Chuyên trang thực hành điện tử, sửa chữa điện tử gia dụng, tự học điện tử!!: CƠ BẢN VỀ MẠCH NGUỒN ĐIỆN MỘT CHIỀU TUYẾN TÍNH

Mạch nguồn điện một chiều tuyến tính là một trong những kiến thức cơ bản nhất đối với người thợ điện tử. Trong bài "kiến thức điện tử cơ bản" tôi đã nói qua về nguồn điện và hôm nay tôi sẽ nói rõ hơn về phần nguồn điện này. Chúng ta biết rằng các linh kiện điện tử hoạt động chủ yếu với điện áp một chiều trong khi năng lượng điện cung cấp là 220V xoay chiều. Làm thế nào để biến đổi điện áp 220V xoay chiều sang các điện áp một chiều như thế? Câu trả lời là phải sử dụng những bộ chuyển đổi nguồn và mạch nguồn tuyến tính là một trong những mạch như vậy. Mạch nguồn tuyến tính là mạch được thiết kế trong vùng hoạt động tuyến tính của linh kiện điện tử. Trước khi đi chi tiết vào mạch nguồn tuyến tính được thiết kế như thế nào thì phải tìm hiểu chỉnh lưu là gì

Chỉnh lưu: Là một mạch điện có chức năng biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều nhằm cấp điện một chiều cho các thiết bị điện tiêu thụ. Thông thường một mạch điện chỉnh lưu sẽ gồm những diode và tụ lọc nguồn. Dòng điện xoay chiều sau khi đi qua các diode sẽ biến thành dòng điện một chiều và được các tụ lọc san phẳng điện áp. Có hai dạng mạch chỉnh lưu là chỉnh lưu nửa sóng và chỉnh lưu toàn sóng.
- Chỉnh lưu nửa sóng: Một mạch chỉnh lưu nửa sóng chỉ một trong nửa chu kỳ dương hoặc âm có thể dễ dàng đi ngang qua điốt, trong khi nửa kia sẽ bị khóa, tùy thuộc vào chiều lắp đặt của điốt. Vì chỉ có một nửa chu kỳ được chỉnh lưu, nên mạch chỉnh lưu nửa sóng có hiệu suất truyền công suất rất thấp. Mạch hỉnh lưu nửa sóng có thể lắp bằng chỉ một đi ốt bán dẫn trong các mạch nguồn một pha

CHỈNH LƯU NỬA SÓNG

-Chỉnh lưu toàn sóng: Mạch chỉnh lưu toàn sóng biến đổi cả hai thành phần cực tính của dạng sóng đầu vào thành một chiều. Do đó nó có hiệu suất cao hơn. Tuy nhiên trong mạch điện không có điểm giữa của biến áp người ta sẽ cần đến 4 điốt thay vì một như trong mạch chỉnh lưu nửa sóng. Điều này có nghĩa là đầu cực của điện áp ra sẽ cần đến 2 điốt để chỉnh lưu, thí dụ như 1 cho trường hợp điểm dương, và 1 cho trường hợp điểm âm. Kết quả là phải cần đến 4 điốt. Các điốt dùng cho kiểu nối này gọi là cầu chỉnh lưu.

CHỈNH LƯU TOÀN SÓNG

Vậy là ta đã biết cách biến đổi điện áp từ điện áp xoay chiều sang điện áp một chiều nhờ các mạch chỉnh lưu sử dụng diode. Tuy nhiên trong một thiết bị điện tử thì cần rất nhiều cấp điện áp khác nhau chẳng hạn trong một bếp từ thì có hai điện áp chính đó là 5V cấp cho vi xử lý, 18V cấp cho quạt làm mát và xung điều khiển IGBT. Sau khi chỉnh lưu thành điện áp một chiều ta cần thêm mạch nguồn tuyến tính để biến đổi sang nhiều cấp điện áp khác nhau. Chúng ta hãy xem qua sơ đồ khối của một bộ nguồn trong một thiết bị điện tử như hình dưới đây:

SƠ ĐỒ KHỐI BỘ NGUỒN TRONG THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ

Qua sơ đồ trên chúng ta thấy rằng mạch nguồn tuyến tính có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều sau khi qua chỉnh lưu và tụ lọc thành điện áp một chiều khác. Chẳng hạn sau chỉnh lưu và tụ lọc điện áp trên hai đầu tụ lọc là 30V, tuy nhiên thiết bị điện tử của chúng ta lại hoạt động ở điện áp 5V thì ta phải dùng một mạch điện làm nhiệm vụ này.

Mạch nguồn tuyến tính sử dụng diode zener:

Mạch điện kiểu này rất đơn giản chỉ cần một điện trở mắc nối tiếp với một diode zenner là ta có được điện áp mong muốn. Diode zenner là một diode có chức năng ổn áp khi có một dòng điện đi quá nó. Sơ đồ kiểu mạch này được cho như dưới đây.

