Bộ Nguồn Là Gì? Chức Năng Và Phân Loại Chi Tiết

Bộ nguồn là gì?

• Bộ nguồn là thiết bị điện có chức năng cung cấp điện năng cho tải điện.
• Mục đích chính của bộ nguồn là chuyển đổi dòng điện từ nguồn cung cấp sang điện áp, dòng điện và tần số thích hợp để cấp cho tải hoạt động.
• Do đó, bộ nguồn đôi khi còn được gọi là bộ chuyển đổi năng lượng điện.
• Một số bộ nguồn được thiết kế dạng thiết bị độc lập, trong khi những bộ khác được tích hợp sẵn bên trong thiết bị sử dụng điện mà chúng cấp nguồn.
• Tất cả các bộ nguồn điện đều có đầu vào nguồn nhận năng lượng dưới dạng dòng điện từ nguồn cấp, và một hoặc nhiều đầu ra để cung cấp dòng điện cho tải.
• Nguồn cấp đầu vào có thể đến từ lưới điện như ổ cắm điện, hoặc từ các thiết bị lưu trữ năng lượng như pin, pin nhiên liệu, máy phát điện, bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời, hoặc một bộ nguồn khác.
• Đầu vào và đầu ra thường là kết nối mạch có dây , mặc dù một số bộ nguồn sử dụng truyền năng lượng không dây để cấp điện cho tải mà không cần dây dẫn.
• Ngoài ra, một số bộ nguồn còn có các loại đầu vào và đầu ra khác phục vụ chức năng giám sát và điều khiển từ bên ngoài.

Chức năng bộ nguồn

• Các chức năng mà bộ nguồn điện có thể thực hiện bao gồm:
• Giới hạn dòng điện mà tải tiêu thụ ở mức an toàn.
• Ngắt dòng điện trong trường hợp xảy ra sự cố điện.
• Điều hòa nguồn để ngăn nhiễu điện tử hoặc xung điện áp từ phía đầu vào truyền đến tải.
• Hiệu chỉnh hệ số công suất.
• Lưu trữ năng lượng, giúp duy trì cấp điện cho tải trong trường hợp nguồn điện đầu vào bị gián đoạn tạm thời, như trong bộ lưu điện.

Phân loại chung

Chức năng

• Các bộ nguồn điện được phân loại theo nhiều cách khác nhau, trong đó có phân loại theo đặc tính chức năng.
• Ví dụ, bộ nguồn ổn áp là loại duy trì điện áp hoặc dòng điện đầu ra không đổi, bất kể sự thay đổi của dòng tải hoặc điện áp đầu vào.
• Ngược lại, bộ nguồn không ổn áp có điện áp đầu ra thay đổi đáng kể khi điện áp đầu vào hoặc dòng tải biến đổi.
• Bộ nguồn có thể điều chỉnh cho phép điện áp hoặc dòng điện đầu ra được lập trình điều chỉnh bằng nút cơ học, tín hiệu điều khiển điện tử, hoặc kết hợp cả hai.
• Bộ nguồn ổn áp có thể điều chỉnh là loại vừa có khả năng ổn định đầu ra, vừa cho phép điều chỉnh giá trị đầu ra theo nhu cầu.
• Bộ nguồn cách ly có đầu ra điện được tách biệt hoàn toàn với đầu vào, trái ngược với các bộ nguồn không cách ly, nơi đầu vào và đầu ra có điểm chung về điện

Packaging

• Các bộ nguồn điện được packaged theo nhiều kiểu khác nhau và được phân loại tương ứng.
• Bộ nguồn để bàn là thiết bị độc lập đặt trên bàn làm việc, được sử dụng trong các ứng dụng thử nghiệm và phát triển mạch điện.
• Bộ nguồn khung mở chỉ có vỏ bảo vệ một phần, đôi khi chỉ gồm đế gắn; loại này thường được tích hợp trực tiếp vào máy móc hoặc thiết bị công nghiệp.
• Bộ nguồn gắn rack được thiết kế để lắp cố định vào các giá đỡ thiết bị điện tử tiêu chuẩn.
• Bộ nguồn tích hợp là loại chia sẻ chung bảng mạch in (PCB) với tải mà nó cấp nguồn.
• Bộ nguồn ngoài còn gọi là adapter AC hoặc cục nguồn là bộ nguồn đặt ngoài thiết bị, nằm trên dây nguồn AC và cắm trực tiếp vào ổ điện tường. Wall wart là dạng bộ nguồn ngoài tích hợp sẵn với phích cắm của ổ điện.
• Các loại bộ nguồn này được ưa chuộng trong thiết bị điện tử dân dụng vì độ an toàn cao – dòng điện xoay chiều 120V hoặc 240 V nguy hiểm được chuyển đổi xuống mức điện áp an toàn hơn trước khi đi vào thân thiết bị.

