Mạch Điện Lý Thú

Nguồn tuyến tính và nguồn Switching: Các loại nguồn sử dụng cho hệ thống nhúng (Phần 1)

Khi xây dựng một ứng dụng nào đó, bạn chọn cấp thế nào? Các loại cấp đó ảnh hưởng như thế nào đến hoạt động của ứng dụng?

Bài viết này sẽ giúp các bạn phân biệt 2 loại nguồn cấp được dùng phổ biến nhất hiện nay là nguồn và nguồn . Từ đó chọn được loại nguồn cấp phù hợp cho hệ thống của mình. Bài viết gồm 3 phần :

– Phần 1: Giới thiệu về nguồn tuyến tính.
– Phần 2: Giới thiệu về nguồn switching. So sánh ưu nhược điểm của nguồn tuyến tính và switching .
– Phần 3: Các loại nguồn switching.

GIỚI THIỆU VỀ NGUỒN TUYẾN TÍNH

1: Tầm quan trọng của nguồn cấp với các hệ thống nhúng

Mọi mạch điện tử đều hoạt động bằng một nguồn điện đẳng áp (điện áp không đổi) nào đó. Nguồn cấp phải liên tục duy trì điện áp đầu ra ở một mức nào đó (3.3V; 5V…) kể cả khi điện áp đầu vào thay đổi, hoặc dòng đầu ra thay đổi. Lấy ví dụ IC nguồn phổ biến nhất LM7805:

– Với điện áp đầu vào Vin thay đổi (5-35V) và dòng điện ở đầu ra thay đổi (0-1A), điện áp Vout luôn được giữ ổn định ở mức 5V.
– Vậy nguồn cấp ảnh hưởng gì đến mạch điện của bạn? Như các bạn đã biết mọi mạch điện tử đều hoạt động dựa trên các mức logic 0,1. Các mức logic này được quy định bởi các mức điện áp. Ví dụ với mạch điện hoạt động ở điện áp 5V, logic 0 được hiểu là điện áp 0V-0.7V; logic 1 được hiểu là điện áp từ 2V – 5V. Để mạch điện hoạt động ổn định thì điện áp cung cấp phải luôn được duy trì ổn định ở 5V để tránh bị nhiễu giữa các mức logic.
– Vai trò của nguồn cấp đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng đo lường. Các loại cảm biến chỉ hoạt động đúng theo các đặc tính trong datasheet khi nguồn cấp cho chúng ổn định, và chính xác. Lấy ví dụ cảm biến siêu âm HC-SR05, hoạt động dựa trên sóng siêu âm ở tần số 40KHz. Chưa tính đến ảnh hưởng của chất lượng cảm biến (thạch anh 4MHz, PCB, Opamp…) nếu nguồn cấp không ổn định, tần số sóng siêu âm sẽ không chính xác ở 40KHz dẫn đến kết quả đo khoảng cách bị sai lệch.
– Một số ứng dụng khác lại không yêu cầu độ ổn định và chính xác nhưng lại đề cao khả năng kéo tải, yêu cầu nguồn công suất cao và nhỏ gọn… Phần tiếp theo của bài viết hướng dẫn các bạn phân biệt các loại nguồn cấp và sử dụng nó cho ứng dụng của mình.

2: Nguồn tuyến tính
a. Khái niệm, cấu trúc và nguyên lý hoạt động

– Nguồn tuyến tính (Linear regulator), có nghĩa là điện áp đầu vào sẽ rơi bớt trên IC nguồn tuyến tính một lượng để đảm bảo duy trì điện áp đầu ra = hằng số. Một số loại IC nguồn tuyến tính thông dụng: LM7805, LM7905, LM7809, LM7812, AMS1117…
– Sơ đồ nguyên lý của nguồn tuyến tính như sau :

– Hoạt động rất đơn giản. Ta có một mạch phản hồi điện áp để điều chỉnh dòng I(v) sao cho I(v)*R_LOAD=const. Trong bài viết này mình không đi quá sâu vào cấu trúc bên trong mà chỉ nêu ra cấu trúc cơ bản của các loại IC. Sơ đồ nguyên lý khối Voltage-Controlled (hình trên) bên trong của một số IC nguồn tuyến tính như sau:

