Sự khác biệt giữa nguồn điện tuyến tính và nguồn điện chuyển mạch
Theo nguyên tắc chuyển đổi, nguồn điện có thể được phân loại thành nguồn điện tuyến tính và nguồn điện chuyển mạch. Khi phân loại nguồn điện tuyến tính và nguồn điện chuyển mạch, chúng ta thực sự cần làm rõ đó là AC/DC hay DC/DC. Mặc dù sự phân loại này nhằm mục đích phân biệt các nguyên tắc chuyển đổi. Tuy nhiên, các bộ nguồn tuyến tính và bộ nguồn chuyển mạch đạt được chức năng AC/DC có phải là một quá trình hoàn chỉnh để chuyển đổi AC thành DC và một số mạch bao gồm DC/DC.
Nguồn điện tuyến tính và nguồn điện chuyển mạch cho AC/DC
Có nhiều sách giáo khoa, sách và bài viết đề cập trực tiếp đến nguồn điện tuyến tính là "nguồn điện tuyến tính cho AC/DC". Nguồn điện tuyến tính là gì? Nguồn điện tuyến tính trước tiên làm giảm biên độ điện áp của nguồn điện xoay chiều thông qua máy biến áp, sau đó chỉnh lưu nó thông qua mạch chỉnh lưu để thu được nguồn DC xung, sau đó lọc để thu được điện áp DC với điện áp gợn sóng nhỏ.
Các đặc tính của nguồn điện tuyến tính AC/DC và nguồn điện chuyển mạch khác nhau như sau:
Nguồn điện tuyến tính của AC/DC trước tiên được giảm bằng điện áp xoay chiều bằng cách sử dụng biến áp tần số nguồn, sau đó được chỉnh lưu. Sau khi giảm điện áp qua máy biến áp, điện áp trở nên tương đối thấp và các chip nguồn như bộ điều chỉnh điện áp ba cực có thể được sử dụng để ổn định điện áp. Ống điều chỉnh của bộ nguồn tuyến tính hoạt động ở trạng thái khuếch đại nên sinh nhiệt cao và hiệu suất thấp (liên quan đến sụt áp), đòi hỏi phải bổ sung thêm tản nhiệt cồng kềnh. Âm lượng của máy biến áp tần số điện cũng tương đối lớn, khi sản xuất nhiều bộ điện áp đầu ra thì âm lượng của máy biến áp sẽ lớn hơn.
Ống điều chỉnh của bộ nguồn chuyển mạch AC/DC hoạt động ở trạng thái bão hòa và cắt, dẫn đến sinh nhiệt thấp và hiệu suất cao. Bộ nguồn chuyển mạch AC/DC loại bỏ nhu cầu sử dụng các máy biến áp tần số nguồn cồng kềnh. Tuy nhiên, đầu ra DC của bộ nguồn chuyển mạch AC/DC sẽ có gợn sóng lớn hơn, điều này có thể được cải thiện bằng cách kết nối một diode điều chỉnh điện áp ở đầu ra. Ngoài ra, do nhiễu xung cực đại cao được tạo ra trong quá trình hoạt động của ống công tắc, nên các hạt từ tính cần được nối nối tiếp trong mạch để cải thiện. Nói một cách tương đối, độ gợn của nguồn điện tuyến tính có thể được tạo ra rất nhỏ. Việc chuyển đổi nguồn điện có thể đạt được thông qua các cấu trúc tôpô khác nhau, chẳng hạn như giảm điện áp, tăng và tăng cường, trong khi nguồn điện tuyến tính chỉ có thể giảm điện áp.
Nhiều bộ đổi nguồn ban đầu tương đối nặng và nguyên lý chuyển đổi của chúng là nguồn điện tuyến tính AC/DC, sử dụng máy biến tần tần số nguồn bên trong. Bộ nguồn tuyến tính AC/DC trước tiên sử dụng máy biến áp để giảm điện áp xoay chiều. Loại máy biến áp này trực tiếp làm giảm điện áp trong nguồn điện, được gọi là máy biến áp tần số nguồn, như trên Hình 1.9. Máy biến áp tần số nguồn hay còn gọi là máy biến áp tần số thấp, phân biệt chúng với máy biến áp tần số cao dùng trong chuyển mạch nguồn điện. Máy biến áp tần số công nghiệp trước đây được sử dụng rộng rãi trong các nguồn điện truyền thống. Tần số tiêu chuẩn của nguồn điện lưới trong ngành điện, còn được gọi là nguồn điện lưới ("nguồn điện lưới" dùng để chỉ nguồn điện chủ yếu được người dân ở các thành phố sử dụng), là 50Hz ở Trung Quốc và 60Hz ở các quốc gia khác. Máy biến áp có khả năng thay đổi điện áp của dòng điện xoay chiều ở tần số này được gọi là máy biến áp tần số nguồn. Máy biến áp tần số nguồn thường có kích thước lớn hơn so với máy biến áp tần số cao. Vì vậy, khối lượng nguồn điện tuyến tính AC/DC được thực hiện bằng máy biến tần là tương đối lớn.
