Κάθε ηλεκτρική και ηλεκτρονική συσκευή που χρησιμοποιούμε στην καθημερινή μας ζωή θα απαιτεί τροφοδοσία. Γενικά, χρησιμοποιούμε τροφοδοσία AC 230V 50Hz, αλλά αυτή η ισχύς πρέπει να αλλάξει στην απαιτούμενη μορφή με τις απαιτούμενες τιμές ή το εύρος τάσης για την παροχή τροφοδοσίας σε διαφορετικούς τύπους συσκευών. Υπάρχουν διάφοροι τύποι ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος, όπως μετατροπέας step-down, step-up converter, voltage stabilizer, AC to DC converter, DC to DC converter, DC to AC converter, και ούτω καθεξής. Για παράδειγμα, σκεφτείτε τους μικροελεγκτές που χρησιμοποιούνται συχνά για την ανάπτυξη πολλών έργα με βάση ενσωματωμένα συστήματα και κιτ που χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές σε πραγματικό χρόνο. Αυτοί οι μικροελεγκτές απαιτούν τροφοδοσία 5V DC, οπότε το AC 230V πρέπει να μετατραπεί σε 5V DC χρησιμοποιώντας τον μετατροπέα step-down στο κύκλωμα τροφοδοσίας τους.
Κύκλωμα τροφοδοσίας
Κύκλωμα μετατροπέα Step Down
Κύκλωμα τροφοδοσίας, το ίδιο το όνομα δείχνει ότι αυτό το κύκλωμα χρησιμοποιείται για την παροχή ισχύος σε άλλα ηλεκτρικά και ηλεκτρονικά κυκλώματα ή συσκευές. Υπάρχουν διαφορετικά τύποι τροφοδοσίας κυκλώματα με βάση την ισχύ που χρησιμοποιούνται για την παροχή συσκευών. Για παράδειγμα, χρησιμοποιούνται κυκλώματα μικροελεγκτή, συνήθως κυκλώματα τροφοδοσίας 5V DC, τα οποία μπορούν να σχεδιαστούν χρησιμοποιώντας διαφορετικές τεχνικές για τη μετατροπή της διαθέσιμης ισχύος 230V AC σε ισχύ 5V DC. Γενικά οι μετατροπείς με τάση εξόδου μικρότερη από την τάση εισόδου καλούνται ως μετατροπείς step-down.
4 βήματα για τη μετατροπή 230V AC σε 5V DC
1. Κατεβάστε το επίπεδο τάσης
Οι μετατροπείς step-down χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή της υψηλής τάσης σε χαμηλή τάση. Ο μετατροπέας με τάση εξόδου μικρότερη από την τάση εισόδου καλείται ως μετατροπέας σταδιακής μετάβασης και ο μετατροπέας με τάση εξόδου μεγαλύτερη από την τάση εισόδου καλείται ως μετατροπέας αύξησης. Υπάρχουν μετασχηματιστές step-up και step-down που χρησιμοποιούνται για να ανεβαίνουν ή να κατεβαίνουν τα επίπεδα τάσης. Το 230V AC μετατρέπεται σε 12V AC χρησιμοποιώντας μετασχηματιστή step-down. Η έξοδος 12V του μετασχηματιστή stepdown είναι μια τιμή RMS και η μέγιστη τιμή του δίνεται από το προϊόν τετραγωνικής ρίζας δύο με τιμή RMS, η οποία είναι περίπου 17V.
Μετασχηματιστής προς τα κάτω
Ο μετασχηματιστής Step-down αποτελείται από δύο περιελίξεις, δηλαδή τις πρωτεύουσες και τις δευτερεύουσες περιελίξεις, όπου ο πρωτεύων μπορεί να σχεδιαστεί χρησιμοποιώντας ένα καλώδιο με μικρότερο εύρος με μεγαλύτερο αριθμό στροφών, καθώς χρησιμοποιείται για τη μεταφορά ισχύος υψηλής τάσης χαμηλού ρεύματος και της δευτερεύουσας περιέλιξης με τη χρήση ενός καλώδιο υψηλής διαμέτρου με μικρότερο αριθμό στροφών, καθώς χρησιμοποιείται για τη μεταφορά υψηλής τάσης χαμηλής τάσης. Οι μετασχηματιστές βασίζονται στην αρχή των νόμων της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής του Faraday.
