Bài viết được dịch từ trang web Instructables

Bộ điều chỉnh điện áp (Ổn áp)

Một bộ điều chỉnh điện áp (hay ổn áp - Voltage Regulators) sẽ tạo ra một điện áp đầu ra ổn định theo một độ lớn được ấn định trước đó bất kể tình trạng thay đổi của điện áp đầu vào hoặc tình trạng của tải.

Có hai loại ổn áp:

  • Ổn áp tuyến tính (Linear)
  • Ổn áp xung (Switching)

Sự tiêu hao công suất của bộ ổn áp tuyến tính tỷ lệ thuận với dòng đầu ra của nó trong quá trình điều chỉnh giữa điện áp đầu vào và điện áp đầu ra, do đó hiệu quả đặc thù chỉ có thể là 50% hoặc thậm chí thấp hơn. Với việc sử dụng các linh kiện tối ưu, một ổn áp xung có thể đạt được hiệu quả trong phạm vi 90%. Tuy nhiên, nhiễu đầu ra từ một bộ ổn áp tuyến tính là thấp hơn nhiều so với một ổn áp xung với cùng một yêu cầu về điện áp và dòng điện đầu ra. Nhìn chung, các ổn áp xung có thể điều chỉnh các tải có dòng cao hơn so với một bộ ổn áp tuyến tính.

Bộ ổn áp tuyến tính (Linear regulator)

Một ổn áp tuyến tính sử dụng phần tử tích cực (BJT hay MOSFET) liên kết với nhau - kiểu mắc Darlington (mắc nối tiếp hoặc mắc shunt) được điều khiển bởi một bộ khuếch đại chênh lệch tăng cao. Nó so sánh điện áp đầu ra với một điện áp tham chiếu chính xác và điều chỉnh khối các phần tử tích cực mắc Darlington, để duy trì một điện áp đầu ra không đổi.

Các phần tử ổn áp này hoạt động như một biến trở và liên tục điều chỉnh hệ thống chia điện áp để duy trì một điện áp đầu ra không đổi. Sự khác biệt giữa điện áp đầu vào và điện áp được ổn áp là liên tục có sự triệt tiêu, giống như sự nóng chảy. Do các bộ ổn áp tuyến tính thường được sử dụng trong một số thiết bị điện tử riêng biệt, nên bộ ổn áp tuyến tính được làm dưới hình thức mạch tích hợp (IC) là rất phổ biến. Có rất nhiều loại ổn áp tuyến tính khác nhau.

Hầu hết các bộ ổn áp tuyến tính cần một điện áp đầu vào cao hơn một ít so với điện áp đầu ra mong muốn. Đó là giá trị tối thiểu được gọi là điện áp giáng (Drop-out voltage). Ví dụ, một ổn áp phổ biến như 7805 có một điện áp đầu ra 5V​​, nhưng nó chỉ có thể duy trì được điều này nếu điện áp đầu vào cao hơn một ít, khoảng 7V, trước khi điện áp đầu ra bắt đầu sụt xuống mức thông số đầu ra (5V). Do đó điện áp giáng của nó là 7V - 5V = 2V. Có hai loại ổn áp  tuyến tính:

Ổn áp tuyến tính cố định

Chúng thường được chế tạo thành IC có 3 chân để cung cấp ra một điện áp "cố định“ như +3V, và dương hoặc âm 5V, 6V, 9V, 12V, 15V, khi dòng tải nhỏ hơn 1,5 A. Series (dòng, họ) “78xx": (7805, 7812, v.v...) ổn áp điện áp dương trong khi dòng "79xx“ (7905, 7912, v.v...) ổn áp điện áp âm. Thông thường, hai chữ số cuối cùng của mã tên IC là điện áp đầu ra (ví dụ: 7805 là bộ ổn áp +5V, trong khi 7915 là bộ ổn áp -15V). Có những phân loại trong dòng IC 78xx, như 78L và 78S, một trong số đó có thể cung cấp dòng lên đến 2 Amps.

Ổn áp tuyến tính điều biến

Là bộ ổn áp có thể điều chỉnh để ấn định một điện áp danh nghĩa thấp giữa đầu ra của nó và thiết bị điều chỉnh (như là đầu cuối so sánh) của nó (tương đương với GND trong loại ổn áp tuyến tính cố định. Dòng thiết bị này bao gồm các thiết bị công suất thấp như LM723 và các thiết bị có công suất trung bình như là LM317 và L200. Một số ổn áp điều biến được chế tạo sẵn (đóng gói) dạng nhiều hơn ba chân, bao gồm hai gói nối tiếp. Chúng cung cấp các khả năng để điều chỉnh điện áp đầu ra bằng cách sử dụng các điện trở bên ngoài theo các giá trị cụ thể.

Dòng LM317 (+1.25V) điều chỉnh điện áp dương trong khi dòng LM337 (-1.25V) điều chỉnh điện áp âm. Việc điều chỉnh được thực hiện bằng cách xây dựng một bộ chia điện áp cho đầu cuối của nó giữa đầu ra bộ ổn áp và GND, và điểm chia này (centre-tap) được kết nối với  thiết bị 'điều chỉnh' của ổn áp. Thông số của trở kháng xác định điện áp đầu ra được sử dụng như cơ chế phản hồi độ sai lệch của đầu ra về để điều khiển khối Darlington.

