Nguồn xung là gì?
Nguồn xung là một loại nguồn điện chuyển đổi từ nguồn điện xoay chiều sang nguồn điện một chiều bằng cách sử dụng chế độ dao động xung được tạo ra từ mạch điện tử kết hợp với một biến áp xung. Trong quá trình này, nguồn tuyến tính truyền thống sử dụng biến áp sắt từ để giảm áp suất điện rồi sau đó sử dụng chỉnh lưu kết hợp với IC nguồn tuyến tính để tạo ra các mức điện áp một chiều như 3.3V, 5V, 6V, 9V, 12V, 18V, 24V… Tuy nhiên, các nguồn điện như vậy thường cồng kềnh và yêu cầu nhiều vật liệu, và đã không được sử dụng phổ biến như trước.
Cấu tạo của nguồn xung
Nhìn vào board mạch, ta có thể thấy rằng một bộ nguồn xung bao gồm những linh kiện cơ bản sau đây:
– Biến áp xung: Bộ phận này cấu tạo gồm cuộn dây quấn trên một lõi từ, tương tự như biến áp thông thường, nhưng biến áp xung sử dụng lõi ferit thay vì lõi thép như biến áp thông thường. Với cùng kích thước, biến áp xung có công suất lớn hơn rất nhiều so với biến áp thông thường. Ngoài ra, biến áp xung hoạt động tốt ở dải tần cao, trong khi biến áp thông thường chỉ hoạt động ở dải tần thấp.
– Cầu chì: Đây là linh kiện bảo vệ mạch nguồn khỏi ngắn mạch.
Cuộn chống nhiễu, tụ lọc sơ cấp, và điốt chỉnh lưu: Chúng có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp xoay chiều 220V thành điện áp một chiều được lưu 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 được sử dụng như công tắc chuyển mạch. Nó có thể là transistor, MOSFET, IC tích hợp, hoặc IGBT. Nhiệm vụ của nó là mở hoặc đóng điện từ chân (+) của tụ lọc sơ cấp vào cuộn dây sơ cấp của biến áp xung, sau đó đưa nó xuống mức tiếp đất (mass).
Tụ lọc nguồn thứ cấp: Sử dụng để lưu trữ năng lượng điện từ cuộn thứ cấp của máy biến áp xung và cung cấp cho tải tiêu thụ. Khi cuộn sơ cấp của biến áp được chuyển mạch bằng sò công suất liên tục, một từ trường biến thiên xuất hiện, tạo ra một điện áp trên cuộn thứ cấp của biến áp. Điện áp này được chỉnh lưu thông qua một số diode và sau đó được đưa vào tụ lọc thứ cấp để ổn định điện áp.
IC quang và IC TL431: Được sử dụng để tạo ra một điện áp ổn định để điều chỉnh điện áp đầu ra thứ cấp theo yêu cầu. Chúng hoạt động bằng cách điều chỉnh chu kỳ và tắt nguồn điện vào cuộn sơ cấp của máy biến áp xung, để đảm bảo điện áp đầu ra thứ cấp đáp ứng đúng yêu cầu.
Nguyên lý hoạt động của nguồn xung
Điện áp đầu vào từ 80V đến 220V xoay chiều được thông qua các cuộn lọc nhiễu và sau đó đi vào mạch chỉnh lưu để chuyển thành điện một chiều, với mức điện áp khoảng 130-300V (phụ thuộc vào điện áp AC đầu vào), được tích trữ trên tụ lọc nguồn sơ cấp. Tụ lọc nguồn sơ cấp có tác dụng cung cấp năng lượng điện một chiều cho cuộn sơ cấp của máy biến áp xung hoạt động. Các tụ lọc sơ cấp thường có dung tích như 4,7uF-400V, 10uF-400V, 220uF-400V, 10uF-200V.
Cuộn dây sơ cấp của máy biến áp xung được cấp điện thông qua xung cao tần thông qua khối chuyển mạch bán dẫn như transistor, mosfet hoặc IGBT. Các xung điện này được tạo ra bằng cách sử dụng bộ tạo xung hoặc các mạch điện tử tạo xung. Các mạch tạo xung phổ biến bao gồm Viper22, Viper12, hx202, Tl494, Sg3525.