Phương pháp chuyển đổi năng lượng

• Các bộ nguồn điện có thể được chia thành hai loại chính: nguồn tuyến tính và nguồn xung.
• Bộ nguồn tuyến tính xử lý năng lượng đầu vào trực tiếp, trong đó tất cả các linh kiện chuyển đổi công suất hoạt động trong vùng tuyến tính của chúng.
• Trong khi đó, bộ nguồn xung sẽ chuyển đổi năng lượng đầu vào sang dòng xoay chiều (AC) hoặc xung điện một chiều (DC pulses) trước khi xử lý, bằng cách sử dụng các linh kiện hoạt động chủ yếu ở chế độ phi tuyến.
• Công suất bị “tổn hao” khi các linh kiện hoạt động trong vùng tuyến tính, do đó bộ nguồn xung thường có hiệu suất cao hơn so với bộ nguồn tuyến tính, vì các linh kiện trong mạch xung chỉ hoạt động rất ngắn trong vùng tuyến tính.

Các loại bộ nguồn

Nguồn điện một chiều

• Bộ nguồn AC-DC hoạt động với điện áp đầu vào xoay chiều và tạo ra điện áp đầu ra một chiều.
• Tùy theo yêu cầu ứng dụng, điện áp đầu ra có thể chứa một lượng nhất định các thành phần tần số xoay chiều, được gọi là điện áp gợn.
• Mức độ gợn này phụ thuộc vào tần số điện áp đầu vào AC và nguyên lý hoạt động của bộ nguồn.
• Bộ nguồn DC-to-DC là loại hoạt động với điện áp đầu vào một chiều.Phần này tập trung chủ yếu vào loại bộ nguồn AC-to-DC.

Bộ nguồn tuyến tính

• Trong bộ nguồn tuyến tính, điện áp xoay chiều đầu vào (AC) trước tiên đi qua máy biến áp nguồn, sau đó được chỉnh lưu và lọc để tạo ra điện áp một chiều.
• Bộ lọc có nhiệm vụ giảm thiểu các thành phần tần số xoay chiều còn lại trong điện áp đầu ra của mạch chỉnh lưu.
• Mạch lọc có thể đơn giản chỉ là một tụ điện hoặc phức tạp hơn như mạch lọc dạng pi (π filter).
• Mức độ lọc cần thiết của bộ nguồn phụ thuộc vào khả năng chịu gợn của tải điện.

Bộ nguồn xung

• Trong bộ nguồn xung (SMPS), điện áp xoay chiều đầu vào được chỉnh lưu trực tiếp và sau đó lọc để tạo ra điện áp một chiều.
• Điện áp DC thu được sau đó sẽ được ngắt đóng ở tần số cao nhờ mạch chuyển mạch điện tử, tạo ra dòng điện xoay chiều tần số cao đi qua máy biến áp hoặc cuộn cảm tần số cao.
• Quá trình chuyển mạch diễn ra ở tần số rất cao (thường trong khoảng 10 kHz đến 1 MHz), cho phép sử dụng các máy biến áp và tụ lọc có kích thước nhỏ hơn, trọng lượng nhẹ hơn và chi phí thấp hơn so với các bộ nguồn tuyến tính hoạt động ở tần số điện lưới thông thường.

Bộ nguồn tụ điện

• Bộ nguồn tụ điện, hay còn gọi là bộ nguồn không biến áp, hoạt động dựa trên điện kháng của tụ điện để giảm điện áp xoay chiều từ lưới xuống mức điện áp xoay chiều nhỏ hơn.
• Thông thường, điện áp AC đã được giảm này sẽ được chỉnh lưu, lọc và ổn áp để tạo ra điện áp DC đầu ra ổn định.
• Điện áp đầu ra của loại bộ nguồn này không được cách ly với điện lưới, do đó, để tránh nguy cơ điện giật hoặc hư hỏng thiết bị, mọi thành phần được kết nối với bộ nguồn phải được cách điện an toàn tuyệt đối.
• Tụ điện hạ áp phải có khả năng chịu được toàn bộ điện áp lưới, đồng thời phải có giá trị điện dung đủ lớn để đáp ứng dòng tải tối đa tại điện áp đầu ra định mức.
• Chính các giới hạn kỹ thuật này khiến bộ nguồn tụ điện chỉ phù hợp cho các ứng dụng công suất thấp.

