Convertoare AC/DC

Circuitele necesită adesea o sursă de alimentare AC integrată ca strategie optimă pentru a reduce dimensiunea, costul sau din cauza nevoilor specifice ale aplicației. Înțelegerea conceptelor cheie asociate cu conversia și a alternativelor practice disponibile este un bun început pentru un proiect de succes.

Siguranța înainte de toate!
Când sursa de curent alternativ este o priză de rețea, trebuie să se acorde o mare atenție pentru a se asigura că o implementare este sigură pentru utilizare. Fără excepție, acest subsistem trebuie să fie proiectat și implementat de un expert calificat. Dacă este posibil, utilizați un pachet de prize din comerț preaprobat.

Conformitatea este obligatorie!
Când conectați ceva la o priză de rețea, acesta trebuie să fie conform cu standardele legale de certificare din țara în care va fi utilizat. Mai mult decât atât, trebuie să fi fost testat și certificat pentru a face acest lucru – un proces costisitor. Aceasta pentru a se asigura că este sigur, că nu interferează cu alte persoane sau că nu contribuie cu zgomot la liniile principale de curent alternativ.

Ce este un convertor AC/DC?
Erentul electric este transportat pe fire fie ca un curent continuu (DC) care curge într-o singură direcție la o tensiune constantă neoscilantă, fie ca un curent alternativ (AC) care curge înainte și înapoi datorită unei tensiuni oscilante. C.A. este metoda dominantă de transport al energiei electrice, deoarece oferă mai multe avantaje față de C.C., inclusiv costuri de distribuție mai mici și o modalitate simplă de conversie între nivelurile de tensiune, datorită invenției transformatorului. Energia de curent alternativ, care este trimisă la înaltă tensiune pe distanțe lungi și apoi convertită la o tensiune mai mică, este o sursă de energie mai eficientă și mai sigură în locuințe. În funcție de locație, tensiunea înaltă poate varia de la 4kV (kilo-volți) până la 765kV. Pentru a reaminti, rețelele de curent alternativ din locuințe variază de la 110V la 250V, în funcție de partea lumii în care locuiți. În SUA, linia principală tipică de curent alternativ este de 120V.

Convertoarele dirijează un curent alternativ, deoarece și tensiunea sa alternează, în elemente de impedanță reactivă, cum ar fi inductori (L) și condensatori (C), unde este stocat și integrat. Acest proces separă puterea asociată cu potențialele pozitive și negative. Filtrele sunt utilizate pentru a uniformiza energia stocată, ceea ce duce la crearea unei surse de curent continuu pentru alte circuite. Acest circuit poate lua mai multe forme, dar cuprinde întotdeauna aceleași elemente esențiale și poate avea una sau mai multe etape de conversie. Convertorul reprezentat în figura 1 se numește „convertor forward”, care are o eficiență mai mare decât o arhitectură ceva mai simplă; un „convertor flyback”. Deși nu se discută în detaliu, un convertor „flyback” diferă de un convertor „forward” prin faptul că funcționarea sa depinde de energia stocată în golul de aer al transformatorului din circuit. În afară de această diferență, ele pot utiliza aceleași blocuri esențiale.

Figura 1: Diagrama blocurilor funcționale ale unei surse de alimentare AC/DC cu convertor direct

Bloc de filtrare a intrării
Un filtru de intrare este important deoarece previne ca zgomotul produs în elementele de comutare ale sursei de alimentare să ajungă înapoi în rețeaua de alimentare. De asemenea, acesta previne ca zgomotul care se poate afla pe sursa de alimentare de la rețea să ajungă în circuitele ulterioare. Filtrul trece prin frecvența rețelei de 50/60Hz și atenuează zgomotul de frecvență mai mare și armonicele care ar putea fi prezente. Ca și în cazul altor părți ale unui convertor de curent alternativ la curent continuu, elementele reactive, cum ar fi condensatorii și inductorii, îndeplinesc rolul important de suprimare selectivă a frecvenței. Condensatoarele nu trec curentul continuu și pot fi utilizate în serie (ca elemente de „filtru de trecere înaltă” care blochează curentul continuu) sau în paralel (pentru a deriva frecvențele înalte la masă, împiedicându-le să treacă prin convertor).

Blocul de filtrare de intrare va include, de asemenea, în mod obișnuit, o rezistență dependentă de tensiune sau un varistor pentru a împiedica ca vârfurile de tensiune ridicată de pe rețeaua electrică să deterioreze sursa de alimentare. Aceasta este cutia dreptunghiulară cu o linie diagonală care o traversează la intrare în figura 1. Cel mai comun tip de varistor este un varistor cu oxid metalic (MOV). Orice tensiune peste „tensiunea de blocare” a dispozitivului face ca MOV-ul să devină conductiv, șuntând vârful de înaltă tensiune și suprimând supratensiunea.

