Każde urządzenie elektryczne i elektroniczne, z którego korzystamy na co dzień, będzie wymagało zasilania. Generalnie używamy zasilania AC 230V 50Hz, ale moc tę należy zmienić na wymaganą formę z wymaganymi wartościami lub zakresem napięć do zasilania różnych typów urządzeń. Istnieją różne typy przetworników energoelektronicznych, takie jak przetwornica obniżająca napięcie, przetwornica podwyższająca napięcie, stabilizator napięcia, przetwornica AC na DC, przetwornica DC na DC, przetwornica DC na AC i tak dalej. Weźmy na przykład mikrokontrolery, które są często używane do tworzenia wielu plików projekty oparte na systemach wbudowanych i zestawy używane w aplikacjach czasu rzeczywistego. Te mikrokontrolery wymagają zasilania 5 V DC, więc napięcie AC 230 V należy zamienić na 5 V DC za pomocą konwertera obniżającego napięcie w ich obwodzie zasilania.

Obwód zasilania

Obwód obniżający konwerter

Obwód zasilacza, sama nazwa wskazuje, że obwód ten służy do dostarczania mocy do innych obwodów lub urządzeń elektrycznych i elektronicznych. Są różne rodzaje zasilania obwody w oparciu o moc, z której są wykorzystywane do dostarczania urządzeń. Na przykład stosowane są obwody oparte na mikrokontrolerze, zwykle obwody regulowanego zasilania 5 V DC, które można zaprojektować przy użyciu różnych technik przekształcania dostępnego napięcia 230 V AC na 5 V DC. Generalnie przetwornice z napięciem wyjściowym mniejszym niż napięcie wejściowe nazywane są przetwornikami obniżającymi.

4 kroki do konwersji 230 V AC na 5 V DC

1. Zmniejsz poziom napięcia

Przetwornice obniżające napięcie służą do zamiany wysokiego napięcia na niskie napięcie. Przetwornik z napięciem wyjściowym mniejszym niż napięcie wejściowe nazywany jest przetwornikiem obniżającym, a przetwornik z napięciem wyjściowym większym niż napięcie wejściowe nazywany jest przetwornikiem podwyższającym. Istnieją transformatory podwyższające i obniżające napięcie, które służą do podwyższania lub obniżania poziomów napięcia. 230 V AC jest zamieniane na 12 V AC za pomocą transformatora obniżającego napięcie. Wyjście 12 V transformatora obniżającego napięcie jest wartością skuteczną, a jej wartość szczytowa jest wyrażona jako iloczyn pierwiastka kwadratowego z dwóch z wartością skuteczną, która wynosi około 17 V.

Transformator obniżający

Transformator obniżający składa się z dwóch uzwojeń, a mianowicie uzwojenia pierwotnego i wtórnego, przy czym uzwojenie pierwotne można zaprojektować przy użyciu drutu o mniejszej średnicy z większą liczbą zwojów, ponieważ jest używany do przenoszenia niskiego prądu o wysokim napięciu, a uzwojenie wtórne za pomocą drut o dużej średnicy z mniejszą liczbą zwojów, ponieważ jest używany do przenoszenia niskiego napięcia o dużym natężeniu prądu. Transformatory działają na zasadzie praw indukcji elektromagnetycznej Faradaya.

2. Zamień AC na DC

Zasilanie 230 V AC jest konwertowane na 12 V AC (wartość 12 V RMS, przy czym wartość szczytowa wynosi około 17 V), ale wymagana moc to 5 V DC, moc 17 V AC musi być najpierw przekształcona na prąd stały, a następnie można ją obniżyć do 5 V DC. Ale przede wszystkim musimy wiedzieć, jak zamienić prąd zmienny na prąd stały? Zasilanie prądem przemiennym można przekształcić w prąd stały za pomocą jednego z przekształtniki energoelektroniczne nazywany prostownikiem. Istnieją różne typy prostowników, takie jak prostownik półfalowy, prostownik pełnookresowy i prostownik mostkowy. Ze względu na zalety prostownika mostkowego w stosunku do prostownika półfalowego i pełnookresowego, mostek prostowniczy jest często używany do konwersji prądu przemiennego na prąd stały.

