Cada dispositivo elétrico e eletrônico que usamos no nosso dia-a-dia exigirá uma fonte de alimentação. Em geral, usamos uma fonte de alimentação CA de 230 V 50 Hz, mas essa alimentação deve ser alterada para a forma exigida com os valores ou faixa de tensão exigidos para fornecer alimentação a diferentes tipos de dispositivos. Existem vários tipos de conversores eletrônicos de potência, como conversor abaixador, conversor ascendente, estabilizador de tensão, conversor CA para CC, conversor CC para CC, conversor CC para CA e assim por diante. Por exemplo, considere os microcontroladores que são usados com frequência para desenvolver muitos projetos baseados em sistemas embarcados e kits usados em aplicativos em tempo real. Esses microcontroladores requerem uma alimentação de 5 Vcc, portanto, o CA 230 V deve ser convertido em 5 Vcc usando o conversor abaixador em seu circuito de alimentação.
Circuito de alimentação
Circuito conversor de redução
Circuito de fonte de alimentação, o próprio nome indica que este circuito é usado para fornecer energia a outros circuitos ou dispositivos elétricos e eletrônicos. Existem diferentes tipos de fonte de alimentação circuitos com base na alimentação que são usados para fornecer aos dispositivos. Por exemplo, os circuitos baseados em microcontroladores, geralmente os circuitos de fonte de alimentação regulados de 5 Vcc, são usados, os quais podem ser projetados usando diferentes técnicas para converter a alimentação de 230 Vca disponível em alimentação de 5 Vcc. Geralmente, os conversores com tensão de saída menor que a tensão de entrada são chamados de conversores redutores.
4 etapas para converter 230 V AC em 5 V DC
1. Reduza o nível de tensão
Os conversores redutores são usados para converter a alta tensão em baixa tensão. O conversor com tensão de saída menor do que a tensão de entrada é chamado de conversor abaixador, e o conversor com tensão de saída maior que a tensão de entrada é denominado conversor abaixador. Existem transformadores elevadores e redutores que são usados para aumentar ou diminuir os níveis de tensão. 230 V CA é convertido em 12 V CA usando um transformador redutor. A saída de 12V do transformador redutor é um valor RMS e seu valor de pico é dado pelo produto da raiz quadrada de dois com o valor RMS, que é aproximadamente 17V.
Transformador Abaixador
O transformador abaixador consiste em dois enrolamentos, ou seja, enrolamentos primário e secundário, onde o primário pode ser projetado usando um fio de calibre menor com mais número de voltas, pois é usado para transportar energia de alta tensão de baixa corrente e o enrolamento secundário usando um fio de bitola alta com menos número de voltas, pois é usado para transportar energia de baixa tensão de alta corrente. Transformers funciona segundo o princípio das leis de indução eletromagnética de Faraday.
2. Converta AC para DC
A energia de 230 Vca é convertida em 12 V CA (valor de 12 V RMS em que o valor de pico é em torno de 17 V), mas a energia necessária é de 5 V CC para este fim, a energia de 17 V CA deve ser convertida principalmente em energia CC, então pode ser reduzida para o 5 V DC. Mas, antes de mais nada, devemos saber como converter AC em DC? A energia AC pode ser convertida em DC usando um dos conversores eletrônicos de potência chamado de retificador. Existem diferentes tipos de retificadores, como retificador de meia onda, retificador de onda completa e retificador de ponte. Devido às vantagens do retificador em ponte sobre o retificador de meia onda e onda completa, o retificador em ponte é freqüentemente usado para converter CA em CC.
Retificador de Ponte
Retificador de ponte consiste em quatro diodos que são conectados em forma de ponte. Sabemos que o diodo é um retificador não controlado que conduz apenas polarização direta e não conduz durante a polarização reversa. Se a voltagem do ânodo do diodo for maior que a voltagem do cátodo, então o diodo é dito estar em polarização direta. Durante o meio ciclo positivo, os diodos D2 e D4 conduzirão e durante o meio ciclo negativo os diodos D1 e D3 conduzirão. Assim, AC é convertido em DC aqui o obtido não é um DC puro, pois consiste em pulsos. Por isso, é chamado de energia CC pulsante. Mas a queda de tensão entre os diodos é (2 * 0,7 V) 1,4 V, portanto, a tensão de pico na saída deste circuito retificador é 15 V (17-1,4) aprox.
3. Suavizando as ondulações usando filtro
15 V DC pode ser regulado para 5 V DC usando um conversor abaixador, mas antes disso, é necessário obter energia DC pura. A saída da ponte de diodo é uma CC que consiste em ondulações, também chamada de CC pulsante. Essa CC pulsante pode ser filtrada usando um filtro indutor ou um filtro de capacitor ou um filtro acoplado a capacitor resistor para remover as ondulações. Considere um filtro de capacitor que é freqüentemente usado na maioria dos casos para suavização.