Ở cuộn thứ cấp của biến áp xung, sẽ có các mạch chỉnh lưu để cung cấp điện một chiều cho tải tiêu thụ. Điện áp thứ cấp này sẽ được duy trì ở một mức điện áp nhất định như 3.3V, 5V, 9V, 12V, 15V, 18V, 24V thông qua mạch ổn áp. Đồng thời, mạch phản hồi sẽ sử dụng tín hiệu điện áp ra để điều khiển bộ tạo xung và đảm bảo tần số dao động ổn định với mức điện áp mong muốn. Các IC ổn áp phổ biến bao gồm 7805, 7809, 7812, 7818. IC điều khiển phản hồi là IC431, và IC phản hồi là opto couple PC817.
Các loại nguồn xung
Buck converter
Đây là dạng phổ biến nhất trong các nguồn xung thông dụng. Nó được sử dụng trong các mạch với đầu vào DC cao (24-48V) và đầu ra 15V, 12V, 9V, 5V… với hiệu suất năng lượng tiêu thụ rất thấp. Buck converter sử dụng một transistor để liên tục chuyển đổi theo chu kỳ điện áp đầu vào qua cuộn dây.
Trạng thái nạp: Do sự chênh lệch điện áp giữa hai điểm SW và V0, dòng điện qua cuộn dây tăng dần và tụ C0 được nạp. Dòng điện qua tải LOAD được tính bằng công thức I(LOAD) = I(L) – I(C0).
Trạng thái xả: Nguồn Vin bị ngắt, trong trường hợp này dòng điện cấp cho tải LOAD là dòng xả từ cuộn dây và tụ C0. I(LOAD) = I(L) – I(C0) (dấu – do I(C0) chảy về C0). Với cuộn dây có điện cảm đủ lớn và tụ có điện dung đủ lớn, điện áp đầu ra tải V0 gần như là một đường thẳng (có gợn sóng chỉ khoảng vài mV). V0 = I(LOAD) * R(LOAD)
Boost converter
Mạch boost converter tạo điện áp DC đầu ra cao hơn đầu vào (cùng dấu).
Hoạt động cơ bản như sau: Khi công tắc đóng, dòng qua cuộn dây tăng dần lên. Khi công tắc mở, dòng qua cuộn dây giảm (vì có tải) làm tăng điện áp cuộn dây. Điện áp này được đưa vào tụ, làm cho tụ được nạp với điện áp cao hơn 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 (vì áp đầu ra lớn hơn áp đầu vào).
Flyback
Đây là loại nguồn linh hoạt nhất trong các loại nguồn xung thông dụng, cho phép chúng ta thiết kế một hoặc nhiều đầu ra với các mức điện áp khác nhau, bao gồm cả đầu ra điện áp âm. Mạch flyback được rất phổ biến trong hệ thống cung cấp năng lượng (như năng lượng mặt trời, gió…) khi cần cung cấp nhiều mức điện áp đầu ra theo yêu cầu của hệ thống (thường là +5V, +12V, -12V…) với hiệu suất cao.
Đặc tính quan trọng nhất của mạch nguồn flyback là cực tính của hai cuộn sơ cấp và thứ cấp. Nếu chúng ta muốn tạo điện áp dương, thì cực tính của hai cuộn dây phải ngược nhau như trên hình vẽ. Ngược lại, nếu muốn tạo điện áp âm, thì cực tính của hai cuộn dây phải cùng chiều. Chúng ta sẽ thảo luận về vấn đề này sau. Nguyên tắc hoạt động như sau:
Khi công tắc đóng, dòng điện qua cuộn sơ cấp tăng lên. Ở cuộn sơ cấp lúc này, điện áp ở đầu một phần nhỏ hơn so với đầu còn lại, dẫn đến ở cuộn thứ cấp cũng có hiện tượng tương tự. Điện áp ở đầu cùng chiều của cuộn thứ cấp nhỏ hơn đầu kia của nó, khiến cho diode được đặt theo chiều thuận và diode bị chặn. Lúc này, nguồn cấp cho tải chỉ đến từ tụ.
Khi công tắc mở, dòng điện qua cuộn sơ cấp giảm. Cuộn sơ cấp lúc này có điện áp ở đầu cùng chiều lớn hơn so với đầu còn lại, tương tự với cuộn thứ cấp. Điện áp dương được đặt lên diode theo chiều thuận. Diode mở ra, cho phép dòng điện từ cuộn thứ cấp nạp tụ đồng thời cấp cho tải.
Mạch Buck – Boost (inverting)
Mạch này được hình thành khi có sự chênh lệch điện áp hai đầu trái dấu. Về cơ chế hoạt động diễn ra như sau:
Khi công tắc đóng, điện áp Vin sẽ đi qua cuộn dây và tải điện sẽ nhận điện áp từ tụ điện.
