Circuitele necesită adesea o sursă de alimentare AC integrată ca fiind strategia optimă de reducere a mărimii, costurilor sau datorită nevoilor specifice aplicației. Înțelegerea conceptelor-cheie asociate conversiei și a alternativelor practice disponibile este un început bun spre un proiect de succes.

Siguranța în primul rând!

Când sursa AC este o priză electrică, trebuie să aveți grijă deosebită pentru a vă asigura că implementarea este sigură pentru utilizare. Fără excepție, acest subsistem ar trebui proiectat și implementat de un expert calificat. Dacă este posibil, utilizați un pachet de conectare pre-aprobat.

Conformitatea este obligatorie!

Când conectați ceva la o priză de rețea, acesta trebuie să respecte standardele legale de certificare în țara în care va fi folosit. Mai mult decât atât, acesta trebuie să fi fost testat și certificat pentru a face acest lucru - un proces costisitor. Aceasta este pentru a vă asigura că este în siguranță, nu interferează cu alte persoane și nu contribuie cu zgomot la liniile de alimentare AC principale.

Ce este un convertor AC/DC?

Energia electrică este transportată pe fire fie ca un curent continuu (DC) curgând într-o direcție la o tensiune constantă neoscilantă, sau ca un curent alternativ (AC) care curge înapoi și înainte datorită unei tensiuni oscilante. AC este metoda dominantă de transport de energie deoarece oferă multe avantaje față de DC, incluzând costuri reduse de distribuție și mod simplu de conversie între nivelele de tensiune datorită invenției transformatorului. Puterea AC care este trimisă la tensiune înaltă pe distanțe lungi și apoi convertită la o tensiune mai joasă este o sursă de energie mai eficientă și mai sigură în case. În funcție de locație, tensiunea ridicată poate varia de la 4 kV (kilo-volți) până la 765 kV. Ca o reamintire, rețeaua AC în locuințe variază de la 110 V la 250 V, în funcție de ce parte a lumii locuiți. În SUA, linia principală AC este 120 V.

Convertoarele direcționează un curent alternativ, ca și tensiunea alternativă, în elemente de impedanță reactivă, ca inductoare (L) și condensatoare (C), unde el este stocat și integrat. Acest proces separă puterea asociată cu potențiale pozitive și negative. Filtrele sunt utilizate pentru a netezi energia stocată, rezultând crearea unei surse de DC pentru alte circuite. Acest circuit poate lua mai multe forme, dar întotdeauna cuprinde aceleași elemente esențiale și poate avea una sau mai multe etaje de conversie. Convertorul prezentat în figura 1 se numește un "convertor forward", care este de o eficiență mai mare decât o arhitectura ușor mai simplă: un "convertor flyback". Deși nu discutăm în detaliu, un convertor flyback diferă de un convertor forward în sensul că funcționarea lui depinde de energia stocată în airgap-ul transformatorului din circuit. In rest, pot utiliza aceleași blocuti esențiale.

Blocul de filtrare a intrării

Un filtru de intrare este important deoarece împiedică zgomotul produs în elementele de comutare ale sursei de alimentare să revină în rețeaua de alimentare. Filtrul trece prin el frecvența de rețea de 50/60 Hz și atenuează zgomotele de frecvență mai ridicate și armonicile care ar putea fi prezente. Impreună cu alte părți ale unui convertor AC la DC, elementele reactive - condensatoarele și inductoarele - îndeplinesc rolul important al supresiei selective a frecvenței. Condensatoarele nu trec DC și pot fi utilizate în serie (deoarece elementele de filtru high pass blochează DC) sau paralele (pentru a șunta frecvențele înalte la masă, împiedicându-le să treacă prin convertor).

Blocul de filtrare a intrării va include tipic și un rezistor dependent de temperatură, sau varistor pentru a împiedica vârfurile de înaltă tensiune pe rețeaua electrică de putere. Acesta este o căsuță dreptunghiulară cu o linie diagonală prin el, la intrare, în Figura 1. Cel mai uzual tip de varistor este un metal-oxide varistor (MOV). Orice tensiune peste tensiunea de fixare a dispozitivului provoacă conducția MOV-ului, șuntând vârful de înaltă tensiune și suprimând creșterea bruscă.

Redresarea

Cele mai simple convertoare AC/DC cuprind un transformator care urmează filtrării de intrare, care apoi trece pe un redresor pentru a produce DC. În acest caz, redresarea are loc după transformator, deoarece transformatoarele nu trec DC. Totuși, multe convertoare AC/DC utilizează topologii de conversie multi-etaj mai sofisticate, așa cum sunt prezentate în figura 1, datorită avantajelor cerințelor de transformatoare mai mici și zgomotului redus raportat înapoi la rețeaua de alimentarea cu energie electrică.

