Nguyên Lý Hoạt Động Các Loại Nguồn Xung Thông Dụng

I.CÁC LOẠI NGUỒN XUNG

Nguồn switching được sử dụng ngày càng rộng rãi do có ưu điểm hiệu suất cao, ít tỏa nhiệt và kích thước nhỏ hơn nhiều so với nguồn tuyến tính có cùng công suất.

Bài viết này đề cập đến 4 loại nguồn switching thông dụng nhất là:

• Buck: biến đổi điện áp DC đầu vào thành đầu ra DC có điện áp nhỏ hơn.
• Boost: ngược lại so với Buck, điện áp đầu ra lớn hơn đầu vào.
• Buck-Boost (invert): Tạo điện áp âm có trị tuyệt đối lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp vào (điều chỉnh được).
• Flyback: tạo điện áp dương có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp vào (điều chỉnh được).

Nhưng trước hết, ta sẽ điểm qua các thành phần chính của nguồn switching: Cuộn cảm, biến áp và PWM.

1. Các thành phần chính của nguồn switching

a) Cuộn dây.

Điện áp trên cuộn dây và dòng điện đi qua nó liên hệ theo phương trình sau: V= L(di/dt).

Từ phương trình trên ta rút ra được 2 đặc tính quan trọng của cuộn dây:

• Chỉ có điện áp rơi trên 2 đầu cuộn dây khi dòng điện đi qua nó biến thiên.
• Dòng đi qua cuộn dây không thể thay đổi đột ngột, bởi vì để làm được điều đó ta cần mức điện thế vô cùng lớn. Dòng qua cuộn dây thay đổi càng mạnh thì điện áp rơi trên nó càng lớn.

b) Biến áp.

•  Biến áp cấu tạo bởi 2 hoặc nhiều cuộn dây có quan hệ từ tính với nhau. Hoạt động của biến áp là biến điện áp xoay chiều đầu vào sơ cấp thành điện áp thứ cấp có giá trị to hơn hoặc nhỏ hơn tùy theo số vòng dây quấn.Biến áp không tạo thêm năng lượng, cho nên năng lượng ở 2 đầu sơ cấp, thứ cấp phải bằng nhau (=const). Đó là lí do tại sao cuộn dây nhiều vòng quấn hơn có điện áp cao hơn nhưng dòng nhỏ hơn, trong khi cuộn dây ít vòng dây quấn hơn có điện áp nhỏ hơn nhưng dòng điện lớn hơn.

• Dấu chấm ký hiệu ở một trong hai đầu cuộn dây gọi là cực tính, thể hiện sự liên hệ về dấu của điện áp và chiều dòng điện của 2 cuộn sơ cấp và thứ cấp. Các bạn xem hình vẽ trên để biết thêm chi tiết.
• Một ứng dụng đơn giản của máy biến áp được sử dụng rất nhiều trong hệ thống đánh lửa của oto, xe máy…

  Sơ đồ nguyên lý như trên. Cuộn dây N2 có số vòng lớn hơn rất nhiều so với N1. Khi công tắc (points closed – chính là nút bấm khởi động) đóng, điện áp qua N1 là 12V, dòng qua N1 là dòng một chiều (giá trị bằng dòng qua trở hạn dòng) nên không có hiện tượng cảm ứng từ.

  Khi công tắc mở ra (ấn công tắc khởi động) dòng qua cuộn N1 giảm xuống rất nhanh, điện áp rơi trên nó cũng vọt lên rất lớn. Hiện tượng cảm ứng từ xảy ra khiến điện áp ở cuộn N2 tăng lên đến cỡ 30kV-40kV theo (công thức ở trên) gây phóng điện ở tiếp điểm spark gap, đốt cháy nhiên liệu và xe bắt đầu hoạt động!

c) PWM.

• Tất cả các loại nguồn switching đều có dạng điện áp đầu ra kiểu xung vuông với tần số xác định nào đó, gọi là Pulse Width Modulation (PWM), dân ta hay gọi là băm xung :D. Xét một ví dụ cơ bản sau:

• Điện áp ở dạng xung vuông với chu kỳ Tp, độ rộng Ton chính là thời gian xung ở điện áp đỉnh Vpk (Ton<=Tp). Xung vuông này sau khi cho qua mạch lọc LC sẽ bị san phẳng thành điện áp một chiều có giá trị Vout như hình vẽ. Ta có thể điều chỉnh điện áp Vout theo ý mình bằng cách điều chỉnh độ rộng xung Ton, Ton càng lớn thì Vout càng lớn và ngược lại. Đây chính là nguyên lý hoạt động chung của các loại nguồn xung.

2. Các loại nguồn switching

a) Buck converter.

• Đây là loại thông dụng nhất trong các loại nguồn switching. 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:

• 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)

b. 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:

• 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).

c. 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:

• 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.

d. Nguồn flyback.

• Đây là loại nguồn linh hoạt nhất trong các loại nguồn switching, 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:

• 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.

Ngoài ra còn các loại nguồn switching khác như: PUSH-PULL converter, HAFT-BRIDGE converter, FULL-BRIDGE converter.

Tags: cơ chế mạch nguồnđiện tử cơ bảnđiên tử công suấtmạch switchingnguồn xung