Mọi thiết bị điện và điện tử mà chúng ta sử dụng trong cuộc sống hàng ngày đều cần có nguồn điện. Nói chung, chúng tôi sử dụng nguồn điện xoay chiều 230V 50Hz, nhưng nguồn điện này phải được thay đổi thành dạng yêu cầu với các giá trị yêu cầu hoặc dải điện áp để cung cấp nguồn điện cho các loại thiết bị khác nhau. Có nhiều loại bộ chuyển đổi điện tử công suất khác nhau như bộ chuyển đổi bước xuống, bộ chuyển đổi bước lên, ổn áp, bộ chuyển đổi AC sang DC, bộ chuyển đổi DC sang DC, bộ chuyển đổi DC sang AC, v.v. Ví dụ: hãy xem xét các bộ vi điều khiển được sử dụng thường xuyên để phát triển nhiều dự án dựa trên hệ thống nhúng và các bộ dụng cụ được sử dụng trong các ứng dụng thời gian thực. Các bộ vi điều khiển này yêu cầu nguồn cung cấp 5V DC, do đó, AC 230V cần được chuyển đổi thành 5V DC bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi bước xuống trong mạch cấp nguồn của chúng.
Mạch cung cấp điện
Mạch chuyển đổi bước xuống
Mạch cấp nguồn, bản thân cái tên đã nói lên rằng mạch này dùng để cung cấp năng lượng cho các mạch hoặc thiết bị điện, điện tử khác. Có khác nhau các loại cung cấp điện dựa trên nguồn điện mà chúng được sử dụng để cung cấp cho các thiết bị. Ví dụ, các mạch dựa trên bộ điều khiển vi mô, thường là các mạch cung cấp nguồn được điều chỉnh 5V DC, được sử dụng, có thể được thiết kế bằng các kỹ thuật khác nhau để chuyển đổi nguồn AC 230V có sẵn thành nguồn 5V DC. Nói chung các bộ chuyển đổi có điện áp đầu ra nhỏ hơn điện áp đầu vào được gọi là bộ chuyển đổi bước xuống.
4 bước để chuyển đổi 230V AC sang 5V DC
1. Giảm mức điện áp
Bộ chuyển đổi bước xuống được sử dụng để chuyển đổi điện áp cao thành điện áp thấp. Bộ chuyển đổi có điện áp đầu ra nhỏ hơn điện áp đầu vào được gọi là bộ chuyển đổi bước xuống và bộ chuyển đổi có điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào được gọi là bộ chuyển đổi bước lên. Có máy biến áp bậc lên và bậc xuống dùng để nâng cấp hoặc hạ bậc điện áp. 230V AC được chuyển đổi thành 12V AC bằng cách sử dụng một máy biến áp bước xuống. Đầu ra 12V của biến áp hạ áp là một giá trị RMS và giá trị đỉnh của nó được cho bằng tích của căn bậc hai với giá trị RMS, xấp xỉ 17V.
Biến áp bước xuống
Máy biến áp bước xuống bao gồm hai cuộn dây, cụ thể là cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp trong đó cuộn sơ cấp có thể được thiết kế bằng cách sử dụng dây có khổ nhỏ hơn với số vòng nhiều hơn vì nó được sử dụng để mang điện cao áp dòng điện thấp và cuộn thứ cấp sử dụng dây cao áp với số vòng ít hơn vì nó được sử dụng để mang điện cao thế hạ áp. Máy biến áp hoạt động dựa trên nguyên tắc của định luật Faraday về cảm ứng điện từ.
2. Chuyển đổi AC sang DC
Nguồn điện xoay chiều 230V được chuyển đổi thành nguồn điện xoay chiều 12V (giá trị 12V RMS trong đó giá trị đỉnh là khoảng 17V), nhưng nguồn điện yêu cầu là 5V DC cho mục đích này, nguồn điện xoay chiều 17V chủ yếu phải được chuyển đổi thành nguồn điện một chiều sau đó có thể giảm xuống DC 5V. Nhưng trước hết, chúng ta phải biết làm thế nào để chuyển đổi AC sang DC? Nguồn AC có thể được chuyển đổi thành DC bằng cách sử dụng một trong các bộ chuyển đổi điện tử công suất được gọi là Bộ chỉnh lưu. Có nhiều loại chỉnh lưu khác nhau, chẳng hạn như chỉnh lưu nửa sóng, chỉnh lưu toàn sóng và chỉnh lưu cầu. Do những ưu điểm của bộ chỉnh lưu nửa cầu và bộ chỉnh lưu toàn sóng, bộ chỉnh lưu cầu thường được sử dụng để chuyển đổi AC sang DC.