– Điện áp rơi trên transistor sẽ gây tỏa nhiệt, dòng ra tải càng cao nhiệt tỏa ra càng mạnh.

b. Hiệu suất hoạt động

– Dòng I(v) càng lớn thì IC nguồn tuyến tính tỏa nhiệt càng mạnh, tiêu tốn rất nhiều năng lượng và cần miếng tản nhiệt rất lớn.
Để các bạn hình dung rõ ràng hơn hiệu suất của IC nguồn tuyến tính, tôi lấy ví dụ LM7805. Với điện áp vào 12V, điện áp ra 5V. Hiệu suất của LM7805 tính như sau:

– Thay số ta có, hiệu suất của LM7805 chỉ là 5/12=41.66%. Điện áp đầu vào càng lớn thì hiệu suất càng tệ. Biểu đồ dưới đây mô tả liên hệ giữa tỉ lệ điện áp vào/ra với hiệu suất của các IC nguồn tuyến tính:

– Từ công thức tính hiệu suất, theo lý thuyết có thể thấy trường hợp cho hiệu suất cao nhất là khi điện áp đầu vào=đầu ra. Nhưng thực tế luôn có điện áp rơi trên IC nguồn tuyến tính (cụ thể là rơi trên Transistor). Do đó điện áp đầu ra luôn phải nhỏ hơn điện áp đầu vào!

c. Các đặc tính khác

– Một đặc tính quan trọng cần đề cập đến nữa là các IC nguồn tuyến tính sẽ tự ngắt khi nhiệt độ quá cao. Sơ đồ nguyên lý của khối tự bảo vệ quá nhiệt như sau:

– Khối này hoạt động như sau: Cảm biến nhiệt đô Q1 sẽ được đặt gần với transistor (phần Voltage controlled). Q1 có 2 điều kiện mở là điện áp VBE=0.35V và nhiệt độ vượt ngưỡng 160 độ. Khi nhiệt độ của transistor vượt quá 160 độ, Q1 sẽ mở thông, kéo toàn bộ dòng vào nó. Lúc này dòng ở tải hạ xuống, năng lượng hao phí trên transistor (do tỏa nhiệt) không còn, nhiệt độ transistor sẽ giảm dần. Khi nhiệt độ đã xuống dưới ngưỡng 160 độ, Q1 sẽ đóng lại.
– Lời khuyên nhỏ khi sử dụng các IC nguồn tuyến tính, nếu điện áp đầu vào lớn hơn nhiều so với điện áp đầu ra và đầu ra cần dòng hoạt động lớn thì bạn cần miếng tản nhiệt đủ lớn. Nên bố trí IC riêng 1 góc trên PCB của bạn để tránh ảnh hưởng các linh kiện khác. Ví dụ hình ảnh bên dưới là miếng tản nhiệt sử dụng cho 7812, với đầu vào cỡ 24VDC và đầu ra sử dụng dòng tới 1A.

– Ta cần bố trí IC nguồn ở riêng 1 góc của PCB và cần miếng tản nhiệt rất lớn như trên để đảm bảo mạch hoạt động bình thường. Nguồn tuyến tính rất cồng kềnh!

d. Ứng dụng của nguồn tuyến tính

– Sử dụng cho các ứng dụng đơn giản, chi phí thấp
– Sử dụng cho các ứng dụng dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu như radio, truyền thông, dùng trong các ứng dụng đo lường yêu cầu độ chính xác cao. Nguồn tuyến tính có ưu điểm là độ gợn sóng của điện áp đầu ra rất nhỏ (LM7805 là 45uV) các loại nguồn switching gần như không thể đạt được con số này (thường cỡ vài mV).
– Ứng dụng cần đáp ứng đầu ra(transient response) nhanh khi điện áp đầu vào thay đổi liên tục.
– Nếu Vin xấp xỉ Vout (thường lấy Vout=Vin-1) thì nguồn tuyến tính cho hiệu suất cao hơn nguồn switching.

Nguồn: linhkienst.com

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *