Complicații semnificative apar atunci când încercați să alimentați alimentarea cu energie electrică de la o priză de perete.

A face o tensiune de curent continuu dintr-o sursă de curent alternativ înseamnă că va trebui să rectificați tensiunea de curent alternativ pentru a obține o magistrală de curent continuu. O diferență față de un convertor DC-DC este că puteți utiliza o sursă de alimentare liniară cu o tensiune alternativă. Asta înseamnă că puteți profita de utilizarea unui transformator pentru a reduce sau crește tensiunea de curent alternativ și apoi a rectifica rezultatul. Cel mai apropiat de o sursă de alimentare liniară cc-cc ar fi un motor de curent continuu care acționează un generator de curent continuu, ceea ce nu este o propunere foarte eficientă.

Puterea liniară de curent alternativ are încă un loc în consumabilele de laborator și audio de ultimă generație, dar cea mai modernă conversie de energie utilizează regulatoare de tensiune de comutare, nu liniare. În această aplicație, veți corecta tensiunea de curent alternativ pentru a crea o magistrală de curent continuu. Odată ce aveți această magistrală DC, puteți utiliza oricare dintre arhitecții de conversie a puterii DC-DC pentru a face tensiunea sau tensiunile finale de ieșire de care aveți nevoie.

Problema cu rectificarea

Deși simplă din punct de vedere conceptual, rectificarea curentului alternativ de intrare adaugă o serie de probleme la sursa de alimentare. Cea mai mare parte a rectificării se face cu diode. Aceste diode vor crea vârfuri de comutare în timp ce funcționează, care pot trimite zgomot condus înapoi în priza de perete. De asemenea, vor avea o cădere de tensiune înainte, care consumă energie.

Puteți utiliza o punte MOSFET pentru a corecta conexiunea alternativă, dar este o provocare semnificativă de control. Am un prieten care a făcut acest lucru pentru termostatul Nest, care este alimentat de 24 V ca utilizat pentru termostatele convenționale. Aceasta este o adevărată provocare de putere, deoarece pornirea cuptorului sau a aerului condiționat se bazează pe scurtcircuitarea a 24 V ca la termostat - așa funcționează un termostat convențional. Cuibul atrage un curent foarte mic pentru a-și încărca bateriile. Apoi, poate scurtcircuita intrarea de 24 V c.a.pentru a porni cuptorul, utilizând același pod FET, în timp ce funcționează pe baterii. Termostatul Nest are nevoie de fiecare cantitate mică de energie pe care o poate obține; de aici și nevoia de a elimina o simplă punte cu diode.

Rectificarea ac are alte probleme, cum ar fi curentul de supratensiune pe care îl va trage (Fig. 1). Acest lucru este diferit de curentul de intrare, pe care îl au și sursele de curent continuu, când le aplicați prima dată energie. Curenții de supratensiune apar deoarece diodele rectificatoare pot conduce numai atunci când tensiunea de intrare alternativă este mai mare decât tensiunea de magistrală de curent continuu pe care o creați. Asta înseamnă că există o scurtă creștere de curent numai la vârfurile de tensiune alternativă. Acest lucru face ca factorul de putere al unei surse de curent alternativ să fie slab. Factorul de putere este o măsură a coerenței tensiunii și curentului furnizat de linia de curent alternativ.

este

1. Când o punte cu diode rectifică o intrare de curent alternativ, curentul curge numai atunci când tensiunea de curent alternativ de intrare este mai mare decât tensiunea de curent continuu pe care o creează. Acest lucru provoacă supratensiuni de curent pe o perioadă mică a formei de undă, ceea ce reduce factorul de putere. (Amabilitatea lui Jose Soares Augusto, quora.com)

Pentru sarcini inductive, cum ar fi motoarele, curentul alternativ va întârzia tensiunea alternativă. Pentru o sarcină capacitivă, curentul duce la tensiune. În ambele cazuri tensiunea și curentul sunt defazate, deci factorul de putere scade de la idealul „1.” Odată cu rectificarea, factorul de putere scade dintr-un motiv diferit. În timp ce creșterea curentului ar putea fi în fază cu tensiunea, se întâmplă doar pentru o scurtă perioadă a formei de undă alternativă.

