Sự khác biệt giữa nguồn tuyến tính và nguồn chuyển mạch

Bạn có thể đang sử dụng điện thoại thông minh, laptop hoặc máy tính cá nhân hàng ngày. Các thiết bị điện tử này sử dụng dòng điện một chiều (DC) để hoạt động. Tuy nhiên, vì các hộ gia đình thường sử dụng dòng điện xoay chiều điện áp cao (AC), bạn sẽ cần giảm điện áp và chuyển đổi AC sang DC bằng cách sử dụng nguồn điện như cục sạc hoặc bộ sạc.

Các bộ nguồn phổ biến nhất được sử dụng ngày nay là nguồn tuyến tính và nguồn chuyển mạch. Biết loại nào được sử dụng cho các ứng dụng cụ thể sẽ giữ cho thiết bị điện tử của bạn an toàn và hoạt động tối ưu.

Tham khảo bài viết bên dưới để so sánh giữa nguồn tuyến tính và nguồn chuyển mạch.

Nguồn tuyến tính là gì? Nguồn chuyển mạch là gì?

Nguồn tuyến tính và nguồn chuyển mạch là các thiết bị điện được sử dụng để cấp nguồn và sạc các thiết bị điện tử DC. Các thiết bị này có nhiệm vụ làm hai việc: Hạ điện áp và chuyển đổi AC sang DC. Mặc dù cả hai thiết bị đều hạ thấp và chỉnh lưu điện năng, nhưng sự khác biệt về cách chúng thực hiện những tác vụ này khiến mỗi tùy chọn sẽ phù hợp hơn với một số ứng dụng nhất định.

Nguồn tuyến tính là một thiết bị được sử dụng trong các hoạt động có độ ồn thấp và chính xác. Việc sử dụng biến áp nặng và bộ lọc analog cho phép bộ nguồn này tạo ra điện áp sạch với chi phí hiệu quả thấp, nhưng trọng lượng nặng hơn và kích thước lớn hơn. Nguồn tuyến tính được sử dụng tốt nhất trong thiết bị ghi âm, nhạc cụ điện, thiết bị y tế và dụng cụ đo lường trong phòng thí nghiệm có độ chính xác cao.

Bộ nguồn chuyển mạch SMPS được sử dụng cho các hoạt động hiệu suất và dòng điện cao. Không giống như nguồn tuyến tính, nguồn chuyển mạch sử dụng các thành phần bán dẫn để điều biến và điều chỉnh điện áp đến. Các bộ nguồn này dựa vào việc chuyển đổi tần số cao bằng cách sử dụng những bóng bán dẫn điện, làm cho chúng ồn ào nhưng cực kỳ tiết kiệm điện năng, nhẹ và nhỏ gọn. Nguồn chuyển mạch thường được sử dụng trong máy tính, bộ sạc điện thoại, thiết bị sản xuất và nhiều thiết bị điện tử điện áp thấp.

Cách thức hoạt động của nguồn tuyến tính

Sử dụng các thành phần analog hoàn toàn có sẵn trong những năm 50, những nguồn này cung cấp điện tuyến tính dựa vào các biến áp công suất lớn và những tụ điện cồng kềnh để hạ và chỉnh lưu điện áp. Mặc dù khi đó bóng bán dẫn đã được sản xuất hàng loạt, nhưng điện áp xoay chiều cao chỉ đơn giản là tạo ra quá nhiều nhiệt khiến bóng bán dẫn không thể xử lý.

Đây là một sơ đồ của một nguồn tuyến tính:

Nguồn điện tuyến tính hoạt động theo ba bước:

Bước 1: Hạ điện áp xoay chiều cao tới thông qua việc sử dụng biến áp.

Bước 2: Điện áp được hạ thấp sau đó đi qua bộ chỉnh lưu sẽ chỉnh lưu điện áp xoay chiều thành xung điện áp một chiều.

