Điều chỉnh điện áp là gì?

Bộ điều chỉnh điện áp là một thiết bị điện tử giữ điện áp nguồn trong giới hạn an toàn. Thiết bị được kết nối phải xử lý giá trị điện áp. Nguồn điện áp phải nằm trong phạm vi chấp nhận được đối với thiết bị, được quản lý bởi bộ điều chỉnh điện áp. Bộ điều chỉnh điện áp kiểm soát mức điện áp, bất kể điện áp đầu vào hoặc tải thay đổi. Nó bảo vệ thiết bị khỏi hư hỏng và có thể điều chỉnh cả điện áp AC và DC, tùy thuộc vào thiết kế của nó.

Các bộ điều chỉnh điện áp

Hiện nay, có hai loại bộ ổn áp chính bao gồm: Bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính và bộ điều chỉnh điện áp chuyển mạch. Trong đó, bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính hoạt động như một bộ chia điện áp sử dụng FET trong vùng Ohmic. Nó duy trì đầu ra ổn định bằng cách thay đổi điện trở theo tải. Có hai loại bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính chính là bộ điều chỉnh điện áp nối tiếp và bộ điều chỉnh điện áp shunt. Tương tự, bộ điều chỉnh điện áp nối tiếp thực hiện phần tử biến đổi được định vị nối tiếp với tải được kết nối. Đầu ra ổn định được duy trì bằng cách thay đổi điện trở của phần tử này đối với tải. Chúng có hai loại là bộ ổn áp transistor nối tiếp rời rạc và điốt zenner làm bộ ổn áp, trong bài viết này sẽ tập trung phân tích bộ ổn áp transistor nối tiếp rời rạc.

Hình 1. Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động của bộ ổn áp nối tiếp transistor rời rạc

Bộ ổn áp nối tiếp transistor rời rạc

Hình 1 trình bày nguyên lý hoạt động của bộ ổn áp nối transistor rời rạc. Như thể hiện trong hình, trước tiên đầu vào không được điều chỉnh được gửi đến bộ điều khiển để điều chỉnh điện áp đầu vào. Tiếp đó, đầu ra đã điều chỉnh được gửi đến mạch phản hồi, được lấy mẫu bởi mạch lấy mẫu và so sánh với điện áp tham chiếu trong bộ so sánh trước khi được gửi trở lại đầu ra. Trong khi đó, mạch so sánh sẽ gửi tín hiệu điều khiển đến bộ điều khiển nếu điện áp đầu ra thay đổi. Sau đó, bộ điều khiển điều chỉnh điện áp để giữ trong phạm vi chấp nhận được, đảm bảo đầu ra ổn định.

Bộ ổn áp transistor nối tiếp rời rạc thường sử dụng một transistor lưỡng cực (BJT) hoặc transistor hiệu ứng trường (FET) làm phần tử điều chỉnh chính. Transistor này được mắc nối tiếp với tải và hoạt động trong vùng hoạt động tuyến tính (active region) để điều chỉnh dòng điện đi qua, từ đó kiểm soát điện áp đầu ra. Khi điện áp đầu ra tăng hoặc giảm do biến động tải, một mạch phản hồi sẽ phát hiện sự thay đổi này và gửi tín hiệu đến mạch so sánh. Mạch so sánh sau đó tạo ra tín hiệu điều khiển nhằm điều chỉnh điện áp gốc (base) hoặc cực cổng (gate) của transistor để đưa điện áp đầu ra về mức ổn định.

Một yếu tố then chốt trong thiết kế là mạch phản hồi và mạch lấy mẫu, vốn cần phải được chọn lọc kỹ lưỡng để đảm bảo độ chính xác và tốc độ đáp ứng cao. Việc sử dụng một điện áp tham chiếu ổn định, thường là điốt zener hoặc IC tạo điện áp chuẩn, là yếu tố bắt buộc để mạch có thể duy trì mức điện áp đầu ra cố định một cách chính xác trong nhiều điều kiện hoạt động.