Redresoarele sunt implementate folosind dispozitive semiconductoare care conduc în mod condiționat curentul într-o singură direcție, cum ar fi dioda. Redresoarele cu semiconductoare, mai sofisticate, includ tiristoare. Redresoarele comandate cu siliciu (SCR) și triode pentru curent alternativ (TRIAC) sunt analoage unui releu prin faptul că o cantitate mică de tensiune poate controla debitul unei tensiuni și curent mai mari. Modul în care acestea lucrează este că ele conduc numai atunci când o "poartă" de control este declanșată de un semnal de intrare. Prin comutarea dispozitivului ON sau OFF la momentul potrivit, deoarece forma de undă AC curge - curentul este direcționat pentru a crea o separare DC. Există mai multe circuite pentru a face acest lucru, cu semnale aplicate formei de undă AC utilizate ca semnale de comandă care stabilesc cadranelor de fază în care tiristoarele sunt ON sau OFF. Aceasta este comutația și poate fi naturală (în cazul unei diode simple) sau forțată, la fel ca în cazul dispozitivelor care sunt mai sofisticate.

Sursa de alimentare de înaltă eficiență poate utiliza dispozitive active precum MOSFET-urile ca întrerupătoare în astfel de circuite. Motivul pentru utilizarea topologiilor care sunt mai complexe este de obicei pentru îmbunătățirea eficienței, pentru reducerea zgomotului sau pentru a acționa ca un control al puterii. Diodele au o cădere intrinsecă de tensiune pe ele. Acest lucru face ca energia să fie disipată în ele, dar alte elemente active pot avea o cădere mult mai mică și, prin urmare, o pierdere de putere mai mică. Circuitele SCR și TRIAC sunt deosebit de frecvente în circuitele de control al puterii la costuri reduse, cum ar fi exemplul de reducere a luminii de mai jos - folosit pentru direcționarea directă și controlul curentului livrat la sarcină deoarece rețeaua de alimentare de intrare este alternativă. Rețineți că aceste implementări nu sunt galvanice atunci când nu au un transformator în circuit - sunt utile doar în circuite care sunt adecvate, cum ar fi controlul direct al luminii conectat la rețea.

Corecția factorului de putere (PFC)

Acesta este aspectul cel mai complicat de înțeles al unui convertor. PFC este un element esențial în îmbunătățirea eficienței unui convertor prin corectarea fazei relative a curentului care este tras la forma de undă de tensiune pentru a menține factorul de putere optim. Aceasta reduce caracteristicile "sarcinii reactive" pe care convertorul le poate prezenta altfel sursei de alimentare. Acest lucru este esențial pentru menținerea rețelelor electrice de înaltă calitate și eficiente, iar companiile de furnizare a energiei electrice pot impune chiar și tarife speciale de curent reactiv pentru clienții care au factori slabi de putere. Un PFC pasiv sau activ se referă la faptul dacă elementele active sau elementele pasive sunt folosite pentru a corecta relațiile de fază. PFC cu semiconductori se poate referi la circuite integrate special concepute pentru a monitoriza activ și a regla circuitul PFC, reducând numărului de componente și simplificând schema generală în timp ce se obține performanțe mai ridicate. Ele pot include alte funcții, cum ar fi protecția la supratensiune/ sub tensiune, protecția la curent, pornirea soft și detectarea/răspunsul la defecțiuni.

Convertorul prezentat în figura 1 este un convertor PFC cu un singur etaj. Condensatorul din această secțiune este utilizat pentru a stoca energia dezechilibrată între puterea de intrare pulsantă și puterea de ieșire relativ constantă a etajului. Consultați secțiunea "Reactive Energy Storage" pentru mai multe detalii despre acest lucru. Convertoarele PFC cu două etaje sunt utilizate în mod obișnuit, deoarece nu trebuie să se ocupe de o gamă largă de tensiune pe condensatorul de stocare, pe care îl obțineți în sursele de alimentare universale, ceea ce are un efect negativ asupra eficienței conversiei. Ele pot oferi, de asemenea, compromisuri mai bune în mărimea condensatorului, ceea ce poate contribui la reducerea costurilor.

Etajul de putere

Etajul de putere controlează puterea livrată de la primar către partea secundară prin transformator. Acesta cuprinde un dispozitiv de comutare activ care comută la o frecvență înaltă de sute de kHz. Starea de ON/OFF a comutatorului este controlată de o intrare de modulare a lățimii impulsului (PWM) care se modifică în funcție de cantitatea de energie care trebuie livrată dinamic la sarcină. Această informație este obținută printr-o cale de reacție din partea secundară care poate fi comunicată printr-un număr de tehnici care se potrivesc cerințelor de izolare a convertizorului. Comutarea de frecvență mai mare are ca rezultat o cerință de transformator mai mic, reducând dimensiunea și costul.