Bước 3: Các tín hiệu xung điện áp DC đi qua một bộ lọc bao gồm cuộn cảm và tụ điện. Bộ lọc này loại bỏ các dao động tín hiệu của xung điện áp một chiều, làm cho chúng có thể sử dụng được cho các thiết bị điện tử tinh vi.

Cách thức hoạt động của nguồn chuyển mạch

Nguồn chuyển mạch là các thiết bị phức tạp sử dụng những thành phần bán dẫn để thực hiện chuyển đổi nguồn tần số cao và một biến áp lõi ferit nhỏ hơn. Các loại nguồn này có thể nâng cao và hạ thấp điện áp bằng cách sử dụng vòng lặp thông tin phản hồi DC (DC feedback loop) để điều khiển điện áp đầu ra.

Đây là cách chúng hoạt động:

Bước 1: Dòng AC cao áp đi vào nguồn điện thông qua mô-đun bảo vệ mạch bao gồm cầu chì và bộ lọc EMC. Cầu chì dùng để bảo vệ khi xảy ra quá áp và bộ lọc EMC bảo vệ mạch khỏi các sóng tín hiệu đến từ nguồn AC chưa được lọc.

Bước 2: Sau khi đảm bảo mạch được bảo vệ tốt, điện áp cao xoay chiều sau đó được đưa qua mô-đun thứ hai bao gồm một bộ chỉnh lưu cầu và cuộn cản làm nhẵn. Bộ chỉnh lưu cầu chuyển đổi AC thành DC, sau đó được tụ điện xử lý tiếp.

Bước 3: DC điện áp cao sau đó được gửi qua driver PWM, driver này sẽ nhận phản hồi và điều khiển MOSFET nguồn để điều chỉnh điện áp thông qua chuyển đổi tần số cao. Việc chuyển mạch cũng làm cho dòng điện một chiều thẳng thành sóng vuông.

Bước 4: Sóng vuông DC bây giờ đi vào một biến áp lõi ferit, biến đổi tín hiệu trở lại sóng vuông AC.

Bước 5: Các sóng vuông AC đi qua một bộ chỉnh lưu cầu, chuyển đổi tín hiệu thành xung DC và sau đó đi qua một bộ lọc. Đầu ra cuối cùng sau đó được sử dụng để gửi tín hiệu đến driver PWM, tạo một vòng phản hồi để điều chỉnh điện áp đầu ra.

Sự khác biệt giữa nguồn tuyến tính và nguồn chuyển mạch

Có nhiều lý do khác nhau tại sao mỗi nguồn được chọn để sử dụng cho các ứng dụng cụ thể. Những điều này thường bao gồm hiệu quả, tiếng ồn, độ tin cậy và khả năng sửa chữa, kích thước, trọng lượng và chi phí. Bây giờ, bạn đã có ý tưởng chung về cách những loại nguồn này hoạt động, đây là cách chúng xử lý năng lượng ảnh hưởng đến hiệu suất và khả năng sử dụng trong các ứng dụng nhất định.

Hiệu quả

Vì dòng điện phải đi qua một loạt các linh kiện điện và điện tử nên quá trình chỉnh lưu và điều chỉnh điện áp sẽ luôn kém hiệu quả. Nhưng cụ thể ra sao?

Tùy thuộc vào cách chúng được đánh giá, nguồn chuyển mạch có thể có hiệu suất từ ​​80 - 92%. Điều này có nghĩa là thiết bị của bạn có thể tạo ra 80 - 92% năng lượng mà bạn đã đưa vào chúng. Hiệu quả của nó đến từ việc sử dụng các thành phần nhỏ nhưng hiệu quả hơn để điều chỉnh điện áp thông qua chuyển mạch điện áp thấp tần số cao.

Ngược lại, nguồn tuyến tính chỉ có thể tiết kiệm năng lượng từ 50 - 60% do sử dụng các thành phần lớn và kém hiệu quả hơn.

Nhiễu tín hiệu

Mặc dù không hiệu quả, nhưng các nguồn tuyến tính bù đắp điểm yếu này thông qua đầu ra tín hiệu ổn định, sạch, ít nhiễu. Việc sử dụng nguồn tuyến tính cho các thành phần analog cho phép chúng xử lý điện một cách trơn tru và không chuyển mạch, điều này làm cho đầu ra của chúng ít bị nhiễu.