Corectați-vă factorul de putere

Deși factorul de putere slab nu va crește costul energiei electrice pentru dvs., înseamnă că compania de energie electrică are nevoie de fire mai mari pentru a transporta sarcinile curente intermitente. Multe țări au dezvoltat standarde care necesită o sursă de curent alternativ off-line cu corecție a factorului de putere (PFC). PFC se asigură că curentul de intrare la sursa de alimentare este un sinusoid care este în fază cu tensiunea de intrare.

PFC adaugă un alt regulator de comutare la sursa de curent alternativ. Front-end-ul PFC este de obicei un convertor boost (Fig. 2). Întrucât crește intrarea alternativă la o tensiune mai mare, poate de 350 V c.c., convertorul poate extrage curent de la linia alternativă în aproape toate momentele formei de undă. Cipul de control va modula lățimea impulsurilor (PWM) tranzistorilor convertorului de creștere pentru a face curentul extras din linia de curent alternativ să fie direct proporțional cu tensiunea. Nu poate trage curent la punctele de trecere zero, deci factorul de putere nu poate fi perfect. Cu toate acestea, este posibil să treci peste 0,9, ceea ce rezolvă problema majoră.


2. Un front-end de corecție a factorului de putere (PFC) este de obicei un convertor de impuls care poate extrage curent de la intrarea de curent alternativ pentru tot ciclul de intrare.

În plus față de necesitatea rectificării într-o sursă de curent alternativ, există diferențe în modul în care rectificați linia de curent alternativ. Tensiunile de rețea la nivel mondial pot varia de la 100 V în Japonia la 240 V în Europa. În sursele de alimentare liniare vechi, l-ați putea solicita pe utilizator să arunce un comutator pentru a schimba un robinet de înfășurare pe transformatorul de intrare pentru a adapta aceste tensiuni diferite. Cu o sursă de comutare, comutatorul ar putea schimba cablajul; prin urmare, utilizați o punte cu diodă completă cu tensiunile ridicate și o jumătate de pod cu tensiunile inferioare (Fig. 3). Acest lucru permite ca magistrala de curent continuu pe care o creați să fie mai aproape de aceeași valoare, chiar dacă tensiunea de intrare c.a redus la jumătate.


3. Adăugarea unui comutator la un redresor de punte îl va transforma într-un dublor de tensiune care utilizează două dintre diode. Acest lucru vă permite să dublați intrările de 120 V și să rectificați intrările de 240 V, făcând aceeași tensiune de ieșire de curent continuu. Puteți detecta tensiunea cu circuite și puteți utiliza un comutator electronic automat. (Amabilitatea Wikimedia)

Odată cu disponibilitatea în creștere a MOSFET-urilor din carbură de siliciu (SiC), multe capete frontale PFC utilizează rectificarea totem-pol (Fig. 4 și 5). SiC are un timp neglijabil de recuperare inversă, deci nu există nicio intervenție în rectificare. Cele două FET SiC costă mai mult de două diode, dar câștigul de eficiență ar putea fi meritat pentru dvs. Odată ce SiC și cipul de control rectifică ac, menținând în același timp factorul de putere, aveți apoi o magistrală de curent continuu de înaltă tensiune cu care puteți utiliza oricare dintre arhitecții convertorului de cc-cc pentru a vă face tensiunea de ieșire finală. De asemenea, puteți utiliza etapa dc-dc pentru a crea o graniță de izolare, dacă doriți.


