Преобразователи переменного тока в постоянный (AC to DC Converters) являются одними из важнейших элементов в силовой электронике. Это связано с тем, что существует множество реальных приложений, основанных на этих преобразованиях. Электрические цепи, которые преобразуют переменный ток (alternating current, AC) на входе в постоянный ток (direct current, DC) на выходе, известны как преобразователи переменного тока в постоянный ток (AC-DC converters). Они используются в силовых электронных приложениях, где входная мощность представляет собой синусоидальное напряжение переменного тока частотой 50 Гц или 60 Гц, требующее преобразования мощности для постоянного тока на выходе.
Процесс преобразования переменного тока в постоянный ток называется выпрямлением. Выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный ток на концевом соединении нагрузки. Аналогично, трансформаторы обычно используются для регулировки источника переменного тока с целью снижения уровня напряжения для лучшего рабочего диапазона постоянного тока.
Понятие переменного тока (AC) и постоянного тока (DC)
Переменный ток
В переменном токе ток меняет направление и течет вперед и назад. Ток, направление которого периодически меняется, называется переменным током (AC). Он имеет ненулевую частоту. Его вырабатывает генератор переменного тока, динамо-машина и т. д.
Постоянный ток
В постоянном токе ток не меняет своей величины и полярности. Если ток всегда течет в одном и том же направлении в проводнике, то он называется постоянным током. Он имеет нулевую частоту. Он вырабатывается батарейками, аккумуляторами, генератором постоянного тока и т. д.
Простые шаги для преобразования переменного тока в постоянный
Теперь рассмотрим как работают преобразователи переменного тока в постоянный. Рассмотрим часто используемый преобразователь в цепи электропитания, преобразователь 230 В переменного тока в 5 В постоянного тока.
1. Понижение уровня напряжения
Иногда напряжение необходимо повышать при передаче электроэнергии на большие расстояния. Аналогично, напряжение необходимо понижать для оборудования, которое использует меньшую мощность. Повышающие трансформаторы используются для повышения уровня напряжения, а понижающие трансформаторы используются для понижения уровня напряжения. О различных типах трансформаторов и их применении можно прочитать в этой статье.
Рассмотрим трансформатор с выходом 12 В. Источник питания переменного тока 230 В преобразуется в 12 В переменного тока с помощью понижающего трансформатора. Среднеквадратичное значение и его пиковое значение могут быть получены путем умножения квадратного корня из двух на среднеквадратичное значение и приблизительно равны 17 В, что в данном случае является выходом понижающего трансформатора.
2. Схема преобразователя переменного тока в постоянный
Выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный ток на концевом соединении нагрузки. Существуют различные типы выпрямителей, такие как однополупериодные, двухполупериодные и мостовые выпрямители.
Полный мостовой выпрямитель состоит из четырех диодов, соединенных в виде моста. Диод проводит ток только в одном направлении, т. е. при прямом смещении. Он остается в выключенном состоянии в другом направлении, т. е. при обратном смещении.
В приведенной выше схеме во время положительного полупериода диоды D2 и D4 проводят ток. А во время отрицательного полупериода источника питания диоды D1 и D3 проводят ток. Таким образом входная переменная мощность выпрямляется в выходную постоянную мощность. Но проблема в том, что выходная постоянная мощность состоит из импульсов и не является чистым постоянным током.
3. Получение чистой формы постоянного тока
Нам нужно преобразовать пульсирующий постоянный ток в чистый постоянный ток. Для этого в большинстве схем используются конденсаторы. Конденсатор используется для хранения энергии, пока входное напряжение увеличивается от нуля до своего пикового значения. Энергия из конденсатора может быть разряжена, пока входное напряжение уменьшается от своего пикового значения до нуля.
Таким образом, мы можем преобразовать пульсирующий постоянный ток в чистый постоянный ток, используя этот процесс зарядки и разрядки конденсатора.
4. Регулировка постоянного напряжения
Чтобы зафиксировать выходное напряжение на фиксированном желаемом значении, мы, наконец, используем микросхему (ИС) регулятора напряжения. ИС регулятора постоянного напряжения имеет название 78XX. Последние две цифры XX представляют собой значение выходного напряжения. Например, чтобы ограничить выходное напряжение до 5 В, мы используем ИС регулятора напряжения 7805. А чтобы ограничить напряжение до 9 В, мы используем ИС регулятора напряжения 7809.
Приложения
Преобразователи переменного тока в постоянный используются практически во всех электронных и электрических устройствах. Они используются в качестве цепей питания для бытовых приборов, таких как пылесосы, стиральные машины, холодильники, электрические рисоварки. В повседневной жизни с их помощью запитываются такие устройства как компьютеры, телевизоры, зарядные устройства для мобильных телефонов и т. д. Преобразователи переменного тока в постоянный играют очень важную роль в этом процессе.
Большинство электронных датчиков и модулей работают только от постоянного тока, поэтому они используют преобразователи переменного тока в постоянный. Они также используются в медицинском оборудовании, автоматизации производства, автоматизации зданий и системах для умного дома, системах управления процессами, вывесках и телекоммуникациях.
Другими сферами применения преобразователей переменного тока в постоянный являются управление возобновляемыми источниками энергии, испытательное и измерительное оборудование, оборона, аэрокосмическая промышленность и транспортные системы.