Bộ ổn áp tuyến tính

• Chức năng của bộ ổn áp tuyến tính là chuyển đổi điện áp DC thay đổi thành điện áp DC ổn định và thường thấp hơn theo giá trị mong muốn.
• Ngoài ra, bộ ổn áp tuyến tính còn tích hợp chức năng giới hạn dòng điện  nhằm bảo vệ bộ nguồn và tải khỏi tình trạng quá dòng dòng điện quá lớn có thể gây hư hỏng thiết bị.

Bộ nguồn AC

• Bộ nguồn AC thường lấy điện áp từ ổ cắm tường và sử dụng máy biến áp để tăng áp hoặc giảm áp đến điện áp mong muốn.
• Trong một số trường hợp, bộ nguồn còn có mạch lọc để làm mịn tín hiệu điện.
• Ở một số thiết kế, điện áp đầu vào và đầu ra có cùng giá trị, loại này được gọi là máy biến áp cách ly.
• Một số máy biến áp trong bộ nguồn AC không cung cấp cách ly với điện lưới, được gọi là tự biến áp; nếu điện áp đầu ra có thể điều chỉnh, thì được gọi là biến áp điều chỉnh.
• Ngoài ra, một số loại nguồn AC khác được thiết kế để duy trì dòng điện đầu ra gần như không đổi, trong khi điện áp đầu ra có thể thay đổi tùy theo trở kháng tải.
• Trong các ứng dụng hiện đại, bộ nguồn AC được chia thành hệ thống một pha và ba pha.
• Nguồn AC cũng có thể được sử dụng để thay đổi cả tần số lẫn điện áp thường được các nhà sản xuất sử dụng để kiểm tra khả năng hoạt động của sản phẩm ở các tiêu chuẩn điện khác nhau giữa các quốc gia, chẳng hạn như 230 V – 50 Hz, 115 V – 60 Hz, hoặc thậm chí 400 Hz trong các thử nghiệm thiết bị hàng không.

Bộ chuyển đổi điện AC

• Bộ chuyển đổi điện AC là một loại bộ nguồn điện được tích hợp trực tiếp trong phích cắm nguồn AC.
• AC adapter còn được gọi bằng nhiều tên khác như “plug pack”, “plug-in adapter”, hoặc theo cách nói thông thường là “wall wart”.
• Thông thường, AC adapter có một đầu ra duy nhất (AC hoặc DC) được truyền qua dây cố định đến đầu nối, tuy nhiên một số adapter có nhiều đầu ra, được truyền qua một hoặc nhiều dây dẫn riêng biệt.
• Các bộ chuyển đổi AC “universal” có đầu nối đầu vào có thể thay thế để phù hợp với các mức điện áp lưới AC khác nhau.

Bộ nguồn lập trình

• Bộ nguồn lập trình là loại bộ nguồn cho phép điều khiển từ xa hoạt động của nó thông qua tín hiệu điều khiển tương tự hoặc giao diện kỹ thuật số như RS-232 hoặc GPIB.
• Các thông số có thể được điều khiển bao gồm điện áp, dòng điện, và đối với bộ nguồn có đầu ra AC, còn có thể điều chỉnh tần số.
• Loại bộ nguồn này được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng, bao gồm kiểm tra thiết bị tự động, giám sát quá trình tăng trưởng tinh thể, chế tạo bán dẫn, và máy phát tia.

Bộ lưu điện

• Bộ lưu điện (UPS) là thiết bị lấy điện từ hai hoặc nhiều nguồn cùng lúc.
• Thông thường, UPS được cấp điện trực tiếp từ nguồn điện xoay chiều đồng thời sạc cho ắc quy lưu trữ.
• Khi nguồn điện lưới bị sụt áp hoặc mất điện, ắc quy sẽ ngay lập tức cấp điện thay thế, giúp tải không bị gián đoạn nguồn cung cấp điện.

Bộ nguồn điện cao áp

• Bộ nguồn điện cao áp là loại bộ nguồn có điện áp đầu ra lên đến hàng trăm hoặc hàng nghìn volt.
• Loại bộ nguồn này sử dụng đầu nối chuyên dụng nhằm ngăn hiện tượng phóng điện, sự cố đánh thủng cách điện và tránh tiếp xúc vô tình của con người.
• Đầu nối tiêu chuẩn Federal Standard thường được sử dụng cho các ứng dụng có điện áp trên 20 kV, trong khi một số loại đầu nối khác như đầu nối SHV (SHV connector) có thể được dùng cho các mức điện áp thấp hơn.

Bộ nguồn hai cực

• Bộ nguồn hai cực hoạt động trong cả bốn góc phần tư của mặt phẳng tọa độ điện áp – dòng điện, nghĩa là nó có thể tạo ra cả điện áp và dòng điện dương hoặc âm tùy theo yêu cầu để duy trì trạng thái ổn định.
• Khi đầu ra của bộ nguồn được điều khiển bằng tín hiệu analog mức thấp, nó hoạt động tương tự như một bộ khuếch đại thuật toán có công suất đầu ra cao và khả năng chuyển đổi qua điểm 0 mượt mà, liên tục.
• Loại bộ nguồn này thường được sử dụng để cấp điện cho các thiết bị từ tính trong các ứng dụng khoa học và nghiên cứu.

Đặc tính kỹ thuật

Mức độ phù hợp của một bộ nguồn đối với một ứng dụng cụ thể được xác định bởi nhiều đặc tính kỹ thuật khác nhau, thường được liệt kê trong bảng thông số kỹ thuật của bộ nguồn.

Các thuộc tính thường được nêu trong thông số kỹ thuật của bộ nguồn bao gồm:

• Loại và dải điện áp đầu vào (AC hoặc DC).
• Hiệu suất chuyển đổi năng lượng.
• Giá trị điện áp và dòng điện tối đa mà bộ nguồn có thể cung cấp cho tải.
• Mức độ ổn định của điện áp hoặc dòng điện đầu ra, khi điều kiện nguồn cấp hoặc tải thay đổi .
• Thời gian cung cấp năng lượng liên tục mà không cần nạp hoặc tiếp nhiên liệu (áp dụng cho các bộ nguồn sử dụng nguồn năng lượng di động).
• Dải nhiệt độ hoạt động và lưu trữ.
• Kiểu đầu ra: điện áp không đổi hoặc dòng điện không đổi.

Các từ viết tắt thường được sử dụng trong thông số kỹ thuật của bộ nguồn (power supply specifications):

• SCP – Bảo vệ ngắn mạch
• OPP – Bảo vệ quá công suất / quá tải
• OCP – Bảo vệ quá dòng
• OTP – Bảo vệ quá nhiệt
• OVP –Bảo vệ quá áp
• UVP –Bảo vệ thấp áp
• CV – Điện áp không đổi
• CC – Dòng điện không đổi
• PFC –Hiệu chỉnh hệ số công suất
• THD – Tổng biến dạng sóng điện áp hoặc dòng điện

Quản lý tản nhiệt

Nguồn điện trong một hệ thống điện thường sinh ra nhiệt trong quá trình hoạt động. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của bộ nguồn càng cao, thì nhiệt lượng phát sinh càng ít. Có nhiều phương pháp khác nhau để kiểm soát và tản nhiệt cho bộ nguồn.

Nhìn chung, các phương pháp làm mát được chia thành hai nhóm chính: làm mát bằng đối lưu và làm mát bằng dẫn nhiệt.

Các phương pháp làm mát đối lưu phổ biến cho bộ nguồn điện tử bao gồm:

• Luồng không khí tự nhiên 
• Luồng không khí cưỡng bức 
• Làm mát bằng chất lỏng

Các phương pháp làm mát bằng dẫn nhiệt phổ biến bao gồm:

