Ogni dispositivo elettrico ed elettronico che usiamo nella nostra vita quotidiana richiederà un alimentatore. In generale, utilizziamo un'alimentazione CA di 230 V 50 Hz, ma questa potenza deve essere modificata nella forma richiesta con i valori o l'intervallo di tensione richiesti per fornire alimentazione a diversi tipi di dispositivi. Esistono vari tipi di convertitori elettronici di potenza come convertitore step-down, convertitore step-up, stabilizzatore di tensione, convertitore da CA a CC, convertitore da CC a CC, convertitore da CC a CA e così via. Ad esempio, considera i microcontrollori che vengono utilizzati frequentemente per lo sviluppo di molti progetti basati su sistemi embedded e kit utilizzati in applicazioni in tempo reale. Questi microcontrollori richiedono un'alimentazione a 5 V CC, quindi la CA 230 V deve essere convertita in 5 V CC utilizzando il convertitore step-down nel loro circuito di alimentazione.
Circuito di alimentazione
Circuito convertitore step-down
Circuito di alimentazione, il nome stesso indica che questo circuito viene utilizzato per fornire l'alimentazione ad altri circuiti o dispositivi elettrici ed elettronici. Ce ne sono di diversi tipi di alimentazione circuiti in base alla potenza che vengono utilizzati per fornire ai dispositivi. Ad esempio, vengono utilizzati i circuiti basati su microcontrollore, di solito i circuiti di alimentazione regolata a 5 V CC, che possono essere progettati utilizzando diverse tecniche per convertire l'alimentazione a 230 V CA disponibile in 5 V CC. Generalmente i convertitori con tensione di uscita inferiore alla tensione di ingresso sono chiamati convertitori step-down.
4 passaggi per convertire 230 V CA in 5 V CC
1. Abbassare il livello di tensione
I convertitori step-down vengono utilizzati per convertire l'alta tensione in bassa tensione. Il convertitore con una tensione di uscita inferiore alla tensione di ingresso viene chiamato convertitore step-down e il convertitore con tensione di uscita maggiore della tensione di ingresso è chiamato convertitore step-up. Ci sono trasformatori step-up e step-down che vengono utilizzati per aumentare o diminuire i livelli di tensione. 230V AC viene convertito in 12V AC utilizzando un trasformatore step-down. L'uscita 12V del trasformatore stepdown è un valore RMS e il suo valore di picco è dato dal prodotto della radice quadrata di due con il valore RMS, che è di circa 17V.
Trasformatore step-down
Il trasformatore step-down è costituito da due avvolgimenti, vale a dire avvolgimento primario e secondario in cui il primario può essere progettato utilizzando un filo di diametro inferiore con un numero di spire maggiore poiché viene utilizzato per trasportare energia ad alta tensione a bassa corrente e l'avvolgimento secondario utilizzando un filo ad alto spessore con un numero di spire inferiore poiché viene utilizzato per il trasporto di corrente ad alta corrente a bassa tensione. Transformers funziona secondo il principio delle leggi di Faraday sull'induzione elettromagnetica.
2. Converti AC in DC
L'alimentazione a 230 V CA viene convertita in 12 V CA (valore 12V RMS in cui il valore di picco è di circa 17 V), ma la potenza richiesta è di 5 V CC per questo scopo, l'alimentazione a 17 V CA deve essere convertita principalmente in alimentazione CC, quindi può essere ridotta al 5 V CC. Ma prima di tutto, dobbiamo sapere come convertire AC in DC? L'alimentazione CA può essere convertita in CC utilizzando uno dei convertitori elettronici di potenza chiamato come Rectifier. Esistono diversi tipi di raddrizzatori, come il raddrizzatore a semionda, il raddrizzatore a onda intera e il raddrizzatore a ponte. A causa dei vantaggi del raddrizzatore a ponte rispetto al raddrizzatore a mezza e piena onda, il raddrizzatore a ponte viene spesso utilizzato per convertire CA in CC.
Raddrizzatore a ponte
Raddrizzatore a ponte consiste di quattro diodi che sono collegati nella forma di un ponte. Sappiamo che il diodo è un raddrizzatore incontrollato che condurrà solo polarizzazione diretta e non condurrà durante la polarizzazione inversa. Se la tensione dell'anodo del diodo è maggiore della tensione del catodo, si dice che il diodo sia in polarizzazione diretta. Durante il semiciclo positivo, i diodi D2 e D4 condurranno e durante il semiciclo negativo i diodi D1 e D3 condurranno. Quindi, AC viene convertito in DC qui il risultato non è un DC puro in quanto consiste di impulsi. Quindi, è chiamato come potenza CC pulsante. Ma la caduta di tensione attraverso i diodi è (2 * 0,7 V) 1,4 V, pertanto la tensione di picco all'uscita di questo circuito retificatore è di 15 V (17-1,4) circa.
3. Levigare le increspature utilizzando il filtro
15 V CC può essere regolato in 5 V CC utilizzando un convertitore step-down, ma prima è necessario ottenere l'alimentazione CC pura. L'uscita del ponte a diodi è una CC costituita da increspature chiamate anche CC pulsanti. Questa CC pulsante può essere filtrata utilizzando un filtro induttore o un filtro condensatore o un filtro accoppiato resistore-condensatore per rimuovere le ondulazioni. Considera un filtro del condensatore che viene spesso utilizzato nella maggior parte dei casi per il livellamento.