Filtro
Sabemos que um capacitor é um elemento de armazenamento de energia. No circuito, capacitor armazena energia enquanto a entrada aumenta de zero para um valor de pico e, enquanto a tensão de alimentação diminui do valor de pico para zero, o capacitor começa a descarregar. Essa carga e descarga do capacitor transformará a CC pulsante em CC pura, como mostrado na figura.
4. Regulando 12 V DC em 5 V DC usando o regulador de tensão
A tensão de 15 V CC pode ser reduzida para 5 V CC usando um conversor redutor de CC denominado regulador de voltagem IC7805. Os primeiros dois dígitos '78' do regulador de tensão IC7805 representam reguladores de tensão em série positiva e os dois últimos dígitos '05' representam a tensão de saída do regulador de tensão.
Diagrama de bloco interno do regulador de tensão IC7805
O diagrama de blocos do regulador de tensão IC7805 é mostrado na figura e consiste em um amplificador operacional atuando como amplificador de erro, diodo zener usado para fornecer referência de tensão , conforme mostrado na figura.
Diodo Zener como referência de tensão
Transistor como um elemento de passagem em série usado para dissipar energia extra como proteção SOA de calor (área de operação segura) e dissipadores de calor são usados para proteção térmica no caso de tensões de alimentação excessivas. Em geral, um regulador IC7805 pode suportar tensões que variam de 7,2 V a 35 V e dá eficiência máxima de tensão de 7,2 V e se a tensão ultrapassar 7,2 V, ocorre perda de energia na forma de calor. Para proteger o regulador do superaquecimento, a proteção térmica é fornecida por meio de um dissipador de calor. Assim, um 5 V DC é obtido da alimentação de 230 V AC.
Podemos converter diretamente 230 Vca em 5 Vcc sem usar transformador, mas podemos exigir diodos de alta classificação e outros componentes que oferecem menos eficiência. Se tivermos uma fonte de alimentação de 230 Vcc, podemos converter 230 Vcc em 5 Vcc usando um conversor buck DC-DC.
Conversor Buck DC-DC 230v a 5v:
Vamos começar com o circuito de alimentação regulado DC projetado usando um conversor buck DC-DC. Se tivermos uma fonte de alimentação de 230 Vcc, então podemos usar um conversor buck DC-DC para converter a fonte de alimentação de 230 Vcc em 5 Vcc. O conversor de buck DC-DC consiste em capacitor, MOSFET, Controle PWM , Diodos e Indutores. A topologia básica de um conversor buck DC-DC é mostrada na figura abaixo.
Conversor Buck DC para DC
A queda de tensão no indutor e as mudanças na corrente elétrica que flui através do dispositivo são proporcionais entre si. Portanto, o conversor buck funciona com o princípio da energia armazenada em um indutor. O semicondutor de potência MOSFET ou IGBT usado como elemento de comutação pode ser usado para alternar o circuito conversor Buck entre dois estados diferentes, fechando ou abrindo e desligando ou ligando usando o elemento de comutação. Se a chave estiver ligada, um potencial é criado no indutor devido à corrente de pico que se opõe à tensão de alimentação, reduzindo assim a tensão de saída resultante. Como o diodo é polarizado reversamente, nenhuma corrente fluirá através do diodo.
Se a chave estiver aberta, a corrente através do indutor interrompe repentinamente e o diodo inicia a condução, portanto, um caminho de retorno é fornecido para a corrente do indutor. A queda de tensão no indutor energizado é revertida, o que pode ser considerado como fonte primária de potência de saída durante este ciclo de chaveamento e isso se deve a esta rápida mudança no fluxo de corrente. A energia armazenada do indutor é continuamente entregue à carga e, portanto, a corrente do indutor começará a cair até que a corrente suba ao seu valor anterior ou ao próximo estado ligado. A continuação do fornecimento de energia para a carga leva a uma queda na corrente do indutor até que a corrente suba ao seu valor anterior. Este fenômeno é chamado de ondulação de saída, que pode ser reduzido a um valor aceitável usando um capacitor de suavização em paralelo com a saída. Por isso, Conversor DC-DC atua como conversor abaixador.
Conversor Abaixador DC para DC usando PWM Cotrol
A figura mostra o princípio de funcionamento do conversor abaixador DC para DC controlado usando um oscilador PWM para comutação de alta frequência e um feedback é conectado com um amplificador de erro.
Todo o sistema embarcado baseado projetos eletrônicos requerem um regulador de tensão fixo ou ajustável que é usado para fornecer a alimentação necessária para os circuitos elétricos e eletrônicos ou kits. Existem muitos reguladores de tensão automáticos avançados capazes de ajustar a tensão de saída automaticamente com base nos critérios de aplicação. Para obter mais ajuda técnica com relação ao circuito da fonte de alimentação e conversor abaixador, poste suas dúvidas como comentários na seção de comentários abaixo.