Ưu và nhược điểm của bộ điều chỉnh điện áp nối tiếp transistor rời rạc

• Về ưu điểm: Bộ điều chỉnh điện áp nối tiếp transistor rời rạc có thiết kế rất đơn giản, dễ triển khai và ứng dụng trong nhiều mạch điện tử. Một ưu điểm nổi bật khác là đầu ra ít bị nhiễu sóng, giúp duy trì tín hiệu điện ổn định và sạch hơn. Ngoài ra, thời gian phản hồi của bộ điều chỉnh tuyến tính rất nhanh, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu sự thay đổi tức thời. Hơn nữa, thiết bị này tạo ra ít tiếng ồn hơn so với các loại điều chỉnh khác, từ đó cải thiện hiệu suất và độ tin cậy cho hệ thống điện.
• Về nhược điểm: Tuy có nhiều ưu điểm, bộ điều chỉnh điện áp nối tiếp transistor rời rạc vẫn tồn tại một số hạn chế. Trước hết, hiệu suất của nó khá thấp do phần lớn năng lượng dư thừa bị tiêu tán dưới dạng nhiệt. Thiết bị cũng không phù hợp với các ứng dụng cần tăng điện áp đầu ra vì nó chỉ có thể giảm điện áp. Mặc dù không chiếm nhiều không gian nhưng trong một số trường hợp, vẫn cần trang bị thêm bộ tản nhiệt để giảm thiểu tình trạng quá nhiệt, gây ảnh hưởng đến độ bền của linh kiện.

Các ứng dụng của bộ điều chỉnh điện áp nối tiếp transistor rời rạc

Bộ điều chỉnh điện áp nói chung được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhằm đảm bảo nguồn điện ổn định và an toàn cho thiết bị. Trong hệ thống phân phối điện, bộ điều chỉnh giúp duy trì điện áp ổn định đến người tiêu dùng bất chấp sự thay đổi của tải hoặc nguồn cung cấp. Trong ngành công nghiệp ô tô, thiết bị này được tích hợp vào máy phát điện để điều chỉnh điện áp cung cấp cho các hệ thống điện của xe. Ngoài ra, các nhà máy phát điện cũng sử dụng bộ điều chỉnh để tối ưu hóa hiệu suất và bảo vệ thiết bị. Trong lĩnh vực công nghệ thông tin, bộ điều chỉnh điện áp đóng vai trò quan trọng trong nguồn điện của máy tính, giúp hệ thống vận hành ổn định và kéo dài tuổi thọ linh kiện.

Với sự phát triển của các hệ thống nhúng tiêu thụ năng lượng thấp, bộ ổn áp transistor tuyến tính vẫn giữ vai trò không thể thay thế trong những ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao và không gian hạn chế. Trong các hệ thống vi điều khiển (MCU), cảm biến áp suất, đo nhiệt độ hoặc tín hiệu analog yếu, việc sử dụng một bộ ổn áp nhiễu thấp là yếu tố then chốt để đảm bảo độ chính xác của dữ liệu. Ngoài ra, trong các mạch tiền khuếch đại âm thanh hoặc thiết bị y tế, bộ ổn áp tuyến tính cũng được ưa chuộng nhờ tính ổn định và độ nhiễu cực thấp.

Kết luận

Bộ ổn áp transistor nối tiếp rời rạc tuy không phải là lựa chọn hiệu quả nhất về mặt năng lượng, nhưng lại rất phù hợp trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao, tín hiệu sạch và thiết kế đơn giản. Việc hiểu rõ nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm và các yếu tố kỹ thuật ảnh hưởng sẽ giúp kỹ sư điện – điện tử lựa chọn và thiết kế bộ ổn áp phù hợp với từng nhu cầu cụ thể. Trong tương lai, dù công nghệ chuyển mạch ngày càng phát triển, bộ ổn áp tuyến tính nối tiếp rời rạc vẫn sẽ giữ vị trí quan trọng trong nhiều hệ thống yêu cầu tính ổn định điện áp cao.

‍