Khi công tắc mở, điện áp đầu vào Vin bị đóng lại, dòng điện chạy qua dần dần giảm. Điều này dẫn đến tăng điện áp và nạp vào tụ. Thêm vào đó trong cùng thời điểm, các điốt D cũng được mở, cho phép dòng điện phát ra từ cuộn dây và cấp nguồn cho tải.
Ưu nhược điểm của nguồn xung
Không có sản phẩm nào tốt nhất chỉ có những sản phẩm phù hợp với mục đích lựa chọn của người dùng. Vì thế nguồn xung cũng có những ưu điểm và nhược điểm riêng như:
Ưu điểm
- Thiết bị này trở nên ngày càng phổ biến vì có nhiều đặc điểm nổi bật như sau:
- Kích thước nhỏ gọn, hiệu suất hoạt động cao, không gây nhiệt.
- Có khả năng hoạt động ở nhiều mức điện áp khác nhau.
- Giá cả phải chăng.
- Thiết kế đa dạng, nhiều mẫu mã.
- Đã được cải tiến và phát triển hơn so với các nguồn tương tự.
Nhược điểm
- Bên cạnh những lợi ích, vẫn còn một số hạn chế tồn tại:
- Hay xuất hiện lỗi do thiết kế nhiều linh kiện trong bộ nguồn.
- Có nhiều mạch khác nhau, gây khó khăn trong quá trình sửa chữa nguồn xung.
- Thay thế linh kiện cho nguồn xung không phải là việc dễ dàng, đặc biệt là với một số loại linh kiện đắt tiền và có thể không có sẵn trên thị trường.
- Quá trình chế tạo đòi hỏi kỹ thuật cao, phức tạp.
Cách sửa mạch nguồn xung chuẩn
Trường hợp phát hiện các sự cố với nguồn xung hỏng, thì hãy áp dụng ngay các biện pháp khắc phục đề xuất dưới đây:
- Trước tiên, hãy loại bỏ Mosfet khỏi bo mạch hoặc đo nhanh trên bề mặt để xác định tính sống chết bằng đồng hồ vạn năng hoặc số. Từ đó có thể giúp bạn nhanh chóng đánh giá tình trạng bo mạch điện tử.
- Mosfet đã chắc chắn bị hỏng và cần tiến hành thay thế bằng linh kiện mới. Hoặc tốt hơn là thay cả linh kiện trở ôm.
- Sau khi thay thế Mosfet, cần đảm bảo thay cả những diode bị cháy và tiến hành kiểm tra nhanh các diode ở các vị trí chỉnh lưu khác.
- Bạn có thể kiểm tra nhanh các linh kiện xung quanh phần hỏng trong trạng thái nguội.
- Sau khi xử lý các vấn đề hỏng, ngay lập tức cần kết nối nguồn để kiểm tra. Tuy nhiên, để đảm bảo an toàn, không nên kết nối trực tiếp vào ổ điện. Thay vào đó, hãy sử dụng một bảng thử tải để đảm bảo rằng mạch không gặp phải nguy cơ nổ.
- Sau khi đã kết nối qua bảng thử tải, nếu bóng đèn không sáng hoặc sáng nhạt, đó là tín hiệu cho thấy việc sửa chữa đã thành công. Khi đó, bạn có thể sử dụng đồng hồ vạn năng để đo điện áp đầu ra và kiểm tra xem điện áp đã đạt đủ hay chưa.
- Sau khi điện áp đã được kết nối, bạn có thể kết nối tải và kiểm tra xem hoạt động có giống như ban đầu hay không.
- Trường hợp tất cả thiết bị và linh kiện hoạt động bình thường, sửa chữa bộ nguồn xung đã thành công.
- Nếu bóng đèn sáng rực khi cắm vào, có thể phần sơ cấp đang gặp vấn đề khác nghiêm trọng hơn. Lúc này cần ưu tiên ngừng cấp điện và kiểm tra các thành phần trong phần sơ cấp.
Cần lưu ý rằng các thành phần như diode, điện trở và transistor BJT nhỏ dễ bị hỏng khi làm việc với điện áp cao. Trong trường hợp đó, kỹ năng kiểm tra linh kiện điện tử sẽ giúp xác định nhanh chóng và kịp thời.
Trên đây Tuấn Hưng Phát đã tổng hợp toàn bộ thông tin về bộ xung nguồn. Mong rằng những kiến thức chúng tôi cung cấp trên sẽ giúp ích cho mọi người. Cùng theo dõi Tuấn Hưng Phát để tìm hiểu thêm nhiều thông tin bổ ích hơn nữa nhé.