Cầu chỉnh lưu
Chỉnh lưu cầu bao gồm bốn điốt được kết nối dưới dạng một cây cầu. Chúng ta biết rằng diode là một bộ chỉnh lưu không điều khiển sẽ chỉ dẫn phân cực thuận và sẽ không dẫn trong phân cực ngược. Nếu điện áp cực dương của diode lớn hơn điện áp catốt thì diode được cho là phân cực thuận. Trong nửa chu kỳ dương, điốt D2 và D4 sẽ dẫn điện và trong nửa chu kỳ âm, điốt D1 và D3 sẽ dẫn điện. Vì vậy, AC được chuyển đổi thành DC ở đây, thu được không phải là một DC thuần túy vì nó bao gồm các xung. Do đó, nó được gọi là nguồn DC xung. Nhưng điện áp rơi trên các điốt là (2 * 0,7V) 1,4V, do đó, điện áp đỉnh ở đầu ra của mạch chỉnh lưu này là khoảng 15V (17-1,4).
3. Làm mịn các gợn sóng bằng Bộ lọc
15V DC có thể được điều chỉnh thành 5V DC bằng bộ chuyển đổi bước xuống, nhưng trước đó, cần phải có nguồn DC thuần túy. Đầu ra của cầu diode là một DC bao gồm các gợn sóng còn được gọi là DC xung. DC xung này có thể được lọc bằng cách sử dụng bộ lọc cuộn cảm hoặc bộ lọc tụ điện hoặc bộ lọc kết hợp điện trở-tụ điện để loại bỏ các gợn sóng. Hãy xem xét một bộ lọc tụ điện thường được sử dụng trong hầu hết các trường hợp để làm mịn.
Bộ lọc
Chúng ta biết rằng tụ điện là một phần tử lưu trữ năng lượng. Trong mạch, tụ điện dự trữ năng lượng trong khi đầu vào tăng từ giá trị không đến giá trị đỉnh và trong khi điện áp cung cấp giảm từ giá trị đỉnh xuống không, tụ điện bắt đầu phóng điện. Quá trình sạc và phóng điện này của tụ điện sẽ làm cho DC xung thành DC thuần túy, như trong hình.
4. Điều chỉnh 12V DC thành 5V DC bằng Bộ điều chỉnh điện áp
Điện áp DC 15V có thể được giảm xuống điện áp DC 5V bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi nấc DC được gọi là Bộ điều chỉnh điện áp IC7805. Hai chữ số đầu tiên ‘78’ của bộ điều chỉnh điện áp IC7805 thể hiện bộ điều chỉnh điện áp nối tiếp thuận và hai chữ số cuối cùng là ‘05’ thể hiện điện áp đầu ra của bộ điều chỉnh điện áp.
Sơ đồ khối bên trong bộ điều chỉnh điện áp IC7805
Sơ đồ khối của bộ điều chỉnh điện áp IC7805 được hiển thị trong hình bao gồm một bộ khuếch đại hoạt động hoạt động như bộ khuếch đại lỗi, diode zener được sử dụng để cung cấp tham chiếu điện áp , như thể hiện trong hình.
Điốt Zener làm tham chiếu điện áp
Bóng bán dẫn như một phần tử vượt qua nối tiếp được sử dụng để tiêu tán năng lượng bổ sung làm bảo vệ SOA nhiệt (Khu vực hoạt động an toàn) và tản nhiệt được sử dụng để bảo vệ nhiệt trong trường hợp điện áp cung cấp quá mức. Nói chung, một bộ điều chỉnh IC7805 có thể chịu được điện áp trong khoảng từ 7,2V đến 35V và cho hiệu suất tối đa là điện áp 7,2V và nếu điện áp vượt quá 7,2V thì sẽ mất năng lượng dưới dạng nhiệt. Để bảo vệ bộ điều chỉnh khỏi quá nhiệt, bảo vệ nhiệt được cung cấp bằng cách sử dụng tản nhiệt. Do đó, một 5V DC thu được từ nguồn AC 230V.