Rectificare
Cele mai simple convertoare AC/DC cuprind un transformator care urmează filtrarea intrării, care trece apoi pe un redresor pentru a produce curent continuu. În acest caz, redresarea are loc după transformator, deoarece transformatoarele nu trec curentul continuu. Cu toate acestea, multe convertoare CA/CC utilizează topologii de conversie mai sofisticate, în mai multe etape, așa cum este ilustrat în figura 1, datorită avantajelor legate de cerințele mai mici ale transformatorului și de zgomotul mai mic retrimis la rețeaua de alimentare.

Rectificatoarele sunt implementate folosind dispozitive semiconductoare care conduc condiționat curentul într-o singură direcție, precum diodele. Redresoarele cu semiconductori mai sofisticate includ tiristoarele. Redresoarele controlate cu siliciu (SCR) și triodele pentru curent alternativ (TRIAC) sunt analoage cu un releu în sensul că o cantitate mică de tensiune poate controla fluxul unei tensiuni și al unui curent mai mare. Modul în care acestea funcționează este că ele conduc numai atunci când o „poartă” de control este declanșată de un semnal de intrare. Prin pornirea sau oprirea dispozitivului la momentul potrivit, în timp ce curge forma de undă de curent alternativ – curentul este dirijat pentru a crea o separare de curent continuu. Există multe circuite pentru a face acest lucru, cu semnale extrase din forma de undă de curent alternativ utilizate ca semnale de control care stabilesc cadranele de fază în care tiristoarele sunt pornite sau oprite. Aceasta este comutația și poate fi fie naturală (în cazul unei diode simple), fie forțată, ca în cazul dispozitivelor mai sofisticate.

Sursele de alimentare cu randament ridicat pot folosi dispozitive active precum MOSFET-urile ca întrerupătoare în astfel de circuite. Motivul pentru care se folosesc topologii mai complexe este, de obicei, pentru îmbunătățirea eficienței, pentru a reduce zgomotul sau pentru a acționa ca un control al puterii. Diodele au o cădere de tensiune intrinsecă pe ele atunci când conduc. Acest lucru face ca puterea să fie disipată în ele, dar alte elemente active pot avea o cădere mult mai mică și, prin urmare, pierderi de putere mai mici. Circuitele SCR și TRIAC sunt deosebit de frecvente în circuitele de control al puterii cu costuri reduse, cum ar fi exemplul de mai jos – utilizate pentru a dirija și controla direct curentul furnizat sarcinii pe măsură ce rețeaua de intrare alternează. Rețineți că aceste implementări nu sunt galvanice atunci când nu au un transformator în circuit – sunt utile doar în circuitele adecvate, cum ar fi controlul direct al luminii conectate la rețea. Ele sunt, de asemenea, utilizate în sursele de alimentare industriale și militare de mare putere, unde simplitatea și robustețea sunt esențiale

Figura 2: Conversia bazată pe SCR

Corecția factorului de putere (PFC)
Acesta este cel mai complicat aspect al unui convertor de înțeles. PFC este un element esențial în îmbunătățirea eficienței unui convertor prin corectarea fazei relative a curentului absorbit față de forma de undă a tensiunii pentru a menține factorul de putere optim. Acest lucru reduce caracteristicile de „sarcină reactivă” pe care convertorul le-ar putea prezenta altfel la rețeaua de alimentare. Acest lucru este esențial pentru menținerea unor rețele electrice eficiente și de înaltă calitate, iar companiile de furnizare a energiei electrice pot chiar să impună tarife speciale pentru curentul reactiv clienților care au factori de putere slabi. PFC pasiv sau activ se referă la faptul că pentru corectarea relațiilor de fază se utilizează elemente active sau elemente pasive. PFC cu semiconductori se poate referi la circuitele integrate cu scop special cu controlori integrați, adaptate pentru a monitoriza și regla în mod activ circuitul PFC, reducând numărul de componente și simplificând proiectarea generală, obținând în același timp o performanță mai mare. Acestea pot încorpora și alte funcții, cum ar fi protecția la supra/subtensiune, protecția la supracurent, pornirea ușoară și detectarea/răspunsul la defecțiuni.

Convertorul reprezentat 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 pulsatorie și puterea de ieșire relativ constantă a etajului. A se vedea secțiunea „Stocarea energiei reactive” pentru mai multe detalii în acest sens. Convertoarele PFC în două trepte sunt utilizate în mod obișnuit, deoarece nu trebuie să gestioneze o gamă de tensiune atât de largă 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 ceea ce privește dimensiunea condensatorului, iar acest lucru poate contribui la reducerea costurilor.

Etapa de putere
Etapa de putere controlează puterea livrată de la partea primară la partea secundară prin intermediul transformatorului. Acesta cuprinde un dispozitiv activ de comutare care comută la o frecvență ridicată care poate fi de ordinul sutelor de kHz. Starea de activare/dezactivare a comutatorului este controlată de o intrare de modulare a lățimii impulsurilor (PWM) care se modifică în funcție de cantitatea de putere care trebuie furnizată dinamic sarcinii. Această informație este obținută printr-o cale de reacție din partea secundară, care poate fi comunicată printr-o serie de tehnici care țin seama de cerințele de izolare ale convertorului. Comutarea de frecvență mai mare are ca rezultat un necesar de transformator mai mic, reducând dimensiunile și costurile.

Transformator
Un transformator este alcătuit din fire înfășurate pe un miez comun care se cuplează între ele prin inducție electromagnetică. Acest lucru este important atunci când se conectează la surse de înaltă tensiune (rețea) – denumită conversie „off-line”, deoarece cuplarea inductivă deconectează rețeaua de la circuitul ulterior, un scenariu mult mai sigur decât conectarea directă. Această cuplare printr-un câmp electromagnetic, mai degrabă decât printr-un circuit de cupru direct, numită „izolare galvanică”, limitează energia maximă care poate provoca șocuri electrice sau descărcări cu scântei periculoase la energia stocată în liniile de flux ale câmpului magnetic al transformatorului. Capacitatea (legată de dimensiuni și materiale) transformatorului de a stoca energie este un considerent important în proiectarea convertoarelor, deoarece dictează cât de bine transformatorul poate furniza energia necesară pentru a menține potențialul de tensiune dorit în condiții de schimbare a sarcinii.

Detalii despre teoria și funcționarea transformatorului pot fi găsite aici.

Figura 1 are un bloc numit „Mag Amp Reset” asociat cu demagnetizarea transformatorului datorită unui curent de magnetizare inerent arhitecturii. Fără acest lucru, remanența materialului miezului l-ar satura în câteva cicluri ale PWM-ului etajului de putere. Deși este prea complex pentru a fi abordat în acest tutorial, acest circuit suplimentar poate fi foarte confuz atunci când se revizuiesc diagramele de circuit ale convertorului și este util să se știe de ce este necesar. Există o serie de tehnici pentru a efectua demagnetizarea, cea mai simplă fiind aceea că atunci când comutatorul etajului de putere este oprit, un curent de demagnetizare este alimentat prin dioda de întoarcere printr-o înfășurare auxiliară separată. Acest circuit restricționează ciclul maxim de funcționare PWM la 50%, dar se pot folosi metode mai complexe pentru a permite cicluri de funcționare mai mari.

Transformatoarele sau alte metode de izolare galvanică (cum ar fi optocuploarele) sunt utilizate frecvent pentru a comunica semnale de informare între partea primară și cea secundară. Acest lucru este necesar pentru a facilita un control mai complex al procesului de conversie – permițând unui circuit de control situat pe partea primară să răspundă la starea sarcinii de pe partea secundară și să schimbe în mod dinamic modul în care dirijează curentul pentru a obține un zgomot mai mic și un randament mai mare.

Circuite de ieșire
Cum s-a menționat în secțiunea de filtrare, câmpurile electrice din elementele reactive pasive (de stocare), cum ar fi condensatorii și inductorii, stochează energie. Atunci când sunt utilizate după rectificarea de dirijare a sarcinii, ele acționează ca un rezervor de energie în timpul ciclului de putere de intrare alternativ. Acesta este un element vital într-un convertor, deoarece această stocare de energie acționează ca o sursă – permițând o tensiune de ieșire constantă în condiții de sarcină variabilă. Elementele active detectează tensiunea prezentată la sarcină și/sau curentul care circulă în sarcină și, într-o buclă de control cu reacție negativă, utilizează aceste informații pentru a ajusta 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 porni și opri curentul care circulă în elementele de stocare, la care se face referire sub conceptul larg de reglare.

Reglare
Avem nevoie de o tensiune constantă prezentată unui circuit de sarcină, indiferent de impedanța dinamică a sarcinii. În lipsa acesteia, pot apărea condiții de supratensiune sau de subtensiune, ceea ce duce la un comportament fals al circuitului sau chiar la deteriorarea acestuia. Acest lucru este valabil în special în cazul electronicii digitale de joasă tensiune, unde tensiunile de alimentare trebuie să fie strâns constrânse într-o fereastră de câteva procente dintr-o valoare nominală. Elementele reactive nu au niciun control încorporat în acest sens. Modul în care un convertor CA/CC realizează o fereastră strict controlată a tensiunii de ieșire este prin controlul condiționat al energiei stocate în sursa de stocare reactivă de joasă impedanță.