Transformator

Un transformator este alcătuit din bobine înfășurate pe un miez comun care se cuplează una cu cealaltă prin inducție electromagnetică. Acest lucru este important când se conectează la surse de înaltă tensiune (rețea) - denumită conversie "off-line", deoarece cuplarea inductivă deconectează rețeaua de alimentare de circuitul ulterior, un scenariu mult mai sigur decât conexiunea directă. Această cuplare printr-un câmp electromagnetic, mai degrabă decât un circuit de cupru direct, numită "izolare galvanică", limitează energia maximă care poate provoca șocuri electrice sau descărcări periculoase pentru energia stocată în liniile de flux ale câmpului magnetic al transformatorului. Abilitatea (raportată la dimensiuni și materiale) transformatorului de a stoca energie este un considerent important la proiectarea convertorului deoarece el dictează cât de bine poate transformatorul să asigure energia pentru menținerea potențialului de tensiune dorită, în condiții de sarcină variabilă.

Detalii despre teoria și funcționarea transformatorului pot fi găsite aici .

Figura 1 are un bloc numit "Mag Amp Reset" asociat cu demagnetizarea transformatorului datorită curentului de magnetizare inerent arhitecturii. Fără acesta, remanența materialului de miez ar fi saturat în câteva cicluri ale etajului de putere PWM. Deși prea complex pentru a acoperi în acest tutorial, acest circuit suplimentar poate fi foarte confuz atunci când revizuiți diagramele circuitului de convertor și este util să știți de ce este necesar. Există o serie de tehnici de efectuare a demagnetizării, cea mai simplă fiind când comutatorul etajului de putere este OFF, un curent de demagnetizare este trimis înapoi printr-o bobină auxiliară separată. Acest circuit restricționează ciclul maxim de sarcină PWM la 50%, însă pot fi utilizate metode mai complexe pentru a permite cicluri mai mari de sarcină.

Transformatoarele sau alte metode de izolare galvanică (cum ar fi optocuploarele) sunt frecvent utilizate pentru a comunica semnale de informație între părțile primar și secundar. Acest lucru este necesar pentru a facilita controlul mai complex al procesului de conversie - permițând unui circuit de comandă situat în partea primară să răspundă la starea sarcinii din partea secundară și să schimbe dinamic modul în care conduce curentul pentru a obține un zgomot mai mic și o eficiență mai mare.

Circuite de ieșire

După cum se menționează în secțiunea de filtrare, câmpurile electrice din elementele reactive (de stocare) pasive cum ar fi condensatoarele și inductoarele stochează energie. Atunci când se utilizează după redresarea dirijată spre sarcină, ele acționează ca un rezervor de energie în timpul ciclului de alimentare alternativă. Acesta este un element vital într-un convertor, deoarece această energie de stocare acționează ca o sursă - permițând o tensiune de ieșire constantă în condiții de sarcină variabile. Elementele active simt tensiunea prezentă la sarcină și/sau curentul care circulă în sarcină și într-o buclă de control de feedback negativ, utilizează aceste informații pentru a regla energia pompată în aceste elemente de stocare pentru a menține un nivel constant al tensiunii de ieșire. Acest proces de pompare utilizează elemente active pentru a comuta ON și OFF curentul care curge în elementele de stocare, la care se face referire în cadrul conceptului larg de reglare.

Reglarea

Avem nevoie de o tensiune constantă prezentată unui circuit de sarcină, indiferent de impedanța dinamică a sarcinii. Fără aceasta, pot apărea condiții de supratensiune sau sub tensiune, conducând la un comportament neregulat al circuitului sau chiar la deteriorarea circuitului. Acest lucru este valabil în special în cazul electronicii digitale de joasă tensiune, unde tensiunile de alimentare trebuie să fie constrânse într-o fereastră de câteva procente din valoarea nominală. Elementele reactive nu au niciun control încorporat în acest sens. Modul în care un convertor AC/DC realizează o fereastră strâns controlată a tensiunii de ieșire este prin controlul condiționat al energiei stocate în sursa de stocare reactivă cu impedanță scăzută.

Ieșirea de tensiune se va schimba în timp, deoarece energia se va scurge din aceste elemente și poate avea și variații cauzate de caracteristicile neideale ale dispozitivelor - cum ar fi rezistența serie sau capacitatea parazită. Este necesar un fel de control dinamic pentru a reîncărca această sursă. Acesta este reglarea. Sarcini, precum microprocesoare, modifică puterea pe care o cer când efectuează operații diferite, ceea ce exacerbează nevoia de a avea o reglare dinamică activă.