2. Μετατροπή AC σε DC
Η ισχύς 230V AC μετατρέπεται σε 12V AC (τιμή 12V RMS όπου η τιμή αιχμής είναι περίπου 17V), αλλά η απαιτούμενη ισχύς είναι 5V DC για το σκοπό αυτό, η ισχύς 17V AC πρέπει να μετατραπεί πρωτίστως σε ισχύ DC και στη συνέχεια μπορεί να μετακινηθεί προς τα κάτω 5V DC. Αλλά πρώτα απ 'όλα, πρέπει να ξέρουμε πώς να μετατρέψουμε AC σε DC; Η ισχύς AC μπορεί να μετατραπεί σε DC χρησιμοποιώντας ένα από τα ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος αποκαλείται ανορθωτής. Υπάρχουν διάφοροι τύποι ανορθωτών, όπως ανορθωτής μισού κύματος, ανορθωτής πλήρους κύματος και ανορθωτής γέφυρας. Λόγω των πλεονεκτημάτων του ανορθωτή γέφυρας έναντι του ανορθωτή μισού και πλήρους κύματος, ο ανορθωτής γέφυρας χρησιμοποιείται συχνά για τη μετατροπή AC σε DC.
Ανορθωτής Bridge
Ανορθωτής γέφυρας αποτελείται από τέσσερις διόδους που συνδέονται με τη μορφή γέφυρας. Γνωρίζουμε ότι η δίοδος είναι ένας ανεξέλεγκτος ανορθωτής που θα διεξάγει μόνο μεροληψία προς τα εμπρός και δεν θα συμπεριφέρεται κατά την αντίστροφη μεροληψία. Εάν η τάση ανόδου της διόδου είναι μεγαλύτερη από την τάση καθόδου, τότε η δίοδος λέγεται ότι είναι προς τα εμπρός πόλωση. Κατά τη διάρκεια του θετικού μισού κύκλου, οι δίοδοι D2 και D4 θα διεξαχθούν και κατά τη διάρκεια του αρνητικού μισού κύκλου οι δίοδοι D1 και D3 θα διεξαχθούν. Έτσι, το AC μετατρέπεται σε DC εδώ, το λαμβανόμενο δεν είναι καθαρό DC καθώς αποτελείται από παλμούς. Ως εκ τούτου, ονομάζεται παλλόμενη ισχύς DC. Ωστόσο, η πτώση τάσης στις διόδους είναι (2 * 0,7V) 1,4V, επομένως, η μέγιστη τάση στην έξοδο αυτού του κυκλώματος συγκράτησης είναι περίπου 15V (17-1.4).
3. Λείανση των κυματισμών χρησιμοποιώντας φίλτρο
Το 15V DC μπορεί να ρυθμιστεί σε 5V DC χρησιμοποιώντας έναν μετατροπέα βήμα προς τα κάτω, αλλά πριν από αυτό, απαιτείται να αποκτήσετε καθαρή ισχύ DC. Η έξοδος της γέφυρας διόδων είναι ένα DC που αποτελείται από κυματισμούς που ονομάζονται επίσης παλλόμενο DC. Αυτό το παλμικό DC μπορεί να φιλτραριστεί χρησιμοποιώντας ένα φίλτρο επαγωγής ή ένα φίλτρο πυκνωτή ή ένα φίλτρο συζευγμένο με αντίσταση-πυκνωτή για την αφαίρεση των κυματισμών. Σκεφτείτε ένα φίλτρο πυκνωτή που χρησιμοποιείται συχνά στις περισσότερες περιπτώσεις για εξομάλυνση.