4. Un circuit PFC totem-pole funcționează ca un convertor boost. Cu intrare pozitivă, așa cum este indicat de semnele plus și minus de pe sursă, curentul se acumulează în inductor atunci când S2 este închis (a) și apoi curge în sarcină prin S1 (b). SD2 ar putea fi o diodă, dar un tranzistor SiC îmbunătățește eficiența. (Amabilitatea Texas Instruments)


5. Când intrarea de curent alternativ devine negativă pe un circuit PFC totem-pol, tranzistoarele conduc curentul în inductor în sens invers (a). Când S1 se deschide și S2 se închide, acesta trimite curent în sarcină (b). SD1 ar putea fi o diodă, dar un tranzistor SiC îmbunătățește eficiența. (Amabilitatea Texas Instruments)

O multitudine de standarde

O diferență majoră între consumabilele de curent alternativ și curent continuu este că consumabilele curent alternativ trebuie să fie conforme cu mult mai multe standarde de reglementare. Ambele consumabile au standarde FCC și CE pentru zgomotul electromagnetic, dar tensiunea mai mare a alimentărilor de curent alternativ le face supuse standardelor de incendiu și siguranță. Deoarece majoritatea consumabilelor de curent alternativ au izolație față de tensiunea de perete, aceasta necesită și listări UL, CSA și CE.

Dacă creați un dispozitiv medical, este posibil să aveți nevoie de modele și mai stricte. În timp ce izolația într-o sursă convențională se poate întâmpla doar cu izolația firului din transformator, transformatoarele medicale pun înfășurările pe bobine complet separate (Fig. 6). Astfel, nu există nicio șansă ca un scurtcircuit să poată apărea între primar și secundar, ceea ce ar putea ucide un pacient.


6. Aceste transformatoare de putere de semnal au o bobină divizată pentru a îmbunătăți siguranța în convertoarele de curent alternativ. (Amabilitatea Digi-Key)

Standardele care se aplică sursei dvs. de curent alternativ vor varia în funcție de aplicație. Există diferite standarde pentru produsele de informare, medicale și de telecomunicații. Există, de asemenea, diferite reglementări pentru Clasa I, unde ștecherul are un știft de împământare și Clasa II, adesea numită „dublu izolată”, unde sursa de alimentare nu este conectată la pământ. În plus, există o clasă de sursă de alimentare limitată (LPS) cu specificații relaxate în condiții de siguranță, datorită naturii limitate a disponibilității sale de energie. Corpul de reglementări este atât de complex, încât mulți designeri apelează la o companie externă de listare, cum ar fi UL sau TUV sau zecile de laboratoare de testare care sunt familiare cu toate standardele mondiale pentru aplicația dvs. specială de produs.

Considerații privind zgomotul și imunitatea

FCC și CE europene au standarde pentru emisiile de unde radio provenite de la toate consumabilele, atât ac-dc, cât și dc-dc. Dar este mai complex și mai dificil să treci cerințele pentru consumabilele de curent alternativ. Nu numai că aveți reglementări cu privire la cantitatea de interferență electromagnetică radiată (EMI), ci trebuie să vă testați sursa de curent alternativ pentru a detecta zgomotul produs; adică zgomotul pe care îl injectează înapoi în puterea de perete. Întrucât sursele de curent alternativ de curent continuă să curgă curenți mari peste tensiuni mari, vor radia mult mai mult decât o sursă de curent continuu, deci adoptarea reglementărilor EMI va fi mai dificilă.

În plus față de cerințele EMI efectuate, furnizarea dvs. de curent alternativ va avea și cerințe de imunitate. Aici trebuie să injectați EMI în cablul de linie și să demonstrați că alimentarea nu este afectată. La fel ca o sursă de curent continuu, trebuie să aibă imunitate la EMI radiat.

Toate acestea sunt în plus față de cerințele EMI, incendiu, siguranță și energie verde ale unei surse de curent alternativ. Power Integrations are un site bun care prezintă unele dintre cerințele privind sursele de curent alternativ, cum ar fi „puterea vampirului” pe care o sursă de curent alternativ o consumă chiar și atunci când este oprită.

În timp ce unii ingineri evită provocarea proiectării alimentării cu curent alternativ, inclusiv pericolul de a dezvolta circuite de înaltă tensiune, există o rasă în creștere de ingineri analogi care salută provocarea și recompensele, de a face produse sigure, eficiente și ecologice care împingeți stadiul tehnicii.