Bộ nguồn chuyển mạch AC/DC yêu cầu trước tiên phải chỉnh lưu và lọc nguồn điện AC để tạo thành điện áp cao DC gần đúng, sau đó điều khiển công tắc để tạo ra các xung tần số cao, được biến đổi thông qua máy biến áp. Bộ nguồn chuyển mạch AC/DC có hiệu suất cao hơn và kích thước nhỏ hơn. Một lý do quan trọng cho kích thước nhỏ của nó là máy biến áp tần số cao nhỏ hơn nhiều so với máy biến áp tần số nguồn. Tại sao tần số càng cao thì âm lượng máy biến áp càng nhỏ?
Vật liệu lõi máy biến áp có giới hạn bão hòa nên cũng có giới hạn về cường độ từ trường cực đại. Dòng điện, cường độ từ trường và từ thông của dòng điện xoay chiều đều là tín hiệu hình sin. Chúng ta biết rằng đối với các tín hiệu sin có cùng biên độ, tần số càng cao thì đỉnh "tốc độ thay đổi" của tín hiệu càng lớn (thời điểm tín hiệu sin vượt qua 0 là đỉnh của "tốc độ thay đổi", trong khi tốc độ sự thay đổi ở đỉnh tín hiệu là 0). Trong khi đó, điện áp cảm ứng được xác định bởi tốc độ biến thiên của từ thông. Vì vậy, đối với cùng một điện áp mỗi vòng, tần số càng cao thì từ thông cực đại cần thiết càng nhỏ. Nhưng như đã đề cập ở trên, giá trị cực đại của cường độ từ trường bị hạn chế. Do đó, nếu giảm yêu cầu từ thông thì diện tích mặt cắt ngang của lõi sắt có thể giảm. Phân tích trên giả định cùng một điện áp mỗi lượt. Và điện áp mỗi lượt có liên quan đến nguồn điện. Vì vậy, giả định sức mạnh tương tự. Nếu công suất nhỏ hơn thì dòng điện cũng nhỏ hơn, dây cho phép mỏng hơn, điện trở cao hơn một chút thì được phép tăng số vòng dây. Bằng cách này, điện áp mỗi vòng cũng giảm, điều này cũng có thể làm giảm yêu cầu từ thông. Sau đó giảm âm lượng. Ngoài ra, phân tích trên giả định rằng vật liệu không đổi, nghĩa là cường độ từ trường bão hòa là không đổi. Tất nhiên, nếu sử dụng vật liệu có cường độ từ trường bão hòa cao hơn thì âm lượng cũng có thể giảm xuống. Chúng ta biết rằng so với các máy biến áp cùng kích thước cách đây hàng chục năm, máy biến áp ngày nay có khối lượng nhỏ hơn rất nhiều vì sử dụng vật liệu lõi sắt mới.
Theo phương trình Maxwell, suất điện động cảm ứng E trong cuộn dây máy biến áp là
Tức là tích phân tốc độ thay đổi mật độ từ thông B theo thời gian trên N vòng dây có diện tích Ac.
Đối với máy biến áp, suất điện động cảm ứng E ở phía sơ cấp của máy biến áp và điện áp U đặt ở phía đầu vào có thể được coi là mối quan hệ tuyến tính. Giả sử biên độ của U ở phía đầu vào của máy biến áp không đổi thì có thể coi biên độ của E cũng không đổi.
Ngoài ra còn có giới hạn trên cho mật độ từ thông B của từng loại lõi từ. Ferrite được sử dụng cho các ứng dụng tần số cao có giá trị bằng khoảng vài phần mười của Tesla, trong khi lõi sắt được sử dụng cho các ứng dụng tần số nguồn có giá trị lớn hơn một chút, với một sự khác biệt nhỏ.
Do đó, khi tần số tăng, tốc độ thay đổi mật độ từ thông dB/dt trong mỗi chu kỳ tăng đáng kể, với điều kiện là sự thay đổi cực đại của mật độ từ thông B là không đáng kể. Do đó, Ac hoặc N nhỏ hơn có thể được sử dụng để đạt được cùng một suất điện động cảm ứng E. Ac giảm có nghĩa là diện tích mặt cắt ngang của lõi từ tính giảm; N giảm có nghĩa là diện tích cửa sổ trống của lõi từ có thể giảm đi, cả hai điều này đều có thể giúp đạt được thể tích lõi từ nhỏ hơn. Diện tích mặt cắt của máy biến áp tần số cao nhỏ hơn và số vòng dây trong cuộn dây giảm, dẫn đến âm lượng nhỏ hơn.
Ống điều chỉnh của bộ nguồn chuyển mạch hoạt động ở trạng thái bão hòa và cắt, dẫn đến sinh nhiệt thấp và hiệu suất cao. Bộ nguồn chuyển mạch AC/DC không yêu cầu sử dụng máy biến áp tần số nguồn lớn. Tuy nhiên, đầu ra DC của nguồn điện chuyển mạch sẽ có những gợn sóng lớn chồng lên nó. Ngoài ra, do nhiễu xung cực đại lớn được tạo ra trong quá trình hoạt động của bóng bán dẫn chuyển mạch nên cần phải lọc nguồn điện trong mạch để cải thiện chất lượng nguồn điện. Nói một cách tương đối, các nguồn năng lượng tuyến tính không có những khuyết điểm trên và độ gợn sóng của chúng có thể rất nhỏ.
