Nguồn Điện DC

Nguồn điện DC – Loại nguồn điện thiết yếu cho tất cả các mạch điện tử từ dân dụng đến các thiết bị chuyên dụng trong mọi lĩnh vực. Con người có thể tạo ra nguồn DC từ các dạng năng lượng khác nhưng trực tiếp và phổ biến nhất vẫn là từ nguồn điện xoay chiều.

Xin chào các bạn !

Một vấn đề khá quan trọng trong kỹ thuật đó là Nguồn điện cung cấp DC. Đây là một loại nguồn điện phổ biến mà bất cứ thiết bị điện tử, mạch điện tử nào cũng phải cần đến. Cho phép chúng tôi trình bày vấn đề theo những tiêu chí cơ bản nhằm phần nào hỗ trợ các bạn tham khảo, khảo sát hay đánh giá được phẩm chất của đối tượng.

Khái quá về nguồn điện DC

Nguồn điện DC là gì?

Thuật ngữ

Xin được giải thích cho mấy anh mới nhập môn hiểu thuật ngữ Nguồn Điện DC theo kiểu đại khái như sau:
–DC = Direct Current (Dòng 1 chiều – Dòng tuyến tính)
Vậy: Nguồn điện DC (nguồn DC) là thiết bị có thể cung cấp dòng điện 1 chiều ổn định và liên tục.

Ký hiệu

Tùy theo mạch điện mà nguồn điện cung cấp có những giá trị khác nhau từ vài volts cho đến vài trăm volts. Tùy theo quy ước ký hiệu của từng quốc gia, hoặc liên hiệp. Ký hiệu của nguồn điện trong mạch điện cũng có chút khác nhau nhưng tựu chung là các dạng sau:

DC (Dirctory Current) Power tức nguồn điện một chiều lấy từ viên pin, accu, pin mặt trời, mô-tơ điện gió, sóng biển. Thậm chí ngày nay các nhà khoa học Mỹ đã lấy được nguồn DC trong thân nhiệt của chúng ta v.v
Dạng phổ biến nhất là những Adaptor cung cấp DC cho nhiều thiết bị hoạt động. Từ laptop, smartphone, cho đến TV, máy nghe nhạc, đèn led chiếu sáng v.v…. Không kể hết đâu nhé các bạn. Adaptor chính là bộ biến đổi nguồn AC (Alternate Current) là nguồn điện xoay chiều 220V-50Hz thành dòng một chiều DC với mức điện áp cố định 3V, 4.5V, 6V, 9V, 12V … v.v…

Mạch chuyển đổi nguồn AC/DC

Có lẽ chúng ta cùng khảo sát các Adaptor AC/DC về các tiêu chí cần thiết của nó:
-Mạch điện
-Hình thức, kích thước
-Hiệu quả.
-Chất lượng.
-Ứng dụng
Tôi và các bạn cùng bắt đầu nhé.

Adaptor

Adaptor trong tiếng anh có nghĩa là đáp ứng. bên trong có bộ transformer. Bộ này chuyển nguồn AC-> DC có điện áp phù hợp để sử dụng.
Nguồn điện DC lý tưởng nhất chính là pin và accu. Đây là những nguồn phẳng (đáp tuyến điện áp phẳng khi mạch điện hoạt động – Điện áp không thay đổi), đây chính là yếu tố quan trọng nhất mà một mạch điện tử cần. Nếu với nguồn DC không ổn định thì các mạch xử lý và khuếch đại bên trong làm việc sai lạc làm ảnh hưởng đến kết quả đầu ra.

Chất lượng Adaptor

Ai đã dùng cassette nghe nhạc thì biết, nhiều băng cassete chất lượng tốt nhưng với Adaptor cùi bắp nghe rè và sôi rất khó chịu. Vâng đó chính là nhiễu do nguồn điện gây ra, còn đối với mạch xử lý số (digital) thì hoàn toàn không chấp nhận được.
Vậy những điểm cốt lõi của một bộ nguồn DC là công suất và chất lượng (phẳng).
Tùy theo yêu cầu công suất, chất lượng, không gian mạch điện, giá thành v.v… Mà sự chọn lựa sẽ khác nhau.

Mạch nguồn DC dùng biến áp lõi sắt silic

kỹ thuật nắn hai bán kỳ

Đây là kỹ thuật đã quá xưa nhưng vẫn còn dùng khá phổ biến cho đến ngày nay. Bởi tính đơn giản, dễ chế tạo của nó. Ở mạch điện trên chỉ cần mắc thêm tụ điện có dung lượng lớn từ vài ngàn micro-fara là dòng điện đã tương đối phẳng. Tuy nhiên nếu để đạt chất lượng cao cần thêm nhiều loại mạch lọc khác.

