Nguồn Linear (Linear Regulator / Linear Power Supply)
Nguyên lý hoạt động
Biến áp hạ áp → chỉnh lưu → transistor điều chỉnh (hoạt động vùng active/tuyến tính) → điện áp ra ổn định. Transistor điều chỉnh tiêu thụ điện năng dư thừa dưới dạng nhiệt.
Tổn thất nhiệt: P_loss = (V_in − V_out) × I_out. Ví dụ: V_in=15V, V_out=5V, I=1A → P_loss = 10W tỏa nhiệt trên transistor. Hiệu suất = 5/15 = 33%.
Ưu điểm nguồn linear
- Ripple rất thấp: Nhiễu điện áp ra <1mV — tốt nhất trong các loại nguồn. Không tạo nhiễu EMI/switching.
- Phản hồi nhanh: Thời gian phục hồi điện áp khi tải thay đổi đột ngột rất ngắn.
- Đơn giản, tin cậy: Ít linh kiện, không có transistor switching, ít hỏng hơn.
- Không nhiễu tần số cao: Thích hợp cho thiết bị đo lường, audio, RF.
Nhược điểm nguồn linear
- Hiệu suất thấp: 30-60% tùy tỷ lệ V_in/V_out.
- Kích thước lớn: Cần biến áp lõi sắt 50Hz to nặng.
- Tỏa nhiệt nhiều: Cần heat sink lớn cho transistor điều chỉnh.
IC nguồn linear phổ biến
- LM7805 (5V/1A), LM7812 (12V/1A), LM7824 (24V/1A) — họ 78xx.
- LM317 (1.25-37V điều chỉnh được, 1.5A).
- LDO (Low Dropout): AMS1117, LT1763 — sụt áp nhỏ hơn (<0.5V so với ~2-3V của 78xx).
Nguồn Switching (Switch-Mode Power Supply — SMPS)
Nguyên lý hoạt động
SMPS chuyển đổi điện áp bằng cách đóng cắt (switching) transistor tần số cao (50kHz-2MHz), tạo xung điện áp, sau đó lọc bằng cuộn cảm và tụ điện để ra điện áp DC ổn định. Transistor hoạt động ở 2 trạng thái (ON/OFF), không tiêu thụ năng lượng đáng kể khi chuyển mạch — đây là lý do hiệu suất cao.
Các topology SMPS phổ biến
- Buck (Step-down): Hạ áp DC-DC. V_out < V_in. Ví dụ: 12V → 5V. Phổ biến nhất.
- Boost (Step-up): Tăng áp DC-DC. V_out > V_in. Ví dụ: 3.7V pin → 5V USB.
- Flyback: Cách ly galvanic, đa ngõ ra. Dùng trong nguồn adapter.
- Full bridge: Công suất lớn >500W, nguồn máy tính, UPS.
Ưu điểm SMPS
- Hiệu suất cao: 80-95%, giảm nhiệt tỏa ra, tiết kiệm điện.
- Nhỏ gọn: Biến áp tần số cao nhỏ hơn biến áp 50Hz cùng công suất hàng chục lần.
- Điện áp vào rộng: Nhiều SMPS chấp nhận 85-265VAC (universal input).
Nhược điểm SMPS
- Nhiễu EMI: Tạo nhiễu điện từ ở tần số switching và harmonics. Cần lọc EMI đầu vào và ra.
- Ripple cao hơn linear: Ripple 20-200mV (so với <1mV của linear).
- Phức tạp hơn: Nhiều linh kiện, hỏng hóc đa dạng hơn.
Bảng so sánh
| Tiêu chí | Nguồn Linear | Nguồn Switching (SMPS) |
|---|---|---|
| Hiệu suất | 30-60% | 80-95% |
| Kích thước | To, nặng | Nhỏ, nhẹ |
| Ripple điện áp ra | <1mV | 20-200mV |
| Nhiễu EMI | Không | Có (cần lọc) |
| Chi phí ở công suất thấp (<20W) | Rẻ hơn | Đắt hơn |
| Chi phí ở công suất cao (>50W) | Đắt hơn | Rẻ hơn |
| Ứng dụng | Lab, audio, RF, precision | Hầu hết thiết bị hiện đại |