Elk elektrisch en elektronisch apparaat dat we in ons dagelijks leven gebruiken, heeft een stroomvoorziening nodig. Over het algemeen gebruiken we een AC-voeding van 230V 50Hz, maar dit vermogen moet worden veranderd in de vereiste vorm met vereiste waarden of spanningsbereik voor het leveren van stroom aan verschillende soorten apparaten. Er zijn verschillende soorten vermogenselektronica-omzetters, zoals step-down-omzetter, step-up-omzetter, spanningsstabilisator, AC naar DC-omzetter, DC naar DC-omzetter, DC naar AC-omzetter, enzovoort. Kijk bijvoorbeeld eens naar de microcontrollers die vaak worden gebruikt voor het ontwikkelen van veel op embedded systemen gebaseerde projecten en kits die worden gebruikt in real-time toepassingen. Deze microcontrollers hebben een voeding van 5V DC nodig, dus de AC 230V moet worden omgezet in 5V DC met behulp van de step-down converter in hun voedingscircuit.
Voedingscircuit
Verlaag het convertercircuit
Voedingscircuit, de naam zelf geeft aan dat dit circuit wordt gebruikt om stroom te leveren aan andere elektrische en elektronische circuits of apparaten. Er zijn verschillende soorten stroomvoorziening circuits op basis van het vermogen dat ze worden gebruikt om apparaten te voorzien. Zo worden bijvoorbeeld de op microcontrollers gebaseerde circuits, meestal de 5V DC gereguleerde voedingscircuits, gebruikt, die kunnen worden ontworpen met behulp van verschillende technieken om de beschikbare 230V AC-stroom om te zetten naar 5V DC-stroom. Over het algemeen worden de converters met een uitgangsspanning die lager is dan de ingangsspanning, step-down converters genoemd.
4 stappen om 230V AC om te zetten naar 5V DC
1. Verlaag het spanningsniveau
De step-down converters worden gebruikt om de hoogspanning om te zetten in laagspanning. De omzetter met een uitgangsspanning die lager is dan de ingangsspanning wordt een step-down-omzetter genoemd en de omzetter met een uitgangsspanning die hoger is dan de ingangsspanning wordt een step-up-omzetter genoemd. Er zijn step-up en step-down transformatoren die worden gebruikt om de spanningsniveaus te verhogen of te verlagen. 230V AC wordt omgezet in 12V AC met behulp van een step-down transformator. 12V-uitgang van stepdown-transformator is een RMS-waarde en de piekwaarde wordt gegeven door het product van vierkantswortel van twee met RMS-waarde, die ongeveer 17V is.
Step-down Transformer
Step-down transformator bestaat uit twee wikkelingen, namelijk primaire en secundaire wikkelingen waar de primaire wikkelingen kunnen worden ontworpen met een draad van minder dikte met meer aantal windingen, omdat deze wordt gebruikt voor het dragen van laagstroom hoogspanningsvermogen, en de secundaire wikkeling met een hoogspanningsdraad met minder omwentelingen, omdat het wordt gebruikt voor het voeren van hoogspanningsvermogen op laagspanning. Transformers werken volgens het principe van Faraday's wetten van elektromagnetische inductie.
2. Converteer AC naar DC
230V wisselstroom wordt omgezet in 12V wisselstroom (12V RMS-waarde waarbij de piekwaarde rond 17V ligt), maar het benodigde vermogen is 5V gelijkstroom voor dit doel, 17V wisselstroom moet primair worden omgezet in gelijkstroom, daarna kan het worden afgebouwd naar de 5V gelijkstroom. Maar eerst en vooral moeten we weten hoe we AC naar DC kunnen converteren? Wisselstroom kan worden omgezet in gelijkstroom met een van de vermogen elektronische converters genoemd als gelijkrichter. Er zijn verschillende soorten gelijkrichters, zoals halfgolf gelijkrichter, dubbelfasige gelijkrichter en bruggelijkrichter. Vanwege de voordelen van de bruggelijkrichter ten opzichte van de half- en dubbelfasige gelijkrichter, wordt de bruggelijkrichter veel gebruikt voor het omzetten van AC naar DC.
Bruggelijkrichter
Bruggelijkrichter bestaat uit vier diodes die in de vorm van een brug zijn verbonden. We weten dat de diode een ongecontroleerde gelijkrichter is die alleen voorwaartse voorspanning zal geleiden en niet zal geleiden tijdens de omgekeerde voorspanning. Als de diode-anodespanning groter is dan de kathodespanning, wordt gezegd dat de diode in voorwaartse richting staat. Tijdens een positieve halve cyclus geleiden de diodes D2 en D4 en tijdens een negatieve halve cyclus geleiden de diodes D1 en D3. Aldus wordt wisselstroom omgezet in gelijkstroom, hier is de verkregen gelijkstroom geen zuivere gelijkstroom omdat deze uit pulsen bestaat. Daarom wordt het pulserende gelijkstroom genoemd. Maar de spanningsval over de diodes is (2 * 0,7V) 1,4V, daarom is de piekspanning aan de uitgang van dit retificeercircuit ongeveer 15V (17-1,4).
3. De rimpelingen gladstrijken met Filter
15V DC kan worden geregeld in 5V DC met behulp van een step-down converter, maar daarvoor is het nodig om pure DC-stroom te verkrijgen. De output van de diodebrug is een gelijkstroom die bestaat uit rimpelingen, ook wel pulserende gelijkstroom genoemd. Deze pulserende gelijkstroom kan worden gefilterd met behulp van een inductorfilter of een condensatorfilter of een weerstand-condensator-gekoppeld filter om de rimpelingen te verwijderen. Overweeg een condensatorfilter dat in de meeste gevallen vaak wordt gebruikt voor het afvlakken.