Các bộ ổn áp tuyến tính thông dụng

- L7805 (Bộ ổn áp  5V): L7805 là ổn áp cơ bản, là bộ ổn áp dương có 3 chân với mức ổn định điện áp đầu ra 5V. Bộ ổn áp cố định này đưa ra sự tự điều chỉnh cục bộ, giới hạn dòng điện bên trong, điều khiển ngắt nhiệt, và bảo vệ một phạm vi an toàn cho dự án của bạn. Bộ ổn áp loại này có thể cung cấp một dòng điện tối đa là 1.5A.

- L7812 (Voltage Regulator - 12V): Giống như L7805, nhưng sử dụng để ổn áp mức điện áp 12V, xuất dòng tối đa 1,5A.

- LM317 (Điều chỉnh 1.25V đến 37V): LM317 là bộ ổn áp điện áp dương có 3 chân có khả năng cung cấp dòng ra lớn hơn 1.5A  trên một phạm vi điện áp ra từ 1,25 V đến 37V. Nó chỉ cần hai điện trở bên ngoài để đặt (set) điện áp đầu ra. Nó có đặc trưng ổn áp tuyến tính 0,01% và đặc trưng ổn áp tải là 0,1%. Nó cung cấp các tính năng về sự hạn dòng, bảo vệ quá tải nhiệt, và bảo vệ khu vực hoạt động an toàn.

Ổn áp xung (Switching regulator)

Một ổn áp xung chuyển đổi điện áp một chiều đầu vào thành một điện áp chuyển mạch đưa tới nguồn của chuyển mạch dùng MOSFET hoặc BJT. Nguồn điện áp chuyển mạch đầu ra sau khi đã được lọc, sẽ quay lại cấp tới mạch điều khiển nguồn chuyển mạch lần lượt bật và tắt sao cho điện áp đầu ra vẫn không đổi bất kể điện áp đầu vào hoặc dòng tải thay đổi.

Có ba kiểu cấu trúc bộ biến đổi điện áp thông dụng: Buck (step-down): Bộ biến đổi giảm áp, Boost (step-up): Bộ biến đổi tăng áp và Buck-boost (step-up/step-down): Bộ biến đổi đảo áp.
Các mô hình khác bao gồm: Flyback (Quét ngược), SEPIC (Dùng tự cảm), Kiểu Cuk, Push-pull (Đẩy kéo), Forward (Chuyển tiếp), Full-bridge (Toàn cầu, mạch cầu đầy đủ), và Half-bridge (Nửa cầu)

Các bộ ổn áp xung cần một phương thức để làm thay đổi điện áp đầu ra của chúng để đáp ứng với những thay đổi điện áp đầu vào và đầu ra. Một cách xử lý là sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) để điều khiển đầu vào thông qua việc đóng ngắt nguồn của tải một cách có chu kỳ theo luật điều chỉnh thời gian đóng cắt. Khi hoạt động, điện áp đầu ra của bộ ổn áp đã được lọc sẽ phản hồi trở lại với bộ điều khiển PWM để kiểm soát chu kỳ làm việc. Nếu điện áp được lọc ở đầu ra có xu hướng thay đổi, phản hồi được đưa tới bộ điều khiển PWM làm thay đổi chu kỳ làm việc để duy trì một điện áp đầu ra không đổi.

Bộ chuyển đổi Boost

Chuyển đổi tăng áp Boost (Step-up converter) là một bộ chuyển đổi nguồn điện một chiều ra một chiều (DC-to-DC) với một điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào của nó. Chuyển đổi Boost được sử dụng khi yêu cầu điện áp ra cao hơn điện áp có sẵn từ nguồn. Giả sử bạn có một nguồn 3,7V, nhưng bạn cần 5V cho thiết bị của bạn thì bạn có thể sử dụng bộ chuyển đổi Boost.

Bởi vì dễ bị thiệt hại khi sử dụng nhầm những bộ chuyển đổi Boost cung cấp quá áp so với nhu cầu, có các điều khoản bao gồm một số quy định để kiểm soát điện áp đầu ra, và có rất nhiều loại IC được sản xuất ra cho mục đích này. Một ví dụ đặc trưng của một IC chuyển đổi Boost là LM27313 từ Texas Instruments. Chip này được thiết kế để sử dụng trong các hệ thống sử dụng nguồn thấp như PDA (Personal Digital Assistant) - là loại thiết bị kỹ thuật số hỗ trợ cá nhân dạng cầm tay, máy ảnh, điện thoại di động, và các thiết bị GPS (Hệ thống định vị toàn cầu). Một bộ chuyển đổi Boost khác khá phổ biến là LM2577.

Các bài viết liên quan:

Tham khảo:

Khóa học Điện tử Thực hành tại TechMaster được dạy qua những thí nghiệm, mạch thực tế: nhìn được, đo được. Thiết bị hiện đại, đầy đủ, cho từng học viên. Giảng viên kinh nghiệm, tận tình hướng dẫn. Kiến thức căn bản thực tế áp dụng cho IoT và các kỹ thuật nâng cao... Thông tin chi tiết bạn xem tại đây.