Mặt khác, việc chuyển đổi nguồn điện dựa vào việc chuyển đổi tần số cao của điện áp thấp để giảm nhiệt, có hiệu suất tốt hơn - và tạo ra nhiều tiếng ồn! Lượng nhiễu tín hiệu phụ thuộc vào thiết kế và chất lượng của nguồn cung cấp điện cho chế độ chuyển mạch cụ thể.

Kích thước và trọng lượng

Kích thước và trọng lượng của nguồn điện có thể ảnh hưởng nặng nề đến ứng dụng của nó trên các thiết bị điện tử nhỏ hơn. Vì nguồn tuyến tính sử dụng các thành phần nặng và cồng kềnh, nên việc sử dụng chúng trên các thiết bị điện tử kín là không thể, trừ khi bạn sử dụng nguồn làm bộ sạc.

Đối với nguồn chuyển mạch, vì sử dụng các thành phần nhỏ và nhẹ, chúng có thể được thiết kế đủ nhỏ để có thể tích hợp vào các thiết bị vốn đã có kích thước khiêm tốn. Trọng lượng nhẹ và kích thước nhỏ của nguồn chuyển mạch kết hợp với hiệu quả sử dụng điện là những yếu tố khiến nó có thể áp dụng cho phần lớn các thiết bị điện tử cầm tay.

Độ tin cậy và khả năng sửa chữa

Với các bộ phận ít hơn có khả năng bị hỏng trong quá trình hoạt động, nguồn tuyến tính cung cấp đầu ra ổn định và đáng tin cậy. Sự đơn giản trong thiết kế và sử dụng các linh kiện điện tử phổ biến hơn giúp mọi người dễ dàng hơn trong việc tìm nguồn cung cấp các bộ phận và sửa chữa những nguồn tuyến tính.

Với nhiều thành phần tinh vi hơn đáng kể, nguồn chuyển mạch có nhiều khả năng bị hỏng trước nguồn tuyến tính. Tuy nhiên, thiết kế tốt và sử dụng các thành phần chất lượng có thể làm cho nguồn chuyển mạch trở nên rất đáng tin cậy, thậm chí có thể đáng tin cậy như nguồn tuyến tính. Vấn đề thực sự của nguồn chuyển mạch là chúng ngày càng khó sửa chữa và thiết kế của chúng phức tạp hơn.

Hiệu quả chi phí

Trước đây, nguồn tuyến tính là thiết bị tiết kiệm chi phí hơn do thiết kế đơn giản và sử dụng ít linh kiện hơn. Nó cũng không giúp ích cho việc sản xuất các linh kiện bán dẫn đắt tiền. Tuy nhiên, với nhu cầu nhiều hơn về chất bán dẫn, các nhà sản xuất đã có thể mở rộng quy mô và làm cho các thành phần bán dẫn rẻ hơn theo cấp số nhân so với trước đây. Điều này làm cho nhiều thiết kế nguồn chuyển mạch tiết kiệm chi phí hơn so với nguồn tuyến tính.

Đó là tất cả mọi thứ bạn cần biết về nguồn tuyến tính và chuyển mạch. Để đảm bảo rằng các thiết bị điện tử của bạn được an toàn, hãy luôn sử dụng bộ sạc gốc đi kèm với thiết bị, nhưng nếu không có, bạn luôn có thể mua bộ sạc bên ngoài.

Trước khi mua, hãy nhớ rằng nguồn điện tuyến tính lý tưởng cho các thiết bị điện tử sử dụng cho những ứng dụng yêu cầu độ chính xác như nhạc cụ điện, radio và dụng cụ y tế, trong khi nguồn chuyển mạch được sử dụng cho các trường hợp yêu cầu hiệu quả cao như nguồn điện máy tính, bộ sạc và hệ thống chiếu sáng.