Ripple and Noise là gì và ảnh hưởng thế nào đến thiết bị

Nguồn: Tinh tế

Bộ chuyển đổi nguồn, hay củ sạc, mà chúng ta chúng ta thường dùng cho laptop, điện thoại, hay các thiết bị điện tử, sẽ có chức năng chính là chuyển đổi dòng điện xoay chiều AC 100V, 240V sang điện một chiều DC 5V, 9V, 12V… để đáp ứng được điện áp cho thiết bị.

Tuy nhiên, trong quá trình chuyển đổi từ dòng điện AC sóng sin đầu vào (input) sang điện DC mà về lý thuyết sẽ là một đường thẳng, sẽ xuất hiện gợn sóng (ripple) và nhiễu (noise) không mong muốn. Vì vậy, trước khi cho điện đi ra (output), sẽ phải có những bộ lọc để giảm thiểu ripple and noise. Từ đây mình sẽ viết tắt là R/N.

Trước khi đi sâu hơn vào bài viết, mình muốn lưu ý bài viết này dành cho những bạn không không chuyên về điện tử, vì vậy nội dung bài cũng cố gắng đơn giản hoá mọi thứ. Các bạn có chuyên ngành đọc có thể sẽ thấy có những chỗ không đầy đủ, mong các bạn bỏ qua hoặc bổ sung thêm dưới phần bình luận.

Ripple

Ripple là dạng gợn sóng lớn, được sinh ra trong quá trình chuyển đổi AC sang DC mà thường sẽ gặp ở hầu hết mọi thiết bị chuyển đổi nguồn, củ sạc.

Nhìn vào hình dưới, các bạn sẽ dễ hình dung hơn, điện xoay chiều sóng sin, sau khi đi qua biến áp, sẽ thành dòng điện xoay chiều với mức điện áp thấp hơn. Tiếp tục đi qua mạch chỉnh lưu, phần nửa dưới của dòng điện, sẽ được đối xứng lên trên. Và lúc này sẽ tạo ra dòng điện gợn sóng (hay cũng được gọi là Ripple). Để đạt được dòng điện DC ổn định, các nhà sản xuất sẽ phải có thêm các bộ lọc, thông thường là các tụ điện, để giúp nắn dòng điện gợn sóng hướng dần đến một đường thẳng.

Quá trình chuyển đổi dòng điện của bộ nguồn biến áp thông thường và đồ thị dòng điện tương ứng. Nguồn ảnh: ETechnoG

Nguyên lý nắn dòng thì chắc các bạn am hiểu về điện tử sẽ không xa lạ gì, tụ sẽ tích điện lúc điện áp lên cao và xả điện lúc điện áp hạ xuống. Còn với bạn nào không chuyên, cứ hình dung thay vì bạn đi xe đạp khung cứng qua con đường mấp mô sẽ rất sóc, gắn thêm lò xo giảm sóc sẽ giúp bạn đi qua đường mấp mô êm hơn.

Nắn Ripple trên dòng điện DC bằng tụ lọc. Nguồn ảnh: Nssemicon và Sunpower UK

Tất nhiên, tụ lọc càng xịn và có giá trị càng lớn, dòng điện đầu ra sẽ càng thẳng. Tuy nhiên, tụ có giá trị lớn cũng sẽ có kích cỡ lớn, và như vậy sẽ làm tăng kích cỡ của các củ sạc và bộ nguồn.

Thông thường Ripple sẽ xuất hiện ở mức tần số thấp, thường là gấp đôi tần số điện AC đầu vào. Ví dụ điện AC là 50Hz thì Ripple sẽ thường dao dộng ở tần số 100Hz. [1]

Noise

Thông thường, với những bộ chuyển đổi nguồn hay củ sạc điện thoại chúng ta sử dụng có kích thước rất nhỏ, vì vậy cũng không thể dùng những bộ biến áp thông thường được vì chúng rất to, thay vào đó, các nhà sản xuất sẽ sử dụng biến áp xung nhằm thu nhỏ bộ phận này giúp củ sạc và adapter nguồn của laptop, điện thoại có thể nhỏ gọn hơn.