• Tản nhiệt
• Tấm làm mát 
• Keo tản nhiệt hoặc hợp chất dẫn nhiệt

Bảo vệ quá tải

• Các bộ nguồn thường được trang bị các cơ chế bảo vệ chống lại ngắn mạch hoặc quá tải những sự cố có thể làm hỏng bộ nguồn hoặc gây cháy nổ.
• Cầu chì và aptomat là hai cơ chế bảo vệ quá tải phổ biến nhất.
• Cầu chì chứa một đoạn dây dẫn ngắn có khả năng nóng chảy khi dòng điện vượt quá giới hạn cho phép.
• Khi dây này bị đứt, bộ nguồn sẽ bị ngắt khỏi tải, khiến thiết bị ngừng hoạt động cho đến khi nguyên nhân gây quá tải được xác định và cầu chì được thay thế.
• Một số bộ nguồn sử dụng liên kết dây hàn siêu mảnh đóng vai trò như cầu chì bảo vệ.
• Cầu chì trong bộ nguồn có thể được người dùng cuối tự thay thế, trong khi cầu chì bên trong thiết bị điện dân dụng thường yêu cầu dụng cụ chuyên dụng để mở và thay thế.
• Aptomat chứa phần tử nhiệt, khi bị nung nóng quá mức, sẽ uốn cong và kích hoạt cơ cấu lò xo để ngắt mạch điện.
• Sau khi phần tử nhiệt nguội lại và nguyên nhân được xử lý, aptomat có thể được reset để khôi phục nguồn điện.
• Một số bộ nguồn sử dụng cầu ngắt nhiệt được gắn trực tiếp bên trong biến áp thay vì cầu chì.
• Ưu điểm của loại này là cho phép dòng điện tăng cao trong thời gian ngắn, vượt mức dòng điện liên tục tối đa, mà không gây hỏng tức thì.
• Một số cầu ngắt nhiệt có thể tự phục hồi, trong khi một số khác chỉ sử dụng một lần.

Ứng dụng

Bộ nguồn điện là thành phần cơ bản trong nhiều thiết bị điện tử, do đó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.Danh sách dưới đây chỉ là một số ví dụ tiêu biểu trong rất nhiều ứng dụng thực tế của bộ nguồn điện.

Máy tính

Bộ nguồn máy tính hiện đại là loại bộ nguồn xung, có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp xoay chiều (AC) từ nguồn điện lưới thành nhiều mức điện áp một chiều khác nhau.

Nguồn xung đã thay thế hoàn toàn nguồn tuyến tính nhờ các ưu điểm vượt trội về chi phí, trọng lượng, hiệu suất và kích thước.

Các đầu ra DC đa dạng của bộ nguồn máy tính có mức điện áp khác nhau, đồng thời yêu cầu dòng điện đầu ra rất khác biệt tùy theo từng đường cấp và thiết bị tiêu thụ.

Phương tiện điện

Phương tiện điện là các phương tiện hoạt động dựa trên năng lượng được tạo ra từ nguồn điện.

Trong cấu trúc của xe điện, bộ nguồn  là một thành phần quan trọng, có nhiệm vụ chuyển đổi điện năng từ pin điện áp cao sang các mức điện áp phù hợp để cấp cho các hệ thống và thiết bị khác trên xe.

Hàn hồ quang

Hàn hồ quang sử dụng dòng điện để nung chảy và kết nối các kim loại với nhau.

Nguồn điện cho quá trình hàn có thể là dòng xoay chiều (AC) hoặc dòng một chiều (DC).

Hàn hồ quang yêu cầu dòng điện cao, thường trong khoảng 100 đến 350 ampe, tuy nhiên một số phương pháp hàn đặc biệt có thể chỉ cần khoảng 10 ampe, trong khi hàn điểm có thể sử dụng dòng điện lên tới 60.000 ampe trong thời gian cực ngắn.

Trước đây, nguồn hàn thường được cấu thành từ máy biến áp hoặc động cơ cơ khí dẫn động máy phát. Ngày nay, thiết bị hàn hiện đại sử dụng linh kiện bán dẫn và có thể tích hợp bộ vi xử lý để điều khiển chính xác dòng điện và quy trình hàn.

Phi cơ

Cả hệ thống hàng không dân dụng và hệ thống hàng không quân sự đều yêu cầu sử dụng bộ nguồn DC-DC hoặc AC-DC để chuyển đổi năng lượng sang các mức điện áp phù hợp cho thiết bị.

Các bộ nguồn này thường hoạt động ở tần số 400Hz nhằm giảm trọng lượng hệ thống và tối ưu hiệu suất năng lượng trong môi trường hàng không.

Tự động hóa

Điều này bao gồm băng tải, dây chuyền lắp ráp, máy đọc mã vạch, camera công nghiệp, động cơ, máy bơm, các thiết bị bán thành phẩm trong quy trình sản xuất và nhiều ứng dụng công nghiệp khác.

Y học

Bao gồm máy thở, bơm tiêm truyền, dụng cụ phẫu thuật và nha khoa, thiết bị chẩn đoán hình ảnh và giường y tế.