Tensiunea de ieșire se va modifica în timp pe măsură ce energia se scurge din aceste elemente și poate avea, de asemenea, variații cauzate de caracteristicile neideale ale dispozitivelor – cum ar fi rezistența în serie sau capacitatea parazită. Este necesar un anumit tip de control dinamic pentru a reîncărca această sursă. Acest lucru se numește reglare. Sarcinile, cum ar fi microprocesoarele, modifică puterea pe care o solicită pe măsură ce efectuează diferite operații, iar acest lucru exacerbează nevoia de a avea o reglare dinamică activă.

Controlul de reglare este un circuit de reacție 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, acesta trebuie să fie fie puternic activat (cea mai mică impedanță posibilă) sau puternic dezactivat (cea mai mare impedanță posibilă) – deoarece stările intermediare duc la disiparea și irosirea energiei care călătorește prin comutator. Întrerupătoarele cu semiconductori, cum ar fi MOSFETS, nu sunt ideale și prezintă o anumită impedanță, disipă energie, ceea ce scade eficiența conversiei.

Există doar două modalități reale de a controla un întrerupător, prin variația ciclului de funcționare a unui întrerupător, numit PWM (Pulse Width Modulation) sau prin controlul frecvenței de conectare sau deconectare. Convertoarele în mod nerezonant utilizează tehnici de comutare dură, dar convertoarele în mod rezonant utilizează o tehnică de comutare soft mai inteligentă. Comutarea soft înseamnă activarea sau dezactivarea formelor de undă ale curentului alternativ în punctele de tensiune zero sau de curent zero, eliminând pierderile de comutare și conducând la arhitecturi cu eficiență foarte ridicată. Tehnici precum rectificarea sincronă înlocuiesc diodele de rectificare cu elemente active de comutare precum MOSFETS. Controlul comutării sincronizate cu forma de undă de curent alternativ de intrare permite MOSFET-ului să conducă cu o rezistență de pornire foarte mică și o 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 să comute? Există două metode principale ale modului de control: controlul tensiunii și controlul curentului. Regulatoarele utilizează una sau o combinație a celor două metode pentru a regla tensiunea prezentată circuitului de sarcină.

Modul de control al tensiunii

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.

Modul de control al curentului

Se detectează atât tensiunea de ieșire cât și curentul inductorului, iar combinația este utilizată pentru a controla ciclul de funcționare. Această „buclă interioară de detectare a curentului” permite un timp de răspuns mai rapid la modificarea sarcinii, dar este mai complexă decât modul de control al tensiunii.

Complicând și mai mult elementul de reglare, dincolo de metoda de control, modul în care un convertor acționează ca un ciclu de comutație se numește mod de funcționare continuu sau discontinuu. Un mod de funcționare continuu este cel în care curentul inductorului nu scade niciodată la zero (dacă topologia convertorului are unul). Acesta este un mod de funcționare cu o ondulație de ieșire mai mică și, prin urmare, cu un zgomot mai mic, dar, întrucât inductorul este mereu în conducție, acesta disipează mereu o parte din energie în pierderile sale de conducție serie neideală. În modul discontinuu, curentul inductorului este lăsat să ajungă la zero, ceea ce face ca sarcina să obțină energie de la condensatorii de stocare. Acesta este un mod de funcționare cu randament mai ridicat, dar are potențial mai multă ondulație și un control mai slab al reglării.

Tipuri de convertoare
După cum s-a menționat pe scurt, există mai multe tipuri de convertoare legate de topologia lor, inclusiv arhitecturi flyback și buck- flyback. Acestea sunt topologii comune, deoarece încorporează transformatoare, au un număr redus de componente și pot avea un cost redus în raport cu alte opțiuni. Convertoarele flyback sunt un convertor buck-boost (step-up/step-down) cu inductorul înlocuit cu un transformator. Energia stocată în interiorul transformatorului este utilizată pentru a comuta secundarul prin intermediul unui circuit de redresare activ sau pasiv. Cel mai comun tip de convertor flyback utilizează modul discontinuu (DCM) – cu curentul care circulă 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 niveluri de putere mai mari, dar au ca rezultat pierderi mai mari la înfășurarea transformatorului din cauza conducerii continue. Multe surse de alimentare trec de la un mod la altul în funcție de nivelul de sarcină. Variantele cvasi-rezonante (QR) și cu comutare în vale/cu frecvență variabilă ale topologiei flyback sunt circuite mai complexe care optimizează momentul și modul în care are loc comutarea pentru a îmbunătăți eficiența. Flyback-ul QR realizează acest lucru prin reciclarea energiei inductanțelor de scurgere neideale, iar comutarea în vale reduce vârfurile cauzate de depășire. Acestea sunt utilizate de obicei în aplicații de mică putere.