Để sử dụng được biến áp xung, dòng điện sẽ phải được băm nhỏ ra thành các xung điện. Hiểu một cách đơn giản thì sẽ giống như việc bạn bật và tắt một chiếc công tắc nhưng với tốc độ rất cao, có thể lên tới 20KHz thậm chí 2MHz. Vì hoạt động ở tần số cao, nên hiệu suất của biến áp xung cao hơn biến áp thông thường mà lại vẫn có kích thước nhỏ gọn hơn.

Quá trình chuyển đổi dòng điện của bộ nguồn biến áp xung và đồ thị dòng điện tương ứng. Nguồn ảnh: ETechnoG

Tuy nhiên, mỗi khi bật – tắt điện, sẽ có hiện tượng quá áp đột ngột (trong thời gian rất ngắn) thường gọi là “Voltage Spike”, và đối với bộ nguồn, củ sạc, việc bật – tắt liên tục ở tần số cao nhằm tạo xung cũng gây ra hiện tượng quá áp đột ngột này. Và đây cũng là nguyên nhân có thể gây ra noise ở điện đầu ra.

Nguồn ảnh: Power Wiki

Ngoài ra, noise còn phát sinh từ điện cảm kí sinh của biến áp xung, nếu các cuộn dây trong biến áp không tốt, không được bọc cách ly tốt, không được ngâm tẩm tốt cũng sẽ khiến điện cảm ký sinh cao gây ra noise cao.

Các nhà sản xuất củ sạc giá rẻ có thể sẽ cắt giảm chất lượng linh kiện cũng như chất lượng hoàn thiện để tiết kiệm chi phí, sử dụng những mạch lọc giá rẻ, ngâm tẩm kém, khiến chất lượng điện đầu ra nhiều noise và không đảm bảo [3].

Tất nhiên, một củ sạc hay bộ nguồn tốt sẽ đi liền với linh kiện tốt, gia công hoàn thiện bên trong tốt, mạch lọc đầu ra tốt, đồng nghĩa với chi phí sản xuất gia tăng và cũng sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến giá thành sản phẩm.

Tác hại của Ripple and Noise

Ripple and Noise cao có thể gây ra một số tác hại như [4]:

- Nhẹ thì có thể gây loạn cảm ứng điện thoại

- Có thể làm thiết bị nóng bất thường

- Có thể ảnh hưởng đến các mạch logic gây ra các hoạt động bất thường của thiết bị

- Gây nhiễu hình ảnh, hoặc âm thanh, khiến chúng trở nên bất thường

- Có thể làm giảm tuổi thọ linh kiện điện tử.

- Nặng thậm chí có thể gây chập, cháy thiết bị

Chính vì thế, một củ sạc chất lượng tốt sẽ cho điện đầu ra ‘sạch’ và mức R/N nhỏ, điện áp thực tế sẽ gần sát với điện áp định mức, kể cả khi đang tải tối đa công suất, và công suất thực tối đa cũng sát với công suất tối đa công bố.

Đo đạc Ripple and Noise

Ripple and Noise thường đi với nhau và sẽ được đo đạc bằng điện áp đỉnh trên tới đỉnh dưới, thường được kí hiệu là Vp-p. Phương pháp đo phổ biến đó là dùng máy hiện sóng (Oscilloscope) để đo đạc, sẽ cần đảm bảo một số tiêu chí kỹ thuật. Mình sẽ không đi quá chi tiết, các bạn có thể tự tham khảo tại đây.

Hình ảnh minh hoạ về sóng R/N đo bằng máy hiện sóng và giá trị Vpp thể hiện độ lớn của R/N

Ngưỡng Ripple and Noise tốt

Đối với các nhà sản xuất có tên tuổi và uy tín, thông thường họ sẽ kiểm tra sao cho mức Ripple and Noise này nằm ở trong ngưỡng an toàn đối với thiết bị sử dụng.

Mặc dù mình chưa tìm được tài liệu chính thức nào về việc đâu là ngưỡng R/N an toàn. Nhưng một số nhà sản xuất như Intel, đưa ra khuyến cáo trong hướng dẫn thiết kế bộ chuyển đổi nguồn, R/N nên ở ngưỡng từ 1% trở xuống so với điện áp định mức. Ví dụ điện DC 12V thì R/N nên bằng hoặc nhỏ hơn 120mVpp, hay điện 5V thì R/N nên bằng hoặc nhỏ hơn 50mVpp.

