Circuit convertidor de corrent altern a corrent continu

A l'era moderna, gairebé tots els aparells electrònics domèstics funcionen amb corrent continu (CC), però obtenim corrent altern (AC) de les centrals de generació d'energia mitjançant línies de transmissió perquè el CA es pot transmetre de manera més eficient que el corrent continu amb un cost més baix. Així doncs, tots els aparells que funcionen amb corrent continu tenen circuit convertidor de corrent altern a corrent continu. Anteriorment vam construir un carregador de 5V per a mòbils que també tenia un circuit convertidor AC-DC.

Hi ha principalment dos tipus de convertidors àmpliament utilitzats per a converses AC-DC.

Un és el convertidor lineal tradicional basat en transformadors que utilitza un senzill pont de díodes, condensador i regulador de voltatge. El pont de díodes simples es pot construir amb un dispositiu semiconductor únic com DB107 o amb 4 díodes independents com l'1N4007. L’ altre tipus de convertidor és l’alimentació en mode SMPS o Switch que utilitza un transformador petit d’alta freqüència i un regulador de commutació per proporcionar sortida de CC.

En aquest projecte, parlarem del disseny tradicional basat en transformadors que utilitzen díodes i condensadors simples per convertir el corrent altern en corrent continu i un regulador de voltatge opcional per regular la tensió de sortida de CC. El projecte serà un convertidor AC-DC mitjançant transformador amb una tensió d’entrada de 230V i una sortida de 12V 1A.

Components necessaris

1. Transformador amb classificació 1A 13V

2,4 pcs 1N4007 díodes

3. Un condensador electrolític 1000uF amb la qualificació de 25V.

4. Pocs cables de fil únic

5. Taula de pa

6. LDO o un regulador de tensió lineal segons les especificacions (aquí s’utilitza LM2940).

7. Un multímetre per mesurar la tensió.

Diagrama del circuit i explicació

L’esquema d’aquest circuit convertidor AC-DC és senzill. El transformador s’utilitza per reduir la tensió de 230 V CA a 13 V CA.

Aquí s’utilitzen quatre díodes rectificadors d’ús general 1N4007 per retificar l’entrada de CA. L'1N4007 té un voltatge invers repetitiu màxim de 1000V amb un corrent directe rectificat mitjà d'1A. Aquests quatre díodes s’utilitzen per convertir la sortida de 13 V CA a través del transformador. Els díodes s’utilitzen per fabricar un convertidor de pont que és una part essencial del circuit de conversió de CA a CC. Per obtenir més informació sobre el circuit rectificador Bridge, seguiu l'enllaç.

Filtre condensador, C1 s'afegeix després del convertidor de pont per suavitzar la tensió de sortida.

El LDO, IC1 també està connectat per regular la tensió de sortida.

Funcionament del circuit del convertidor de CA a CC

S’utilitza un transformador descendent per convertir l’alta tensió CA a la baixa tensió. El transformador està muntat en PCB i és un transformador d’1 amperi de 13 volts. No obstant això, durant la càrrega, la tensió del transformador cau aproximadament de 12,5-12,7 volts.

La part essencial del circuit és un pont de díodes que consta de quatre díodes. El díode és un dispositiu electrònic semiconductor que converteix el corrent altern en corrent continu.

El flux de corrent dins del pont de díodes es pot veure a la imatge següent.

Aquí dos díodes D2 i D4 bloquegen el pic negatiu del corrent altern i fan que el corrent flueixi en la direcció única. Es tracta d’un rectificador de pont complet que significa que el pont de díodes rectifica tant el pic positiu com el negatiu del senyal de corrent altern.

El gran condensador C1 es carrega durant la conversió i suavitza la tensió de sortida. Però, al final, no es tracta d’una sortida de tensió regulada. Aquí la regulació de la tensió la realitza el LDO, LM2940, que és IC1 a l’esquema.

El LDO, LM2940 és un dispositiu de 3 pins al paquet TO220. LDO significa baixa tensió d'abandonament. El diagrama de pins es pot mostrar a la imatge següent.

Alguns reguladors de tensió tenen limitacions en la tensió d'entrada que és necessària per proporcionar una regulació de tensió garantida a tota la sortida del regulador. En pocs reguladors lineals, es denota que requereix una diferència mínima de 2 volts entre la tensió d'entrada i la tensió de sortida, és a dir, per a una sortida regulada de 12 volts, el regulador requereix almenys 14 volts d'entrada d'entrada per garantir una tensió de sortida regulada de 12 volts. En general, els reguladors de baix voltatge (LDO) requereixen diferències de voltatge mínimes entre entrada i sortida. Per al full de dades LM2940, es requereix una diferència mínima de 0,5 volts entre l'entrada i la sortida. Hem utilitzat un regulador LDO de tensió fixa de Texas Instruments. El LM2940, que té una potència nominal de 12 volts.

La sortida es pot veure perfectament a la imatge següent.

Comproveu el funcionament complet al vídeo que apareix al final.

El convertidor de CA a CC basat en transformadors és molt comú quan es necessita la conversió de CA a CC d’alt voltatge. És més habitual en sistemes d'amplificació, diversos adaptadors de potència, estacions de soldadura, equips de prova, etc.

Limitacions del circuit convertidor AC-DC basat en transformadors

La conversió de CA a CC basada en transformadors és una opció habitual on es requereix CC però té certs inconvenients.

1. Qualsevol situació en què la tensió de CA d’entrada tingui possibilitats de fluctuar o si la tensió de CA cau significativament, la tensió de CA de sortida a través del transformador també cau. Per tant, un convertidor de 230 V CA a 12 V CC no es pot alimentar en una línia de 110 V CA. Per solucionar aquest problema, es proporciona una configuració addicional per a diferents nivells de voltatge d'entrada.

2. Tot i no tenir un rang de voltatge d’entrada universal, és una elecció costosa, ja que el transformador costa més del 60% del cost total de fabricació del circuit convertidor.

3. Una altra limitació és la baixa eficiència de conversió. El transformador s’escalfa i malgasta energia innecessària.

4. El transformador és una cosa pesada que augmenta innecessàriament el pes del producte.

5. A causa del transformador, es requereix un espai més gran dins del producte per adaptar-se al circuit del convertidor o, com a mínim, al transformador.

Per superar aquestes limitacions, l’alimentació en mode de commutació o SMPS és una opció preferible.