Tots els dispositius elèctrics i electrònics que fem servir en el nostre dia a dia necessitaran una font d’alimentació. En general, fem servir un subministrament de CA de 230V 50Hz, però s’ha de canviar aquesta potència pel format requerit amb els valors o el rang de voltatge requerits per subministrar alimentació a diferents tipus de dispositius. Hi ha diversos tipus de convertidors electrònics de potència, com ara convertidors reductors, convertidors intensificadors, estabilitzadors de tensió, convertidors de CA a CC, convertidors de CC a CC, convertidors de CC a CA, etc. Per exemple, considerem els microcontroladors que s’utilitzen amb freqüència per desenvolupar-ne molts projectes basats en sistemes incrustats i kits utilitzats en aplicacions en temps real. Aquests microcontroladors requereixen un subministrament de 5 V CC, de manera que cal convertir el CA 230 V en 5 V CC mitjançant el convertidor de baixada del circuit d’alimentació.
Circuit d'alimentació
Circuit del convertidor Step Down
Circuit d’alimentació, el seu propi nom indica que aquest circuit s’utilitza per subministrar l’energia a altres circuits o dispositius elèctrics i electrònics. N’hi ha de diferents tipus d'alimentació circuits basats en la potència que s’utilitza per proporcionar als dispositius. Per exemple, s’utilitzen circuits basats en microcontroladors, generalment els circuits de font d’alimentació regulats a 5V CC, que es poden dissenyar utilitzant diferents tècniques per convertir la potència de 230V CA disponible a 5V DC. Generalment, els convertidors amb una tensió de sortida inferior a la tensió d’entrada s’anomenen convertidors reduïts.
4 passos per convertir 230V CA a 5V DC
1. Baixeu el nivell de tensió
Els convertidors reduïts s’utilitzen per convertir l’alta tensió en baixa tensió. El convertidor amb un voltatge de sortida inferior al voltatge d’entrada s’anomena convertidor descendent i el convertidor amb un voltatge de sortida superior al voltatge d’entrada s’anomena convertidor incremental. Hi ha transformadors step-up i step-down que s’utilitzen per augmentar o reduir els nivells de tensió. 230V CA es converteix en 12V CA mitjançant un transformador reductor. La sortida de 12 V del transformador stepdown és un valor RMS i el seu valor màxim ve donat pel producte d’arrel quadrada de dos amb un valor RMS, que és aproximadament de 17V.
Transformador descendent
El transformador de baixada consisteix en dos bobinats, és a dir, bobinatges primaris i secundaris on el primari es pot dissenyar mitjançant un cable de menys calibre amb més nombre de voltes, ja que s’utilitza per transportar potència d’alta tensió de baix corrent i el bobinatge secundari mitjançant un cable de gran calibre amb menys nombre de voltes, ja que s’utilitza per transportar energia de baixa tensió d’alta intensitat. Transformers funciona segons el principi de les lleis d’inducció electromagnètica de Faraday.
2. Convertiu CA a CC
La potència de 230 V CA es converteix en 12 V CA (valor de 12 V RMS en què el valor màxim és d’uns 17 V), però la potència necessària és de 5 V CC per a aquest propòsit, la potència de 17 V CA s’ha de convertir principalment en alimentació de CC i, a continuació, es pot reduir a la 5V CC. Però, en primer lloc, hem de saber convertir AC a CC? La potència de corrent altern es pot convertir en corrent continu mitjançant un dels convertidors electrònics de potència anomenat com a rectificador. Hi ha diferents tipus de rectificadors, com el rectificador de mitja ona, el rectificador d’ona completa i el rectificador pont. A causa dels avantatges del rectificador de pont sobre el rectificador de mitja i d’ona completa, el rectificador de pont s’utilitza freqüentment per convertir CA a CC.
Rectificador de ponts
Rectificador de pont consta de quatre díodes connectats en forma de pont. Sabem que el díode és un rectificador incontrolat que només conduirà el biaix cap endavant i no es durà a terme durant el biaix invers. Si la tensió de l'ànode del díode és superior a la tensió del càtode, es diu que el díode està en biaix cap endavant. Durant el mig cicle positiu, els díodes D2 i D4 conduiran i durant el mig cicle negatiu els díodes D1 i D3. Per tant, AC es converteix en CC aquí, l'obtingut no és un CC pur, ja que consisteix en impulsos. Per tant, s’anomena potència continuada pulsant. Però la caiguda de tensió a través dels díodes és de (2 * 0,7 V) 1,4 V per tant, la tensió màxima a la sortida d’aquest circuit retificador és de 15 V (17-1,4) aprox.
3. Suavitzeu les ondulacions mitjançant el filtre
El 15V DC es pot regular en 5V DC mitjançant un convertidor reductor, però abans d’això es requereix obtenir una potència CC pura. La sortida del pont de díodes és una CC que consisteix en ondulacions també anomenades CC polsant. Aquest CC pulsant es pot filtrar mitjançant un filtre inductor o un condensador o un filtre acoblat resistència-condensador per eliminar les ondulacions. Penseu en un filtre de condensadors que s'utilitza amb freqüència en la majoria dels casos per suavitzar.
