Tại sao được gọi là bộ nguồn chuyển mạch ? Nguồn switching là gì ?

Nguồn switching là gì ?

Một nguồn điện là một thiết bị điện tử chuyển đổi dòng điện đến từ một nguồn điện thành giá trị điện áp cần thiết để cấp nguồn cho một tải, như một động cơ hoặc một thiết bị điện tử. Có hai thiết kế chính cho nguồn điện: nguồn điện tuyến tính và nguồn điện chuyển mạch.

• Tuyến tính: Thiết kế nguồn điện tuyến tính sử dụng một biến áp để hạ điện áp đầu vào. Sau đó, điện áp được chỉnh lưu và chuyển thành điện áp dòng một chiều, rồi được lọc để cải thiện chất lượng dạng sóng. Nguồn điện tuyến tính sử dụng bộ điều chỉnh tuyến tính để duy trì điện áp đầu ra không đổi. Các bộ điều chỉnh tuyến tính này tán năng lượng dư thừa dưới dạng nhiệt.
• Chuyển mạch: Thiết kế nguồn điện chuyển mạch là một phương pháp mới hơn được phát triển để giải quyết nhiều vấn đề liên quan đến thiết kế nguồn điện tuyến tính, bao gồm kích thước biến áp và điều chỉnh điện áp. Trong các thiết kế nguồn điện chuyển mạch, điện áp đầu vào không còn được giảm; thay vào đó, nó được chỉnh lưu và lọc tại đầu vào. Sau đó, điện áp đi qua một bộ cắt xung, chuyển đổi nó thành một dạng xung có tần số cao. Trước khi điện áp đạt đến đầu ra, nó được lọc và chỉnh lưu một lần nữa.

Nguồn điện chuyển mạch hoạt động như thế nào?

Trong nhiều năm, các nguồn điện tuyến tính AC/DC đã biến đổi điện AC từ lưới điện thành điện áp DC để vận hành các thiết bị gia dụng hoặc chiếu sáng. Nhu cầu về các nguồn điện nhỏ hơn cho các ứng dụng công suất cao đã khiến các nguồn điện tuyến tính chỉ còn được sử dụng trong một số ứng dụng công nghiệp và y tế cụ thể, nơi chúng vẫn cần thiết vì độ nhiễu thấp. Nhưng nguồn điện chuyển mạch đã chiếm lĩnh vì chúng nhỏ gọn hơn, hiệu quả hơn và có khả năng xử lý công suất cao. Hình 1 minh họa quá trình chuyển đổi chung từ dòng điện xoay chiều (AC) sang dòng điện một chiều (DC) trong một nguồn điện chuyển mạch.

Chỉnh lưu là quá trình chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC. Chỉnh lưu tín hiệu đầu vào là bước đầu tiên trong các nguồn điện chuyển mạch AC/DC. Thông thường, người ta cho rằng điện áp DC là một đường thẳng, không dao động của điện áp không đổi, giống như loại điện áp đến từ pin. Tuy nhiên, điều định nghĩa dòng điện một chiều (DC) là dòng chảy một chiều của điện tích. Điều này có nghĩa là điện áp chảy theo cùng một hướng nhưng không nhất thiết phải không đổi. Dạng sóng sin là dạng sóng điển hình nhất của dòng điện xoay chiều (AC), và là dương trong nửa chu kỳ đầu tiên nhưng âm trong phần còn lại của chu kỳ. Nếu nửa chu kỳ âm được đảo ngược hoặc loại bỏ, thì dòng điện sẽ ngừng xoay chiều và trở thành dòng điện một chiều. Điều này có thể đạt được bằng một quá trình gọi là chỉnh lưu. Chỉnh lưu có thể đạt được bằng cách sử dụng một bộ chỉnh lưu nửa cầu thụ động để loại bỏ nửa sóng âm bằng một diode (xem Hình 2). Diode cho phép dòng điện đi qua nó trong nửa chu kỳ dương, nhưng ngăn dòng điện khi nó chảy theo hướng ngược lại.

Sau khi chỉnh lưu, dạng sóng sin kết quả sẽ có công suất trung bình thấp và sẽ không thể cấp nguồn cho các thiết bị một cách hiệu quả. Một phương pháp hiệu quả hơn nhiều sẽ là thay đổi cực của nửa sóng âm và biến nó thành dương. Phương pháp này được gọi là chỉnh lưu sóng toàn phần, và chỉ yêu cầu bốn diode trong cấu hình cầu (xem Hình 3). Sự sắp xếp này duy trì hướng dòng chảy ổn định, bất kể cực tính của điện áp đầu vào.

