Un convertidor AC-DC se usa comúnmente en muchos dispositivos. También llamado rectificador, convierte corriente alterna (CA) en corriente continua (CC). La mayoría de los dispositivos electrónicos, como computadoras, teléfonos inteligentes y circuitos electrónicos, funcionan con alimentación de CC.
Sin embargo, existen diferentes formas de convertir energía CA a CC (como se analizó en el punto anterior). Artículo sobre conversión de CA a CC ).
Para este proyecto, emplearemos una topología no aislada utilizando un convertidor reductor (ver figura 1 ). En una fuente de alimentación no aislada, una de las líneas de alimentación de CA es común a la tierra de CC, por lo que no hay aislamiento en la entrada ni en la salida.
Figura 1. Diagrama de bloques de conversión de CA a CC, con topología no aislada utilizando un convertidor Buck.
El principio de funcionamiento.
La conversión de CA a CC mediante un convertidor reductor funciona mediante topología de conmutación. El MOSFET interno en el circuito integrado (IC) del convertidor y su oscilador generan la señal de modulación de ancho de pulso (PWM), regulando el voltaje de salida a través de una red de retroalimentación.
Conceptualmente, este es el mismo principio que un convertidor reductor CC-CC. Puede obtener más información en este artículo sobre fuente de alimentación de modo conmutado (SMPS), que cubre el diseño de un convertidor reductor.
Componentes necesarios
Diagrama de circuito
Figura 2. Diagrama de circuito de una conversión de CA a CC utilizando un convertidor Buck.
Componentes
Regulador de voltaje: se debe utilizar un tipo de regulador de conmutación para este proyecto porque son más eficientes que los lineales. Hay tres tipos de reguladores de conmutación: reductor, elevador y reductor.
Para esta aplicación, utilizaremos un convertidor Buck IC con los siguientes parámetros:
- Un voltaje de drenaje MOSFET integrado
- Una tensión de alimentación operativa
- Potencia de salida
- Un diseño no aislado
VIPER22IC: este es un convertidor reductor con un MOSFET y algunos comparadores (consulte la Figura 3 ). Aquí están sus especificaciones:
- Voltaje de drenaje: 730 V
- Tensión de alimentación de funcionamiento: 9 a 38 V
- Potencia de salida – 12W
Figura 3. El diagrama interno y la distribución de pines del IC del convertidor reductor Viper22.
Como funciona
- Pin VDD : del IC se utiliza para controlar el suministro de energía al circuito interno y proporciona la corriente de carga en la etapa inicial. El comparador compara el voltaje VDD. Para VDD aproximadamente = 14,5 V, el Viper comienza a cambiar. Para VDD apagado = 8V, el Viper deja de cambiar.
- Drenaje : drenaje MOSFET y también utilizado por la fuente de carga en la etapa inicial
- Fuente : incluye la fuente MOSFET y la tierra del circuito.
- Facebook : controla el límite máximo de corriente de drenaje de IC
Protección y rectificación de alta corriente.
Para corrientes de arranque altas y cortocircuitos, se utiliza un fusible en el lado de entrada, que se quema cuando la corriente es superior a 1A.
Para convertir el voltaje de CA a CC, se utiliza un rectificador de media onda. El diodo D1 proporcionó rectificación de media onda.
Figura 4. Diagrama del circuito de filtrado de entrada.
Según la Figura 4 , C1 ayuda a reducir el ruido de interferencia electromagnética (EMI) al equilibrar las líneas principal y neutral, ya que pasará el estándar de ruido de nivel "B" EN55022 (sin embargo, si el requisito es menor, esto se puede ignorar). C2, C3 y L1 forman un filtro Pi, que también ayuda a reducir el ruido EMI.
La resistencia R2 garantiza que la corriente máxima permanezca baja durante el inicio del circuito.
Selección del condensador de filtrado
El voltaje mínimo del capacitor debe ser 1,5 veces mayor que el voltaje de entrada de CA. La capacitancia suele ser dos o tres veces la potencia de salida.
Entonces, si la entrada de CA es de 220 V, entonces...
La tensión nominal de Cin = 2*220 = 440V
Si la potencia de salida – Vout*Iout = 12*0,1= 1,2 W, entonces…
Cin = 2*1,2 = 2,4 uF
Según disponibilidad C3, C4 son 10uF/400V
Selección del condensador VDD
Figura 5. Las conexiones del circuito para seleccionar el capacitor VDD.
Cuando el dispositivo se inicie, recibirá algo de energía del inductor. El condensador C7 ayuda a filtrar y estabilizar el voltaje VDD. También establece el tiempo de inicio del IC.
La hoja de datos recomienda un condensador de 100 nF. Sin embargo, teniendo en cuenta el voltaje de salida, se puede utilizar un condensador de 4,7 uF/25 V en el circuito. El condensador C6 también filtra el voltaje al pin FB. Un pequeño picofaradio cerámico funciona para este proyecto.
Figura 6. Las conexiones del diagrama de circuito para el diodo de salida.
El diodo de salida
El diodo de salida D3 se denomina diodo de captura o de rueda libre. En el período ON-OFF del MOSFET, el inductor pasa energía a través del diodo como salida. Se requiere un diodo rectificador rápido que sea compatible con la frecuencia del IC. Cualquier caída en el diodo provoca pérdidas en el circuito, lo que afecta la eficiencia.
La caída de tensión directa:
Tensión inversa nominal del diodo > Vin
Entrada (CC) = 220*1,414 = 320 V
es decir, V franc > 320 V (en el lado seguro, se pueden usar 400 V)
Usamos el diodo BY399 para este circuito.
Cálculo de pérdidas en el diodo BY399:
P d = Caída de tensión directa *Iout
PD = 1*0,1
P d = 0,1 V
Seleccionando el inductor
Figura 7. El diagrama del circuito se conecta al inductor seleccionado.
Los inductores L2 y C9 forman un filtro en el circuito. La salida del inductor determinará los modos de operación continuo y discontinuo. En modo continuo las pérdidas son mayores que en modo discontinuo. Para obtener más información sobre estos dos modos, consulte este artículo.
La siguiente ecuación define la condición límite del inductor para los modos continuo y discontinuo. Para operar en modo discontinuo, la “L” debe ser menor que esto:
L = 0,5*R*(1-D)/f
R = carga de salida, 120E
f= frecuencia IC, 60kHz
D = ciclo de trabajo, Vo/Vin= 12/320= 0,0375
L = 1 mH (aprox.)
Usamos L2 = 1mH, que se adapta a nuestro diseño para este proyecto.
Seleccionando los diodos
Figura 8. Conexiones del diagrama de circuito para seleccionar el diodo Zener.
El circuito de trabajo
- Voltaje de drenaje : el voltaje del capacitor C4 se suministra al drenaje del IC mediante los pines 5 a 8.
- Estado APAGADO : cuando el circuito se inicia inicialmente, el Viper no cambia. La fuente de corriente interna en el suministro de IC es de 1 mA para el pin VDD. Esta corriente carga C7. Cuando el VDD alcanza los 14,5 V, las fuentes de corriente se apagan y el Viper comienza a funcionar. Durante este período, el inductor y el condensador de salida proporcionan la potencia de salida, que se carga al estado anterior (estado ON).
- Estado encendido : en este estado, el Viper está conmutando y la energía almacenada en C7 se suministra a la salida. Por lo tanto, la energía almacenada en C7 debe ser mayor que la requerida para la corriente de salida. Además, debe haber energía para cargar el capacitor de salida antes de que el VDD caiga por debajo de 8 V. Como resultado, el tiempo de carga y descarga del C7 se basa en el tiempo de ENCENDIDO y APAGADO del circuito. El inductor también se carga a través del MOSFET interno y C7 suministra energía a la salida.
- Estado de marcha libre – Este estado ocurre con el estado APAGADO. Cuando el voltaje del VDD cae por debajo de 8 V (después de suministrar energía a la salida), el Viper deja de encenderse (estado APAGADO). Luego, la fuente de corriente se encenderá nuevamente y simultáneamente el inductor comenzará a descargarse a través del diodo D3 (polarización directa).
- Regulación de salida : D2, D5 y C8 regulan el voltaje de salida. Durante el estado de marcha libre, D5 lleva C8 y D4 lleva C7. La fuente o referencia a tierra es una caída de diodo que compensa la potencia en C7 y C8. El voltaje de salida sigue siendo el mismo que el voltaje del Zener D2. El D2 es un Zener de baja corriente que proporciona la mejor precisión para el voltaje de salida.
Gestión térmica
Para la gestión del calor del IC, revise este artículo sobre la selección del disipador térmico. Es posible determinar el límite máximo de disipación de potencia del circuito con o sin disipador de calor.
Observaciones prácticas:
Vin = 220V AC, probado en caja cerrada, sin convección natural
Sin carga, Vsal = 14,88 V
La hoja de datos indica que el IC se apagará si la temperatura de la unión alcanza los 170 grados. Este circuito se apagará por encima de 100 mA de corriente sin convección natural (cuando esté cerrado).
Precauciones
- Se deben utilizar condensadores cerámicos en la entrada y salida para un filtrado adecuado, ya que ofrecen una ESR baja.
- Una señal electromagnética de alta potencia puede afectar la capacidad del convertidor para funcionar correctamente. El funcionamiento del inductor se detendrá si interfiere un campo magnético.
- Se debe evitar el cortocircuito de los terminales de salida del convertidor, ya que puede causar daños permanentes al IC.
- La tensión nominal del condensador debe ser 1,5 veces mayor que la tensión de entrada.
- Descargue completamente el condensador antes de manipular el circuito.
- Al manipular el circuito es obligatorio el uso de guantes de seguridad, especialmente en la línea de la red de salida.
- Se puede utilizar un disipador de calor para el buen funcionamiento del CI.
- No utilice una fuente de alimentación no aislada donde la carga esté cerca de una persona.
Directrices de diseño de PCB
Mantenga los golpes de potencia gruesos y cortos
Coloque el condensador de entrada y salida lo más cerca posible de los pines de entrada y salida del IC
Minimizar la longitud de la trayectoria del inductor
Mantenga los nodos de tensión y de conmutación alejados entre sí.
Mantenga todos los componentes lo más cerca posible del IC e intente reducir el tamaño de la PCB
Nota: Cuanto mayor sea la frecuencia del IC, mayores serán las pérdidas de conmutación, lo que reduce la eficiencia. Sin embargo, una frecuencia de conmutación más alta reduce el tamaño del elemento de almacenamiento de energía y mejora la respuesta transitoria.
Diseño de PCB
Hicimos la PCB del circuito usando KICAD (ver Figura 9 ).
Figura 9. Diseño de PCB del circuito de conversión de CA a CC utilizando un convertidor reductor.
Figura 10. El prototipo del circuito.