Filtre
Sabem que un condensador és un element d’emmagatzematge d’energia. Al circuit, el condensador emmagatzema energia mentre l’entrada augmenta de zero a un valor màxim i, mentre la tensió d’alimentació disminueix del valor màxim a zero, el condensador comença a descarregar-se. Aquesta càrrega i descàrrega del condensador convertirà el CC pulsat en CC pur, tal com es mostra a la figura.
4. Regulació de 12V CC a 5V CC mitjançant regulador de voltatge
La tensió de 15 V CC es pot reduir a 5 V CC mitjançant un convertidor de baixa intensitat de CC anomenat as regulador de voltatge IC7805. Els dos primers dígits ‘78’ del regulador de voltatge IC7805 representen reguladors de tensió en sèrie positius i els dos darrers dígits ‘05’ representen la tensió de sortida del regulador de voltatge.
Diagrama de blocs intern del regulador de tensió IC7805
El diagrama de blocs del regulador de voltatge IC7805 es mostra a la figura que consisteix en un amplificador operatiu que actua com a amplificador d’error, díode zener utilitzat per proporcionar referència de tensió , tal com es mostra a la figura.
Diodo Zener com a referència de tensió
Transistor com a element de pas de sèrie que s'utilitza per dissipar energia addicional com a protecció SOA contra la calor (àrea operativa segura) i els dissipadors de calor s’utilitzen per a la protecció tèrmica en cas de tensions d’alimentació excessives. En general, un regulador IC7805 pot suportar tensions que oscil·len entre 7,2 V i 35 V i proporciona una eficiència màxima de 7,2 V de tensió i, si la tensió supera els 7,2 V, hi ha pèrdua d’energia en forma de calor. Per protegir el regulador de l'excés de calor, es proporciona protecció tèrmica mitjançant un dissipador de calor. Així, s’obté un corrent continu de 5 V a partir d’una alimentació de 230 V CA.
Podem convertir directament 230 V CA en 5 V CC sense utilitzar transformador, però és possible que necessitem díodes d’alt nivell i altres components que tinguin menys eficiència. Si tenim una font d'alimentació de 230 V CC, podem convertir el 230 V CC en 5 V CC mitjançant un convertidor de corrent continu CC-DC.
Convertidor de dòlars DC-DC de 230v a 5v:
Comencem amb el circuit d'alimentació regulat en CC dissenyat mitjançant un convertidor de corrent continu CC-DC. Si tenim una font d’alimentació de 230 V CC, podem utilitzar un convertidor de corrent continu CC-CC per convertir el 230 V CC en una font d’alimentació de 5 V CC. El convertidor de dòlars CC-CC consta de condensador, MOSFET, Control PWM , Díodes i inductors. La topologia bàsica d’un convertidor de dòlars CC-CC es mostra a la figura següent.
Convertidor de CC a CC
La caiguda de tensió a través de l’inductor i els canvis de corrent elèctric que circulen pel dispositiu són proporcionals entre si. Per tant, el convertidor de dòlars funciona segons el principi d’energia emmagatzemada en un inductor. El potència semiconductor MOSFET o IGBT utilitzat com a element de commutació es pot utilitzar per alternar el circuit convertidor de buck entre dos estats diferents tancant o obrint i apagant o activant l'element de commutació. Si l'interruptor està en estat, es crea un potencial a través de l'inductor a causa del corrent de pujada que s'oposarà a la tensió d'alimentació, reduint així la tensió de sortida resultant. Com que el díode està esbiaixat inversament, no correrà cap corrent a través del díode.
Si l'interruptor està obert, el corrent a través de l'inductor s'interromp sobtadament i el díode comença a conduir, de manera que es proporciona un camí de retorn al corrent de l'inductor. La caiguda de tensió a través de l’inductor energitzat s’inverteix, cosa que es pot considerar com a font principal de potència de sortida durant aquest cicle de commutació i això es deu al ràpid canvi d’aquest flux de corrent. L’energia emmagatzemada de l’inductor es lliura contínuament a la càrrega i, per tant, el corrent d’inductor començarà a baixar fins que el corrent pugi al seu valor anterior o al següent estat. La continuació del subministrament d’energia a la càrrega condueix a una caiguda del corrent d’inductor fins que el corrent puja al seu valor anterior. Aquest fenomen es denomina ondulació de sortida que es pot reduir a un valor acceptable mitjançant un condensador de suavització en paral·lel a la sortida. Així, Convertidor CC-CC actua com a convertidor progressiu.
Convertidor pas a pas de CC a CC mitjançant PWM Cotrol
La figura mostra el principi de funcionament del convertidor descendent de CC a CC controlat mitjançant un oscil·lador PWM per a la commutació d’alta freqüència i es connecta un feedback amb un amplificador d’error.
Tot el sistema incrustat basat projectes electrònics requereixen un regulador de tensió fix o regulable que s’utilitzi per proporcionar el subministrament necessari als circuits o kits elèctrics i electrònics. Hi ha molts reguladors automàtics de tensió avançats capaços d’ajustar la tensió de sortida automàticament segons els criteris d’aplicació. Per obtenir més ajuda tècnica sobre el circuit de subministrament elèctric i el convertidor de baixa, envieu les vostres consultes com a comentaris a la secció de comentaris següent.