Filtro
Sappiamo che un condensatore è un elemento che immagazzina energia. Nel circuito, il condensatore immagazzina energia mentre l'ingresso aumenta da zero a un valore di picco e, mentre la tensione di alimentazione scende dal valore di picco a zero, il condensatore inizia a scaricarsi. Questa carica e scarica del condensatore trasformerà la CC pulsante in CC pura, come mostrato in figura.
4. Regolazione di 12V DC in 5V DC utilizzando il regolatore di tensione
La tensione di 15 V CC può essere ridotta a 5 V CC utilizzando un convertitore step-down CC chiamato come regolatore di tensione IC7805. Le prime due cifre '78' del regolatore di tensione IC7805 rappresentano i regolatori di tensione in serie positiva e le ultime due cifre '05' rappresentano la tensione di uscita del regolatore di tensione.
Schema a blocchi interno del regolatore di tensione IC7805
Lo schema a blocchi del regolatore di tensione IC7805 è mostrato in figura è costituito da un amplificatore operante che funge da amplificatore di errore, diodo zener utilizzato per fornire il riferimento di tensione , come mostrato in figura.
Diodo Zener come riferimento di tensione
Transistor come elemento di passaggio in serie utilizzato per dissipare energia extra come protezione SOA dal calore (area operativa sicura) e dissipatore di calore sono utilizzati per la protezione termica in caso di tensioni di alimentazione eccessive. In generale, un regolatore IC7805 può resistere a tensioni comprese tra 7,2 V e 35 V e offre la massima efficienza di tensione 7,2 V e se la tensione supera 7,2 V, si verifica una perdita di energia sotto forma di calore. Per proteggere il regolatore dal surriscaldamento, viene fornita una protezione termica mediante un dissipatore di calore. Pertanto, si ottiene una tensione di 5 V CC da 230 V CA.
Possiamo convertire direttamente 230 V CA in 5 V CC senza utilizzare il trasformatore, ma potremmo richiedere diodi di alta qualità e altri componenti che offrono meno efficienza. Se disponiamo di alimentazione a 230 V CC, possiamo convertire i 230 V CC in 5 V CC utilizzando un convertitore buck CC-CC.
Convertitore buck CC-CC da 230 V a 5 V:
Cominciamo con il circuito di alimentazione regolato CC progettato utilizzando un convertitore buck CC-CC. Se disponiamo di alimentazione a 230 V CC, possiamo utilizzare un convertitore buck CC-CC per convertire l'alimentazione da 230 V CC in 5 V CC. Il convertitore buck DC-DC è costituito da condensatore, MOSFET, Controllo PWM , Diodi e induttori. La topologia di base di un convertitore buck DC-DC è mostrata nella figura seguente.
Convertitore buck da DC a DC
La caduta di tensione sull'induttore e le variazioni della corrente elettrica che scorre attraverso il dispositivo sono proporzionali tra loro. Quindi, il convertitore buck funziona secondo il principio dell'energia immagazzinata in un induttore. Il MOSFET a semiconduttore di potenza o IGBT utilizzato come elemento di commutazione può essere utilizzato per alternare il circuito del convertitore buck tra due stati diversi chiudendo o aprendo e spegnendo o accendendo utilizzando l'elemento di commutazione. Se l'interruttore è in stato ON, viene creato un potenziale attraverso l'induttore a causa della corrente di spunto che si opporrà alla tensione di alimentazione, riducendo così la tensione di uscita risultante. Poiché il diodo è polarizzato inversamente, nessuna corrente fluirà attraverso il diodo.
Se l'interruttore è aperto, la corrente attraverso l'induttore si interrompe improvvisamente e il diodo inizia la conduzione, quindi viene fornito un percorso di ritorno alla corrente dell'induttore. La caduta di tensione attraverso l'induttore eccitato viene invertita, il che può essere considerato come fonte primaria di potenza di uscita durante questo ciclo di commutazione e ciò è dovuto a questo rapido cambiamento nel flusso di corrente. L'energia immagazzinata dell'induttore viene continuamente erogata al carico e quindi la corrente dell'induttore inizierà a diminuire fino a quando la corrente non sale al suo valore precedente o allo stato successivo. La continuazione dell'erogazione di energia al carico porta a una diminuzione della corrente dell'induttore fino a quando la corrente non sale al valore precedente. Questo fenomeno è chiamato ondulazione di uscita che può essere ridotta a un valore accettabile utilizzando un condensatore di livellamento in parallelo con l'uscita. Quindi, Convertitore DC-DC funge da convertitore step-down.
Convertitore step-down da CC a CC utilizzando PWM Cotrol
La figura mostra il principio di funzionamento del convertitore step-down da CC a CC controllato utilizzando un oscillatore PWM per la commutazione ad alta frequenza e un feedback è collegato a un amplificatore di errore.
Tutto il sistema embedded basato progetti di elettronica richiedono un regolatore di tensione fisso o regolabile che viene utilizzato per fornire l'alimentazione richiesta ai circuiti o kit elettrici ed elettronici. Esistono molti regolatori di tensione automatici avanzati in grado di regolare automaticamente la tensione di uscita in base ai criteri di applicazione. Per ulteriore assistenza tecnica relativa al circuito di alimentazione e al convertitore step-down, inviare le domande come commenti nella sezione dei commenti di seguito.