Ngoài ra, sau khi tham khảo thêm một số website và diễn đàn, mình thấy dựa vào mức độ R/N có thể chấp nhận được, chúng ta có thể phân loại chất lượng bộ nguồn như sau:

- 1% hoặc nhỏ hơn: Rất tốt

- 2-3%: Tốt và khá

- 4-5%: Trung bình

- Trên 5%: Không tốt

Người dùng lựa chọn thế nào

Thực ra, đối với người dùng phổ thông, việc đo đạc R/N cũng không phải là điều dễ dàng. Tuy nhiên, các thương hiệu uy tín thường sẽ sử dụng những linh kiện tốt, quá trình nghiên cứu và thử nghiệm sản phẩm bài bản sẽ cho ra sản phẩm chất lượng. Và đương nhiên chất lượng đó sẽ cũng được phản ánh vào giá thành.

Còn đối với những sản phẩm có mức giá rẻ, thường sẽ bị cắt giảm từ chất lượng linh kiện bên trong, cho đến hoàn thiện bên ngoài, quá trình nghiên cứu và phát triển cũng có thể không đủ nhiều, vì vậy chất lượng sản phẩm sẽ không tốt, nguồn điện đầu ra cũng sẽ không sạch sẽ, R/N nhiều và đôi khi ở mức nguy hiểm.

Chưa kể đôi khi với sản phẩm giá rẻ, cũng có thể bị cắt giảm cảm biến an toàn như là cảm biến dòng điện, cảm biến nhiệt độ, hay thậm chí cả cầu chì… Những củ sạc và bộ nguồn như vậy sẽ không có những tính năng an toàn như bảo vệ quá tải, quá nhiệt, quá dòng đầu vào đầu ra…

Đối với người dùng, các bạn có thể tham khảo từ những reviewer và tester có thực hiện việc đo đạc R/N để phần nào hiểu hơn về chất lượng điện đầu ra của sản phẩm. Tuy nhiên, mình có một vài lưu ý:

- Vì mọi phép đo đều có sai số, và R/N cũng là một thông số có thể bị ảnh hưởng cả từ môi trường, vì vậy những số liệu các bạn tham khảo được, nếu không phải là từ phòng lab chuyên dụng và được cung cấp bởi tester có chuyên môn, con số đó có thể chưa hoàn toàn chính xác và chỉ mang giá trị tham khảo.

- Nếu chỉ thực hiện với số mẫu nhỏ (ví dụ như đo 1 model sạc từ 1 thương hiệu), sẽ chưa phản ánh được chất lượng của toàn bộ model đó cũng như của thương hiệu đó. Số mẫu càng lớn, tính chính xác và tính đại diện càng cao.

- Nếu chỉ thực hiện 1 vài lần trong 1 khoảng thời gian ngắn, sẽ chưa thể đánh giá được độ bền hay chất lượng sản phẩm về lâu dài. Vì có thể sau một thời gian sử dụng, linh kiện xuống cấp sẽ làm ảnh hưởng đến chất lượng điện đầu ra và có thể khiến R/N thay đổi.

Kể cả với những bài review của mình trong hiện tại và tương lai, khi đề cập đến những kết quả đo được, cũng chỉ là để các bạn tham khảo, mình không thể khẳng định được là chính xác 100% hay đại diện cho toàn bộ model và sản phẩm của thương hiệu.

Cuối cùng, các bạn có thể tham khảo danh sách những thiết bị mà mình đã kiểm tra và đo đạc cũng như review để có thể lựa chọn cho mình một sản phẩm phù hợp, mình đã tổng hợp dữ liệu đo đạc một số củ sạc có trên thị trường

Bài viết xin được kết thúc tại đây, cám ơn các bạn đã quan tâm theo dõi. Chân thành cảm ơn bạn @dhphucs và @một-người-anh-kỹ-sư-điện-tử-của-mình vì đã hỗ trợ và trao đổi để mình có thể hoàn thiện bài viết này.