Φίλτρο
Γνωρίζουμε ότι ένας πυκνωτής είναι ένα στοιχείο αποθήκευσης ενέργειας. Στο κύκλωμα, ο πυκνωτής αποθηκεύει ενέργεια ενώ η είσοδος αυξάνεται από μηδέν σε τιμή αιχμής και, ενώ η τάση τροφοδοσίας μειώνεται από την τιμή αιχμής σε μηδέν, ο πυκνωτής αρχίζει να αποφορτίζει. Αυτή η φόρτιση και εκφόρτιση του πυκνωτή θα κάνει το παλλόμενο DC σε καθαρό DC, όπως φαίνεται στο σχήμα.
4. Ρύθμιση 12V DC σε 5V DC χρησιμοποιώντας Voltage Regulator
Η τάση DC 15V μπορεί να μειωθεί σε τάση DC 5V χρησιμοποιώντας έναν μετατροπέα DC προς τα κάτω που ονομάζεται ρυθμιστής τάσης IC7805. Τα δύο πρώτα ψηφία «78» του ρυθμιστή τάσης IC7805 αντιπροσωπεύουν τους ρυθμιστές τάσης θετικής σειράς και τα δύο τελευταία ψηφία «05» αντιπροσωπεύουν την τάση εξόδου του ρυθμιστή τάσης.
IC7805 Διάγραμμα εσωτερικού μπλοκ ρυθμιστή τάσης
Το μπλοκ διάγραμμα του ρυθμιστή τάσης IC7805 φαίνεται στο σχήμα που αποτελείται από έναν λειτουργικό ενισχυτή που ενεργεί ως ενισχυτής σφάλματος, δίοδος zener που χρησιμοποιείται για την παροχή αναφοράς τάσης , όπως φαίνεται στο σχήμα.
Δίοδος Zener ως αναφορά τάσης
Τρανζίστορ ως στοιχείο σειράς που χρησιμοποιείται για τη διάθεση επιπλέον ενέργειας ως θερμική προστασία SOA (Safe Operating Area) και Η ψύκτρα χρησιμοποιείται για θερμική προστασία σε περίπτωση υπερβολικής τάσης τροφοδοσίας. Γενικά, ένας ρυθμιστής IC7805 μπορεί να αντέξει τάση που κυμαίνεται από 7.2V έως 35V και δίνει μέγιστη απόδοση τάσης 7.2V και εάν η τάση υπερβαίνει τα 7,2V, τότε υπάρχει απώλεια ενέργειας με τη μορφή θερμότητας. Για την προστασία του ρυθμιστή από την υπερθέρμανση, παρέχεται θερμική προστασία χρησιμοποιώντας μια ψύκτρα. Έτσι, λαμβάνεται 5V DC από ισχύ 230V AC.
Μπορούμε να μετατρέψουμε απευθείας 230V AC σε 5V DC χωρίς να χρησιμοποιήσουμε μετασχηματιστή, αλλά ενδέχεται να απαιτούμε διόδους υψηλής ποιότητας και άλλα εξαρτήματα που δίνουν λιγότερη απόδοση. Εάν έχουμε τροφοδοσία 230V DC, τότε μπορούμε να μετατρέψουμε το 230V DC σε 5V DC χρησιμοποιώντας έναν μετατροπέα DC-DC buck.
230V σε 5v DC-DC Buck Converter:
Ας ξεκινήσουμε με το ρυθμιζόμενο κύκλωμα τροφοδοσίας DC που έχει σχεδιαστεί χρησιμοποιώντας έναν μετατροπέα buck DC-DC. Εάν έχουμε τροφοδοτικό 230V DC, τότε μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε έναν μετατροπέα DC-DC buck για τη μετατροπή του 230V DC σε τροφοδοτικό 5V DC. Ο μετατροπέας buck DC-DC αποτελείται από Capacitor, MOSFET, Έλεγχος PWM , Δίοδοι και επαγωγείς. Η βασική τοπολογία ενός μετατροπέα DC-DC buck φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.