MẠCH NGUỒN ỔN ÁP SỬ DỤNG DIODE ZENER

Điện áp đầu vào là Vin, điện trở hạn dòng là Rs, điện áp đầu ra là Vout. Điện áp mình cần lấy chính là Vout và nó bằng với điện áp ổn áp của diode zener. Giả sử cần điện áp là 5V thì chỉ cần sử dụng một diode zener ghi điện điện áp ổn áp là 5V1 (không có diode zener 5V và sai số 0.1V là không quan trọng). Mỗi một diode ổn áp zener đều có công suất danh định Pz tức là nó chỉ cho phép một dòng điện tối đa chạy qua nó mà thôi. Ở ngoài đời thực tế tôi sửa chữa thì các diode zener thường có công suất là 0.25W, 1W, 5W.

Cách tính toán trên mạch nguồn này:
-Dòng điện Iz đi qua zener tối đa: Izmax=Pz/ Vz . Với Pz là công suất của diode, Vz là điện áp ổn áp của diode.
-Chọn điện trở hạn dòng Rs nhỏ nhất: Rsmin= (Vin-Vz)/Izmax
Các chú ý khi sử dụng mạch nguồn này: Chỉ cung cấp được dòng điện cho tải tiêu thụ dòng điện nhỏ hơn dòng Izmax. . Các diode zener được sản xuất với những giá trị điện áp Vz cố định với các giá trị như bảng dưới đây

2.4V	2.7V	3.0V	3.3V	3.6V	3.9V	4.3V	4.7V
5.1V	5.6V	6.2V	6.8V	7.5V	8.2V	9.1V	10V
11V	12V	13V	15V	16V	18V	20V	22V
24V	27V	30V	33V	36V	39V	43V	47V

Thực hành thiết kế và tính toán:
Giả sử sau biến áp và mạch chỉnh lưu cùng tụ lọc ta có một điện áp 15V một chiều. Tuy nhiên lại có một thiết bị dùng nguồn 5V một chiều với dòng tiêu thụ là 40mA. Các bạn hãy thiết kế một mạch nguồn để biến 15 V thành 5V và cung cấp đủ dòng điện cho thiết bị đó.
Tôi đưa ra thiết kế như sau: Với dòng tiêu thụ của tải khá nhỏ ta có thể dùng kiểu mạch nguồn sử dụng diode ổn áp zener. Ta phải chọn diode zener có công suất Pz>= Itai x Vz = 0.04x5 =0.2 W, do đó tôi chọn diode zener có Vz =5,1V (không có zener 5V trong thực tế) và diode này có Pz=0.5W.

ĐIODE ZENER TRONG THỰC TẾ

Chọn điện trở hạn dòng Rs: Để chọn Rs ta phải tính dòng điện tối đa mà diode zener có thể chịu được. Khi thiết kế ta sẽ lấy giá trị Izmax để chọn Rs. Izmax= Pz/Vz =0,5/5,1=0.098A.
Từ đó ta tính được Rs=(Vin-Vz)/Izmax=(15-5.1)/0.098=101,020 Ohm. Vì không có điện trở giá trị 101,020 Ohm lên ta chọn Rs=100 Ohm. Vậy là ta đã hoàn thành một bộ nguồn thỏa mãn yêu cầu thực tế đưa ra. kết quả ta được sơ đồ hoàn chỉnh dưới đây.

MẠCH NGUỒN 5V SỬ DỤNG DIODE ZENER

Tổng kết lại với mạch nguồn sử dụng diode ổn áp zener thì ta phải chọn diode zener có Izmax lớn hơn dòng tải tiêu thụ. Vì công suất của diode zener không được cao lên chỉ dùng mạch này trong các mạch điều khiển có tổng dòng tiêu thụ khoảng dưới 200mA. Ưu điểm của mạch này là nhỏ gọn, giá thành rẻ, dễ chế nguồn lắp đặt vào thay thế.
Tôi đã trình bày cho các bạn từ lý thuyết đến thiết kế một mạch nguồn một chiều tuyến tính sử dụng diode ổn áp zener. Còn khá nhiều kiểu mạch nguồn điện một chiều tuyến tính nhưng tôi sẽ viết trong phần sau vì bài này đã quá dài. Nếu bạn yêu thích thiết kế điện tử, nếu bạn thích học để làm được, sửa được thì hãy chú ý các bài viết của chúng tôi trên website này. Bạn sẽ thiết kế được , tự làm được mà không phải copy ở trên mạng về mà không hiểu họ tính toán thế nào. Chúc các bạn vui vể khi dạo chơi trên website của chúng tôi. ((:
Các bài viết khác về sửa chữa thiết bị điện tử gia dụng các bạn có thể tham khảo dưới đây!