào tụ điện thông qua một công tắc. Khi công tắc được đóng, dòng điện sẽ tăng dần và tạo ra một trường từ trong cuộn cấp. Khi công tắc được mở, trường từ này sẽ giảm dần và tạo ra một điện áp xung trên cuộn thu của biến áp.

Điện áp xung này được biến đổi và điều chỉnh thông qua các linh kiện như diode, tụ điện và cuộn dây, để tạo ra một điện áp một chiều ổn định cho tải. Trong quá trình này, dòng điện sẽ được lưu trữ và tạo ra một trường từ trong cuộn thu. Khi công tắc được đóng lại, trường từ này sẽ giúp tạo ra một điện áp cần thiết cho tải.

Mạch nguồn xung Flyback có nhiều ứng dụng trong các thiết bị điện tử, chẳng hạn như trong các mạch nguồn điện cho máy tính, tivi, đèn LED, các thiết bị y tế và các thiết bị điện tử khác. Mạch này có độ hiệu quả cao, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí sản xuất.

Các đặc trưng của nguồn flyback bao gồm:

• Tính linh hoạt cao trong việc chuyển đổi điện áp và dòng điện: Nó có thể cung cấp các điện áp đầu ra khác nhau cho các thiết bị điện tử trong các ứng dụng khác nhau.

• Hiệu quả cao: Nguồn flyback có khả năng chuyển đổi điện năng với hiệu suất cao hơn so với các loại bộ nguồn chuyển đổi khác.

• Thiết kế đơn giản và giá thành thấp: Với cấu trúc đơn giản, thiết kế nguồn flyback có thể được thực hiện với giá thành thấp hơn so với các loại nguồn chuyển đổi khác.

Tuy nhiên, nhược điểm của nguồn flyback là nó có thể gây ra các hiện tượng nhiễu sóng, có thể ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị điện tử kết nối với nó. Do đó, để giảm thiểu tác động của nhiễu sóng, các biện pháp giảm nhiễu phải được áp dụng trong thiết kế nguồn flyback.

Xét về nguyên tắc hoạt động, khách hàng có thể nhận thấy:

Ở trạng thái công tắc đóng, dòng điện sẽ tăng dần trên cuộn sơ cấp và nguồn cấp được tạo ra do tải cấp. Trong khi đó, ở trạng thái công tắc mở, dòng điện sẽ giảm dần trên cuộn sơ cấp và điện áp đặt ở đi ốt theo chiều thuận và là điện áp dương.

Lời kết

Trên đây là một số kiến thức quan trọng về nguồn xung và các linh kiện trong mạch nguồn xung. Hy vọng rằng những kiến thức này có thể giúp cho bạn đọc hiểu hơn về nguồn xung cũng như có thể áp dụng vào trong công việc cũng như học tập