Giải thích hoạt động

Ở mạch trên, điện áp 220 VAC (dòng điện xoay chiều có điện áp 220V- 50Hz) được cấp đầu vào sơ cấp của biến áp cách ly. Biến áp cách ly là cuộn  sơ cấp cách ly với cuộn thứ cấp về điện. Nhờ vào hiện tượng cảm ứng điện từ mà các cuộn dây ở cuộn thứ cấp sinh ra các suất điện động xoay chiều có đặc tính giống hệt với sơ cấp nhưng có độ lớn (biên độ / hay số volt) khác với sơ cấp. Theo tỉ lệ N: n ( N, n là số vòng dây)
Phần thứ cấp là điện áp xoay chiều có giá trị thấp hơn (ví dụ 12 VAC) là điện áp mong muốn. Mạch chỉnh lưu gồm 4 diode để nắn điện xoay chiều AC (Alternate Current) thành dòng điện một chiều DC (Direct Current).
Điện áp ngã ra tuy là một chiều nhưng theo đồ thị thì có dạng răng cưa. Có thể được thể hiện bằng oscilocope. Để đồ thị là đường thẳng thì cần một tụ điện (tụ hóa – có cực âm dương) san phẳng để có được điện áp 12 VDC. Trong thực tế là 12 x |/‾ 2 = 16,92 (VAC). Tuy vậy chỉ mới ở mức thô sơ, nếu phân tích kỹ thì mạch điện trên còn nhiều nhiễu. Để có mạch điện với phẩm chất cao hơn cần sử dụng nhiều mạch lọc triệt nhiễu rất tốn kém và cồng kềnh

Ưu nhược

Nhược điểm lớn nhất của kỹ thuật này là rất cồng kềnh. Với những thiết bị nhỏ gọn, công suất lớn ngày nay thì nó hoàn toàn không thể đáp ứng. Ví dụ 1 bộ biến áp có công suất 1000 W cần không gian là 15cm x 15cm x 15cm. Đó là chưa kể các linh kiện phụ trợ khác…

Nguồn DC với kỹ thuật hạ điện áp bằng tụ điện và diode zener

Bạn cần biến đổi nguồn AC / DC cho một mạch có công suất thấp. Nếu không đòi hỏi phẩm chất thì mạch sau đây sẽ hữu ích:

Giải thích sơ đồ mạch điện

C1 có vai trò là một trở kháng xoay chiều có Rc= 1/ 2πfC1. Chúng ta cũng coi như đây là một điện trở thường nhưng có ưu điểm rất lớn là không sinh nhiệt. Một ưu điểm nữa cũng rất đáng chú ý trong trường hợp ngắn mạch tải. Tức là chập mạch tải, thì Rc trở thành một điện trở. Điện trở này chịu toàn bộ áp 220V mà không sinh nhiệt. Nom na là đáp ứng sự cố ngắn mạch rất tốt. Nối tiếp với C1 là một mạch nắn để cấp dòng một chiều cho tải. Một cách đơn giản điện áp tải được tính như sau:
Ut = 220 – Uc1 (V)
Diode zener dùng để ghim áp (ổn áp) cho mạch tải. Anh chàng zener này tiêu thụ nguồn đáng kể, con nhỏ thì 0,01A nhưng con lớn 1A. Các bạn tự biết công suất hao tốn vô ích khi dùng mạch này nhé.

Ưu nhược điểm và cá vấn đề cần lưu ý

Ít linh kiện, đơn giản, nhỏ gọn, rẻ tiền là những ưu điểm lớn nhất của mạch này. Để diode zener phát huy tác dụng thì dòng cho tải phải nhỏ hơn nhiều dòng qua diode. Đây chính là hạn chế rất lớn về công suất của mạch này. Công suất tự tiêu tốn mạch này rất đáng kể.
Điện trở R1 không cần thiết nghe các bạn, chủ yếu để chống giật khi tụ C1 phóng điện. Mạch điện trong cái đèn led thì không có con zener Dz cho nên điện áp thả nổi theo điện lưới. Chất lượng đèn led này rất tệ, chỉ để cho có thôi.

Nguồn switching (nguồn xung):

Ngày nay hầu hết các thiết bị điện tử đều dùng nguồn điện DC kiểuswitching hay còn gọi là nguồn xung. Bởi tính gọn nhẹ, tiết kiệm, chính xác, phẩm chất cao.