Μετατροπέας DC σε DC Buck
Η πτώση τάσης κατά μήκος του επαγωγέα και οι αλλαγές στο ηλεκτρικό ρεύμα που ρέει μέσω της συσκευής είναι ανάλογες μεταξύ τους. Ως εκ τούτου, ο μετατροπέας buck λειτουργεί με βάση την αρχή της ενέργειας που είναι αποθηκευμένη σε έναν επαγωγέα. ο ημιαγωγός ισχύος MOSFET ή το IGBT που χρησιμοποιείται ως στοιχείο εναλλαγής μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εναλλαγή του κυκλώματος μετατροπέα buck μεταξύ δύο διαφορετικών καταστάσεων κλείνοντας ή ανοίγοντας και απενεργοποιώντας ή με τη χρήση του στοιχείου μεταγωγής. Εάν ο διακόπτης είναι σε κατάσταση λειτουργίας, τότε δημιουργείται ένα δυναμικό κατά μήκος του επαγωγέα λόγω του ρεύματος εισόδου που θα αντισταθεί στην τάση τροφοδοσίας, μειώνοντας έτσι την προκύπτουσα τάση εξόδου. Καθώς η δίοδος είναι αντίστροφης μεροληψίας, κανένα ρεύμα δεν θα ρέει μέσω της διόδου.
Εάν ο διακόπτης είναι ανοιχτός, τότε το ρεύμα μέσω του πηνίου διακόπτεται ξαφνικά και η δίοδος αρχίζει την αγωγιμότητα, οπότε παρέχεται μια διαδρομή επιστροφής στο ρεύμα πηνίου. Η πτώση τάσης στον ενεργοποιημένο επαγωγέα αντιστρέφεται, η οποία μπορεί να θεωρηθεί ως κύρια πηγή ισχύος εξόδου κατά τη διάρκεια αυτού του κύκλου μεταγωγής και αυτό οφείλεται σε αυτή τη γρήγορη αλλαγή στην τρέχουσα ροή. Η αποθηκευμένη ενέργεια του πηνίου παραδίδεται συνεχώς στο φορτίο και έτσι το ρεύμα πηνίου θα αρχίσει να μειώνεται έως ότου το ρεύμα αυξηθεί στην προηγούμενη τιμή του ή στην επόμενη κατάσταση. Η συνέχιση της παροχής ενέργειας στο φορτίο οδηγεί σε πτώση του επαγωγικού ρεύματος έως ότου το ρεύμα αυξηθεί στην προηγούμενη τιμή του. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται κυματισμός εξόδου που μπορεί να μειωθεί σε αποδεκτή τιμή χρησιμοποιώντας έναν πυκνωτή εξομάλυνσης παράλληλα με την έξοδο. Ετσι, Μετατροπέας DC-DC ενεργεί ως μετατροπέας step-down.
Μετατροπέας DC προς DC Step-down χρησιμοποιώντας PWM Cotrol
Το σχήμα δείχνει την αρχή λειτουργίας του μετασχηματιστή DC προς DC που ελέγχεται χρησιμοποιώντας έναν ταλαντωτή PWM για εναλλαγή υψηλής συχνότητας και η ανάδραση συνδέεται με έναν ενισχυτή σφάλματος.
Όλα τα ενσωματωμένα συστήματα βασίζονται έργα ηλεκτρονικής απαιτούν σταθερό ή ρυθμιζόμενο ρυθμιστή τάσης που χρησιμοποιείται για την παροχή της απαιτούμενης τροφοδοσίας στα ηλεκτρικά και ηλεκτρονικά κυκλώματα ή κιτ. Υπάρχουν πολλοί προηγμένοι αυτόματοι ρυθμιστές τάσης που μπορούν να ρυθμίζουν αυτόματα την τάση εξόδου βάσει των κριτηρίων εφαρμογής. Για περισσότερη τεχνική βοήθεια σχετικά με το κύκλωμα τροφοδοσίας και τον μετατροπέα κατεβάσματος, δημοσιεύστε τα ερωτήματά σας ως σχόλια στην παρακάτω ενότητα σχολίων.