Mostek prostowniczy

Mostek prostowniczy składa się z czterech diod połączonych mostkiem. Wiemy, że dioda jest niekontrolowanym prostownikiem, który będzie przewodził tylko w przód i nie będzie przewodził podczas odwrotnego odchylenia. Jeżeli napięcie anody diody jest większe niż napięcie katody, wówczas mówi się, że dioda jest spolaryzowana do przodu. Podczas dodatniego półcyklu diody D2 i D4 będą przewodzić, a podczas ujemnego półcyklu diody D1 i D3 będą przewodzić. Zatem prąd przemienny jest konwertowany na prąd stały tutaj, otrzymany nie jest czystym prądem stałym, ponieważ składa się z impulsów. Dlatego nazywa się to pulsującą mocą prądu stałego. Ale spadek napięcia na diodach wynosi (2 * 0,7 V) 1,4 V, dlatego szczytowe napięcie na wyjściu tego obwodu retifier wynosi ok. 15 V (17-1,4).

3. Wygładzanie fal za pomocą filtra

15 V DC można regulować do 5 V DC za pomocą konwertera obniżającego napięcie, ale wcześniej wymagane jest uzyskanie czystej mocy DC. Wyjście mostka diodowego to prąd stały składający się z tętnień nazywany również pulsującym prądem stałym. Ten pulsujący prąd stały może być filtrowany przy użyciu filtra cewki indukcyjnej lub filtra kondensatora lub filtra sprzężonego z rezystorem i kondensatorem w celu usunięcia tętnień. Rozważmy filtr kondensatora, który jest często używany w większości przypadków do wygładzania.

Filtr

Wiemy, że kondensator jest elementem magazynującym energię. W obwodzie kondensator magazynuje energię podczas gdy napięcie wejściowe wzrasta od zera do wartości szczytowej i gdy napięcie zasilania spada od wartości szczytowej do zera, kondensator zaczyna się rozładowywać. To ładowanie i rozładowywanie kondensatora spowoduje, że pulsujący prąd stały stanie się czystym prądem stałym, jak pokazano na rysunku.

4. Regulacja napięcia 12 V DC na 5 V DC za pomocą regulatora napięcia

Napięcie 15 V DC można obniżyć do 5 V DC za pomocą konwertera obniżającego napięcie DC o nazwie Regulator napięcia IC7805. Pierwsze dwie cyfry „78” regulatora napięcia IC7805 reprezentują dodatnie szeregowe regulatory napięcia, a dwie ostatnie cyfry „05” oznaczają napięcie wyjściowe regulatora napięcia.

Schemat blokowy wewnętrznego regulatora napięcia IC7805

Schemat blokowy regulatora napięcia IC7805 pokazany na rysunku składa się ze wzmacniacza operacyjnego działającego jako wzmacniacz błędu, Dioda Zenera używana do zapewnienia napięcia odniesienia , jak pokazano na rysunku.

Dioda Zenera jako odniesienie napięcia

Tranzystor jako szeregowy element przelotowy używany do rozpraszania dodatkowej energii jako ochrona cieplna SOA (Safe Operating Area) i radiator służy do ochrony termicznej w przypadku nadmiernych napięć zasilania. Ogólnie regulator IC7805 może wytrzymać napięcie w zakresie od 7,2 V do 35 V i zapewnia maksymalną wydajność napięcia 7,2 V, a jeśli napięcie przekracza 7,2 V, następuje utrata energii w postaci ciepła. Aby zabezpieczyć regulator przed przegrzaniem, zastosowano zabezpieczenie termiczne za pomocą radiatora. W ten sposób napięcie 5 V DC jest uzyskiwane z zasilania 230 V AC.