Giới thiệu nguồn xung

Đây là nguồn có kỹ thuật rất cao và phức tạp. Cho đến nay lý thuyết của nó vẫn là một mớ mơ hồ. Không những đối với người mới học về switching power supply. Ngay cả với những lão tướng trong công cuộc chinh phục kỹ thuật này cũng thừa nhận là rất khó. Số công ty hay đội ngũ kỹ sư cho thiết kế và sản xuất loại nguồn này không có nhiều.
Tuy vậy đã có rất nhiều IC hay chip bán dẫn được sản xuất để hỗ trợ cho loại nguồn đa dụng này. Với số lượng quá lớn các bộ nguồn sản xuất ra trên thế giới mỗi ngày. Với những nguồn chuẩn mực nhất định thì việc có các IC hỗ trợ là tất nhiên. Tuy nhiên nó chỉ đáp ứng được những bộ nguồn có công suất thấp.

Tóm tắt kỹ thuật

Đây là loại nguồn rất tiết kiệm năng lượng. Hiệu suất chuyển đổi cao và mất mát ít. Đầu tiên nó nắn trực tiếp điện 220V-50Hz xoay chiều thành một chiều điện áp cao 380V. Tiếp theo dùng một mạch dao động (băm xung) và chuyển mạch công suất để đưa xung tần số cao vào biến áp ở phần sơ cấp.
Phần thứ cấp được nắn các xung thành điện một chiều và lọc nhiễu. Tất cả nhờ vào hiệu năng của lõi ferrite làm việc hiệu quả ở tần số cao. Phẩm chất của mạch nguồn này phần lớn phụ thuộc vào kỹ thuật thiết kế và sản xuất. Trong đó phải khẳng định phẩm chất linh kiện là hàng đầu.
Tuy kích thước nhỏ gọn nhưng các bộ nguồn xung cho công suất lớn đáng kinh ngạc. Cũng như phẩm chất nguồn DC này thì tuyệt hảo.

Tính phổ biến

Ngày nay từ máy vi tính, TV, máy nghe nhạc cho tới bộ nguồn sạc điện thoại cho đến đèn led chiếu sáng v.v… đều sử dụng kỹ thuật  nguồn switching.
Trong thực tế do bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như giá thành, công dụng, kích thước thiết bi v.v… Mà phẩm chất của loại nguồn này là đối tượng cần được xem xét nhiều nhất. Phần còn lại của bài viết này anh em cùng tôi khảo sát qua các biến thể của loại nguồn switching này nhé.

Nguồn xung flyback

Đây là nguồn swiching đơn giản và nhỏ gọn nhưng cũng không kém phần mạnh mẽ. Loại mạch này có rất nhiều IC hỗ trợ có tính năng n trong 1 ( vừa dao động, vừa chuyển mạch vừa hồi tiếp v.v…). Mạch này với rất ít linh kiện gắn thêm nên mạch này đơn giản và nhỏ gọn đến khó tin.
Đặc điểm chung của loại mạch này là cho những xung ngắt quảng 1 chiều. Những xung này với tần số rất cao kích vào sơ cấp của biến áp xung. Giống y hệt kỹ thuật nhồi áp trong flyback của TiVi đèn hay trong bộ đánh lửa của xe máy vậy. Nhưng ở nguồn flyback là hạ áp. Mạch nguồn flyback là lựa chọn lý tưởng cho những mạch điện tử công suất thấp với hiệu năng chuyển đổi trung bình.

Tóm tắt kỹ thuật mạch xung Flybak

Ở mạch flyback nguyên lý bên dưới điện áp vào được nắn trực tiếp từ 220V để trở thành điện áp 220VDC và làm phẳng bằng tụ điện 2.2μ/400V có điện áp ở đầu vào khoảng 310VDC. Mạch dao động OSC với tần số hàng trăm Khz kích cho mosfet đưa xung vào sơ cấp biến áp. Đầu ra điện áp thấp được nắn bởi diode Schottky và được làm phẳng bằng tụ. Diode Schottky đáp ứng đặc tính nắn xung cao tần công suất.