Một sóng đã được chỉnh lưu hoàn toàn có điện áp đầu ra trung bình cao hơn so với sóng được tạo ra bởi bộ chỉnh lưu nửa cầu, nhưng nó vẫn còn rất xa so với dạng sóng DC không đổi cần thiết để cấp nguồn cho các thiết bị điện tử. Mặc dù đây là một sóng DC, nhưng việc sử dụng nó để cấp nguồn cho một thiết bị sẽ không hiệu quả do hình dạng của sóng điện áp, thay đổi giá trị rất nhanh và rất thường xuyên. Sự thay đổi định kỳ trong điện áp DC này được gọi là xung nhỏ – việc giảm hoặc loại bỏ xung nhỏ là rất quan trọng đối với một nguồn điện hiệu quả. Phương pháp đơn giản và phổ biến nhất để giảm xung nhỏ là sử dụng một tụ điện lớn tại đầu ra của bộ chỉnh lưu, được gọi là tụ điện dự trữ hoặc bộ lọc làm trơn (xem Hình 4). Tụ điện lưu trữ điện áp trong đỉnh sóng, sau đó cung cấp dòng điện cho tải cho đến khi điện áp của nó nhỏ hơn sóng điện áp đã được chỉnh lưu đang tăng lên. Dạng sóng kết quả gần hơn với hình dạng mong muốn, và có thể được coi là điện áp DC không có thành phần AC. Dạng sóng điện áp cuối cùng này bây giờ có thể được sử dụng để cấp nguồn cho các thiết bị DC.

Chỉnh lưu thụ động sử dụng diode bán dẫn làm công tắc không kiểm soát, và là phương pháp đơn giản nhất để chỉnh lưu sóng AC, nhưng không phải là phương pháp hiệu quả nhất. Diode là các công tắc tương đối hiệu quả; chúng có thể bật và tắt nhanh chóng với tổn thất công suất tối thiểu. Vấn đề duy nhất với diode bán dẫn là chúng có điện áp phân cực thuận từ 0,5V đến 1V, làm giảm hiệu suất. Chỉnh lưu tích cực thay thế diode bằng các công tắc có kiểm soát, như MOSFET hoặc transistor BJT (xem Hình 5). Lợi ích của điều này là hai lần: Thứ nhất, các bộ chỉnh lưu dựa trên transistor loại bỏ sụt áp điện áp cố định từ 0,5V đến 1V liên quan đến diode bán dẫn, vì điện trở của chúng có thể được làm nhỏ tùy ý, và do đó có sụt áp điện áp nhỏ. Thứ hai, transistor là các công tắc có kiểm soát, có nghĩa là tần số chuyển mạch có thể được kiểm soát và do đó có thể được tối ưu hóa. Nhược điểm là các bộ chỉnh lưu tích cực yêu cầu các mạch điều khiển phức tạp hơn để đạt được mục đích của chúng, điều này đòi hỏi các thành phần bổ sung và do đó làm cho chúng đắt hơn.

Tại sao được gọi là bộ nguồn chuyển mạch ?

Trong một nguồn điện ‘tuyến tính’ thông thường, dòng điện xoay chiều đi vào, đi qua một biến áp và một cầu diode chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Nếu đầu vào xoay chiều tăng lên, đầu ra một chiều cũng tăng lên, trừ khi có một bộ điều chỉnh sau để duy trì điện áp đầu ra không đổi. Điều này được coi là ‘tuyến tính’ bởi vì không có sự chuyển mạch nào xảy ra.

Trong một SMPS, dòng điện xoay chiều đi vào và được chuyển đổi trực tiếp thành dòng điện một chiều bởi một cầu diode. Nhưng điện áp một chiều này thường quá cao, như 168VDC hoặc 330VDC. Điều này quá cao để sử dụng vì tôi có thể cần 12VDC hoặc một điện áp khác.

Vì vậy, chúng ta thực hiện một số chuyển mạch.. Điện áp một chiều cao được lưu trữ trên một tụ điện lớn. Chúng ta sử dụng một công tắc điện tử để xả một phần điện tích điện áp cao trên tụ điện qua cuộn sơ cấp của một biến áp. Chúng ta làm điều này theo chu kỳ, như 100.000 lần trên giây. Nhưng công tắc chỉ bật trong một khoảng thời gian rất ngắn. Sau đó, công tắc tắt trong phần còn lại của chu kỳ. Vì vậy, thời gian bật có thể là 10% của thời gian chu kỳ. Chu kỳ này lặp lại với tốc độ lặp lại cao, như 100.000 lần trên giây. Nếu tỷ số vòng cuốn của biến áp là chính xác, cuộn thứ cấp có thể có điện áp chính xác nhưng sẽ là dòng điện xoay chiều tại tần số 100.000 Hz. Chúng ta sử dụng một diode để chuyển đổi dòng điện xoay chiều mới thành dòng điện một chiều. Giá trị của dòng điện một chiều được đo và thời gian bật-tắt của công tắc điện tử được điều chỉnh để giữ cho đầu ra một chiều không đổi.

Đó là lý do tại sao nó được gọi là Nguồn điện chuyển mạch hoặc SMPS.