Możemy bezpośrednio przekształcić 230 V AC na 5 V DC bez użycia transformatora, ale możemy wymagać diod o wysokiej mocy i innych komponentów, które zapewniają mniejszą wydajność. Jeśli mamy zasilanie 230 V DC, to możemy zamienić 230 V DC na 5 V DC za pomocą przetwornicy buck DC-DC.

Konwerter Buck 230 V do 5 V DC-DC:

Zacznijmy od obwodu zasilacza stabilizowanego DC zaprojektowanego z wykorzystaniem przetwornika buck DC-DC. Jeżeli posiadamy zasilanie 230V DC to możemy użyć konwertera buck DC-DC do zamiany napięcia 230V DC na 5V DC. Konwerter buck DC-DC składa się z kondensatora, MOSFET, Sterowanie PWM , Diody i cewki indukcyjne. Podstawową topologię konwertera buck DC-DC przedstawiono na poniższym rysunku.

Konwerter DC na DC Buck

Spadek napięcia na cewce i zmiany prądu elektrycznego przepływającego przez urządzenie są do siebie proporcjonalne. Stąd konwerter buck działa na zasadzie energii zmagazynowanej w cewce indukcyjnej. Plik MOSFET półprzewodnikowy mocy lub IGBT używany jako element przełączający może być używany do przełączania obwodu przekształtnika buck między dwoma różnymi stanami poprzez zamykanie lub otwieranie i wyłączanie lub włączanie za pomocą elementu przełączającego. Jeśli przełącznik jest w stanie włączenia, wówczas na cewce indukcyjnej powstaje potencjał z powodu prądu rozruchowego, który przeciwstawia się napięciu zasilania, zmniejszając w ten sposób wypadkowe napięcie wyjściowe. Ponieważ dioda jest spolaryzowana odwrotnie, przez diodę nie będzie płynął żaden prąd.

Jeśli przełącznik jest otwarty, wówczas prąd płynący przez cewkę przerywa się nagle i dioda zaczyna przewodzić, w ten sposób zapewniona jest ścieżka powrotna do prądu cewki indukcyjnej. Spadek napięcia na zasilanej cewce indukcyjnej ulega odwróceniu, co można uznać za główne źródło mocy wyjściowej podczas tego cyklu przełączania, a jest to spowodowane szybką zmianą przepływu prądu. Zmagazynowana energia cewki indukcyjnej jest stale dostarczana do obciążenia, a zatem prąd cewki zacznie spadać, aż prąd wzrośnie do poprzedniej wartości lub następnego stanu włączenia. Kontynuacja dostarczania energii do obciążenia prowadzi do spadku prądu cewki indukcyjnej, aż prąd wzrośnie do poprzedniej wartości. Zjawisko to nazywane jest tętnieniem wyjściowym, które można zredukować do akceptowalnej wartości za pomocą kondensatora wygładzającego równolegle z wyjściem. A zatem, Konwerter DC-DC działa jako konwerter obniżający.

“Moc 2-fazowa a 3-fazowa ”

Konwerter obniżający napięcie DC na DC wykorzystujący PWM Cotrol

Rysunek przedstawia zasadę działania konwertera obniżającego napięcie DC na DC, sterowanego za pomocą oscylatora PWM do przełączania wysokiej częstotliwości, a sprzężenie zwrotne jest połączone ze wzmacniaczem błędu.

Cały system wbudowany oparty projekty elektroniczne wymagają stałego lub regulowanego regulatora napięcia, który służy do zapewnienia wymaganego zasilania obwodów elektrycznych i elektronicznych lub zestawów. Istnieje wiele zaawansowanych automatycznych regulatorów napięcia zdolnych do automatycznej regulacji napięcia wyjściowego w oparciu o kryteria zastosowania. Aby uzyskać więcej pomocy technicznej dotyczącej obwodu zasilania i konwertera obniżającego napięcie, zamieść swoje pytania jako komentarze w sekcji komentarzy poniżej.