Chúng tôi có thể chuyển đổi trực tiếp 230V AC thành 5V DC mà không cần sử dụng máy biến áp, nhưng chúng tôi có thể yêu cầu điốt có định mức cao và các thành phần khác mang lại hiệu quả kém hơn. Nếu chúng ta có nguồn điện 230V DC, thì chúng ta có thể chuyển đổi 230V DC thành 5V DC bằng bộ chuyển đổi buck DC-DC.
Bộ chuyển đổi 230v sang 5v DC-DC Buck:
Chúng ta hãy bắt đầu với mạch cung cấp điện được điều chỉnh DC được thiết kế bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi buck DC-DC. Nếu chúng ta có nguồn điện 230V DC, thì chúng ta có thể sử dụng bộ chuyển đổi buck DC-DC để chuyển đổi nguồn điện 230V DC thành nguồn điện 5V DC. Bộ chuyển đổi buck DC-DC bao gồm Tụ điện, MOSFET, Kiểm soát PWM , Điốt và Cuộn cảm. Cấu trúc liên kết cơ bản của bộ chuyển đổi DC-DC buck được hiển thị trong hình dưới đây.
Bộ chuyển đổi DC sang DC Buck
Điện áp giảm trên cuộn cảm và sự thay đổi của cường độ dòng điện chạy qua thiết bị tỷ lệ thuận với nhau. Do đó, bộ chuyển đổi buck hoạt động dựa trên nguyên tắc năng lượng được lưu trữ trong một cuộn cảm. Các MOSFET bán dẫn điện hoặc IGBT được sử dụng làm phần tử chuyển mạch có thể được sử dụng để thay thế mạch chuyển đổi buck giữa hai trạng thái khác nhau bằng cách đóng hoặc mở và tắt hoặc bật sử dụng phần tử chuyển mạch. Nếu công tắc ở trạng thái bật, thì một điện thế được tạo ra trên cuộn cảm do dòng điện chạy tới sẽ chống lại điện áp cung cấp, do đó làm giảm điện áp đầu ra kết quả. Vì diode được phân cực ngược, không có dòng điện nào chạy qua diode.
Nếu công tắc mở, thì dòng điện qua cuộn cảm ngắt đột ngột và diode bắt đầu dẫn, do đó một đường trở lại được cung cấp cho dòng điện dẫn. Điện áp giảm trên cuộn cảm được cung cấp năng lượng bị đảo ngược, có thể được coi là nguồn công suất đầu ra chính trong chu kỳ chuyển mạch này và điều này là do sự thay đổi nhanh chóng này của dòng điện. Năng lượng tích trữ của cuộn cảm liên tục được chuyển đến tải và do đó dòng điện dẫn sẽ bắt đầu giảm cho đến khi dòng điện tăng lên giá trị trước đó hoặc trạng thái bật tiếp theo. Việc tiếp tục cung cấp năng lượng cho tải dẫn đến giảm dòng điện dẫn cho đến khi dòng điện tăng lên giá trị trước đó của nó. Hiện tượng này được gọi là gợn sóng đầu ra có thể được giảm xuống giá trị chấp nhận được bằng cách sử dụng một tụ điện làm mịn song song với đầu ra. Vì vậy, Bộ chuyển đổi DC / DC hoạt động như bộ chuyển đổi bước xuống.
Bộ chuyển đổi bước xuống DC sang DC bằng PWM Cotrol
Hình bên cho thấy nguyên lý hoạt động của bộ chuyển đổi bước xuống DC thành DC được điều khiển bằng cách sử dụng bộ dao động PWM để chuyển đổi tần số cao và phản hồi được kết nối với bộ khuếch đại lỗi.
Tất cả các hệ thống nhúng dựa trên dự án điện tử yêu cầu một bộ điều chỉnh điện áp cố định hoặc một bộ điều chỉnh điện áp được sử dụng để cung cấp nguồn điện cần thiết cho các mạch hoặc bộ điện và điện tử. Có nhiều bộ điều chỉnh điện áp tự động tiên tiến có khả năng điều chỉnh điện áp đầu ra tự động dựa trên các tiêu chí ứng dụng. Để được trợ giúp kỹ thuật hơn về mạch cấp nguồn và bộ chuyển đổi bước xuống, vui lòng gửi thắc mắc của bạn dưới dạng nhận xét trong phần bình luận bên dưới.