Reglarea controlului este un circuit de feedback care controlează elementele de comutare. În acest caz, elementul de comutare se află pe partea primară a convertorului. Pentru ca un comutator să fie eficient, trebuie să fie complet ON (cea mai mică impedanță posibilă), sau complet OFF (cea mai mare impedanță posibilă) - deoarece între aceste stări, puterea care trece prin comutator este disipată și irosită. Comutatoarele semiconductoare, precum MOSFET, sunt neideale și prezintă o anumită impedanță, disipă energia și acest lucru reduce eficiența conversiei. Există numai două modalități de a controla un comutator, prin modificarea ciclului de sarcină care este ON sau OFF, numit Modularea lățimii de impuls (PWM) sau controlul frecvenței de a fi ON sau OFF.

Convertoarele mod nerezonant utilizează tehnici de comutare dificile, dar convertoarele mod rezonant folosesc o tehnică mai inteligentă de comutare-soft. Comutarea soft înseamnă comutarea ON sau OFF a formelor de undă AC la tensiune zero sau puncte de curent zero, eliminând pierderile de comutare și conducând la arhitecturi de foarte înaltă eficiență. Tehnici precum redresarea sincronă înlocuiesc diodele de redresare cu elemente de comutare active precum MOSFET. Controlul comutării sincronizate la forma de undă AC de intrare permite MOSFET-ului să conducă cu o rezistență foarte scăzută ON și cădere de tensiune mai mică la momentul potrivit - ceea ce duce la o eficiență mai mare în comparație cu redresarea cu diode.

Cum știe circuitul de reglare când trebuie să comute? Există două metode principale ale modului de control: controlul în tensiune și controlul în curent. Regulatoarele folosesc una sau o combinație a celor două metode pentru a regla tensiunea prezentă la circuitul de sarcină.

Mod de control în tensiune

• Circuitul de reglare detectează tensiunea de ieșire, o compară cu o tensiune de referință pentru a crea o funcție de eroare. Semnalul de eroare modifică raportul de comutare pentru a aduce ieșirea mai aproape de nivelul dorit. Aceasta este cea mai simplă metodă de control.

Mod de control în curent

• Atât tensiunea de ieșire cât și curentul inductor au fost detectate și combinația a fost utilizată pentru a controla ciclul de sarcină. Această "buclă de detectare a curentului" permite un timp de răspuns mai rapid pentru a schimba sarcina, dar este mai complex decât modul de control în tensiune.

Complicând suplimentar elementului de reglare, în plus față de metoda de control, modul în care un convertor acționează ca un ciclu de comutare este numit mod de funcționare continuu sau discontinuu. Un mod continuu de funcționare este acela în care curentul inductor nu scade niciodată la zero (dacă topologia convertorului are unul). Acesta are un ripplu de ieșire mai mic și, prin urmare, un mod de operare cu zgomot mai scăzut, dar, deoarece inductorul este mereu în conducție, el disipează întotdeauna o anumită energie în pierderile sale de conducție serie neideale. În modul discontinuu, curentul inductor este lăsat să ajungă la zero, determinând sarcina să obțină energie de la condensatoarele de stocare. Acesta este un mod de operare cu o eficiență mai mare, dar are un ripplu potențial mai mare și control de reglare mai redus.

Tipuri de convertoare

Așa cum am văzut pe scurt, există mai multe tipuri de convertoare referitoare la topologia lor, inclusiv arhitecturi flyback și buck-flyback. Acestea sunt topologii comune, deoarece includ transformatoare, au un număr scăzut de componente și pot fi costuri reduse față de alte opțiuni.

Convertorul flyback este un convertor buck-boost (step-up/step down) cu inductorul înlocuit cu un transformator. Energia stocată în interiorul transformatorului este utilizată pentru comutarea secundarului printr-un circuit de redresare activ sau pasiv. Cel mai obișnuit tip de convertor flyback utilizează modul discontinuu (DCM) - cu curentul care curge în transformator ajungând la zero - deoarece acesta are de obicei cea mai simplă buclă de control și cel mai mic cost. Convertoarele flyback cu mod de curent continuu (CCM) sunt necesare pentru nivele de putere mai mari, dar duc la pierderi mai mari în înfășurările transformatorului datorită conducției continue.

Multe surse de alimentare comută între moduri în funcție de nivelul sarcinii. Variantele cu frecvența de comutare/ variabilă valley și cvasi-rezonantă (QR) pe topologia flyback sunt circuite mai complexe care optimizează când și cum apare comutarea pentru a îmbunătăți eficiența. QR flyback realizează acest lucru prin reciclarea energiei inductanțelor neideale de scurgere, iar valley switching (comutarea valley) reduce vârfurile cauzate de depășire. Acestea sunt utilizate în mod obișnuit în aplicațiile cu putere redusă.