Filter
We weten dat een condensator een energieopslagelement is. In het circuit, condensator slaat energie op terwijl de ingang toeneemt van nul naar een piekwaarde en, terwijl de voedingsspanning afneemt van piekwaarde naar nul, begint de condensator te ontladen. Dit opladen en ontladen van de condensator zal de pulserende gelijkstroom in zuivere gelijkstroom maken, zoals weergegeven in de afbeelding.
4. Regelen van 12V DC in 5V DC met behulp van een spanningsregelaar
15V DC-spanning kan worden verlaagd naar 5V DC-spanning met behulp van een DC-step-down-omzetter genaamd spanningsregelaar IC7805. De eerste twee cijfers ‘78’ van de IC7805-spanningsregelaar vertegenwoordigen positieve seriespanningsregelaars en de laatste twee cijfers ‘05’ vertegenwoordigen de uitgangsspanning van de spanningsregelaar.
IC7805 Intern blokschema van de spanningsregelaar
Het blokschema van de IC7805-spanningsregelaar wordt getoond in de figuur en bestaat uit een operationele versterker die fungeert als foutversterker, zenerdiode die wordt gebruikt voor het leveren van spanningsreferentie , zoals weergegeven in de afbeelding.
Zenerdiode als spanningsreferentie
Transistor als een serie-doorlaatelement dat wordt gebruikt voor het afvoeren van extra energie als warmte SOA-bescherming (Safe Operating Area) en koellichamen worden gebruikt voor thermische bescherming in geval van te hoge voedingsspanningen. Over het algemeen kan een IC7805-regelaar een spanning van 7.2V tot 35V weerstaan en geeft hij een maximale efficiëntie van 7.2V-spanning en als de spanning de 7.2V overschrijdt, is er energieverlies in de vorm van warmte. Om de regelaar tegen oververhitting te beschermen, wordt thermische bescherming geboden met behulp van een koellichaam. Er wordt dus een 5V DC verkregen uit 230V AC-stroom.
We kunnen 230V AC direct omzetten in 5V DC zonder gebruik te maken van een transformator, maar het kan zijn dat we hoogwaardige diodes en andere componenten nodig hebben die minder efficiënt zijn. Als we een 230V DC-voeding hebben, kunnen we de 230V DC omzetten in 5V DC met behulp van een DC-DC buck converter.
230v naar 5v DC-DC Buck Converter:
Laten we beginnen met het DC-gereguleerde voedingscircuit dat is ontworpen met behulp van een DC-DC-buck-converter. Als we 230V DC voeding hebben, dan kunnen we een DC-DC buck converter gebruiken om de 230V DC om te zetten in 5V DC voeding. De DC-DC buck-converter bestaat uit een condensator, MOSFET, PWM-besturing , Diodes en smoorspoelen. De basistopologie van een DC-DC buck-converter wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding.
DC naar DC Buck Converter
Spanningsval over de inductor en de veranderingen in elektrische stroom die door het apparaat vloeit, zijn evenredig met elkaar. Daarom werkt de buck-converter volgens het principe van energie die is opgeslagen in een inductor. De power halfgeleider MOSFET of IGBT die als schakelelement wordt gebruikt, kan worden gebruikt om het buck-convertercircuit tussen twee verschillende toestanden te wisselen door te sluiten of te openen en uit of aan te zetten met behulp van het schakelelement. Als de schakelaar aan staat, wordt er een potentiaal gecreëerd over de inductor als gevolg van inschakelstroom die de voedingsspanning tegenwerkt, waardoor de resulterende uitgangsspanning wordt verlaagd. Omdat de diode in tegengestelde richting is voorgespannen, zal er geen stroom door de diode stromen.
Als de schakelaar open is, wordt de stroom door de inductor plotseling onderbroken en begint de diode te geleiden, waardoor er een retourpad wordt geboden aan de inductorstroom. De spanningsval over de bekrachtigde inductor wordt omgekeerd, wat tijdens deze schakelcyclus als primaire bron van uitgangsvermogen kan worden beschouwd en dit is te wijten aan deze snelle verandering in de stroom. De opgeslagen energie van de inductor wordt continu aan de belasting geleverd en dus zal de inductorstroom beginnen te dalen totdat de stroom stijgt naar zijn vorige waarde of de volgende aan-toestand. Het doorgaan met het leveren van energie aan de belasting leidt tot een daling van de inductorstroom totdat de stroom stijgt naar de vorige waarde. Dit fenomeen wordt output-rimpel genoemd, die kan worden teruggebracht tot een acceptabele waarde met behulp van een afvlakcondensator parallel aan de output. Dus, DC-DC-omzetter fungeert als step-down converter.
DC naar DC step-down converter met PWM Cotrol
De afbeelding toont het werkingsprincipe van de DC naar DC step-down converter die wordt bestuurd met behulp van een PWM-oscillator voor hoogfrequent schakelen en een feedback is verbonden met een foutversterker.
Alle embedded systeem gebaseerd elektronica projecten een vaste of instelbare spanningsregelaar nodig hebben die wordt gebruikt voor het leveren van de vereiste voeding aan de elektrische en elektronische circuits of kits. Er zijn veel geavanceerde automatische spanningsregelaars die de uitgangsspanning automatisch kunnen aanpassen op basis van de criteria van de toepassing. Voor meer technische hulp met betrekking tot het voedingscircuit en de step-down-omzetter, kunt u uw vragen als opmerkingen plaatsen in het onderstaande commentaargedeelte.