Đánh giá mạch thực tế

Trong mạch thực tế được tôi mổ ra từ một đèn led 3W, điện áp làm việc 6V. Rõ ràng nó có thể cấp dòng tới 500mA. Mạch nguồn này có nguyên lý làm việc giống như mạch nguyên lý đi kèm. Mạch dưới được tối giản chỉ bằng 1 chíp dán – IC 7 chân bao gồm cả mạch hạ áp nuôi IC, mạch dao động. Trong đó có cả  mosfet và một vài điện trở và tụ đi kèm bên ngoài. Đây chính là n trong 1 tôi vừa kể bên trên.
Các bạn cũng thấy đó, kích thước của nó có mặt đáy chỉ bằng cái sim điện thoại thôi. Thật khó tin ! Những người làm kỹ thuật như anh em mình bị thôi miên rồi chứ còn gì nữa. Vì được thiết kế cho đèn led chiếu sáng nên chất lượng của nó không đòi hỏi cao.

Phẩm chất và cải thiện phẩm chất

Mạch trên đây cứ cấp nguồn là chạy và cho công suất đầu ra, không cần biết có tiêu thụ hay không. Nó cứ “nhắm mắt” biến đổi thành điện áp DC đầu ra thôi. Trong thực tế mạch điện tử hoạt động có điều kiện (như mạch điều khiển hoặc cảm biến). Thì thời gian chờ chiếm hầu hết, đòi hỏi mạch nguồn cần “ngủ” khi mạch tải không cần quá nhiều năng lượng.
Đã có nhiều kỹ thuật tối ưu hóa vấn đề nói trên. Cho nên những nguồn flyback chất lượng cao là những mạch siêu tiết kiệm và rất tin cậy.

Phẩm chất mạch nguồn Flyback có hồi tiếp

Mạch này hoàn toàn giống mạch flyback nguyên lý bên trên, nó chỉ thêm vào một mạch hồi tiếp cách ly bằng opto. Đây là linh kiện 4 chân 2 đầu vào là 2 chân của diode. Khi điện áp trên tải cao hơn mức danh định sẽ có dòng qua diode zener và qua led trong opto nó phát sáng. Làm transistor cũng bên trong opto dẫn và làm mạch OSC ngưng hoạt động. Do vậy ở trạng thái tĩnh (mạch ở trạng thái chờ) thì mạch nguồn này hay “ngủ gật” là vậy. Khi điện áp dưới danh định thì không có dòng qua zener và không có dòng qua led, transistor ngưng dẫn và mạch OSC lại hoạt động, cứ như thế…
Tuy nhiên do giá thành và kích thước mạch khống chế mà nhiều mạch điện trong thực tế không có mạch hồi tiếp này làm lãng phí nguồn điện và tuổi thọ linh kiện đáng kể.

Mạch nguồn xung full-duplex:

Đây là mạch nguồn dùng cho mạch điện có công suất lớn với hiệu suất chuyển đổi lên trên 85%. Đây cũng là mạch nguồn hiệu quả nhất và cũng có phẩm chất cao nhất trong mạch nguồn xung. Mời các bạn cùng xem qua sơ đồ nguyên lý của mạch này nhé.

Phân tích mạch

Mạch dao động OSC cho những xung vuông đầu ra xen kẽ cách đều nhau về thời gian để kích 2 mosfet công suât. Do bố trí 2 cuộn dây như hình vẽ mà xung vào phía sơ cấp đảo chiều liên tục. Bên thứ cấp cũng xuất hiện những xung đảo chiều với điện áp mong muốn. Sau đó các xung được nắn và làm phẳng nhờ tụ. Nhờ mạch hồi tiếp cũng tương tự như mạch flyback ở trên mà hiệu suất chuyển đổi của những mạch full-duplex rất ấn tượng.

Trong những mạch cho đèn led chúng ta cũng thỉnh thoảng bắt gặp những mạch sử dụng kỹ thuật này. Nhưng do áp lực về giá thành hay kích thước mà thường thiếu vắng mạch hồi tiếp. Cho nên chúng tiêu hao năng lượng vô ích cũng đáng kể.

—– o0o —–

Kết luận

Trong thực tế có rất nhiều mạch điện rất khác lạ. Nhưng phần lớn cũng dựa trên những nguyên lý trên đây. Những mạch chất lượng cao chúng ta hay gặp có thêm rất nhiều mạch bổ sung để tối ưu độ ổn định điện áp, công suất tiêu tốn, giải nhiệt, hiển thị, cảnh báo v.v… Trong phạm vi một bài viết Anthony không thể bao quát hết được.
Để tỏ lòng biết ơn các bạn đã đọc bài viết này. Anthony tôi xin gửi đến các bạn yêu thích thiết kế và ứng dụng nguồn xung. Một website hỗ trợ thiết kế và tính toán bộ nguồn xung cho công việc của riêng mình. Đó là : www.poweresim.com
Bạn vui lòng góp ý cho tôi ngay bên dưới. Xin cám ơn !

Anthony.