¿Fuente de alimentación conmutada basada en convertidor reductor?

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

He diseñado este circuito basado en un convertidor reductor. Solo tengo problemas para encontrar qué valores conectar. IE C1, L1 y la frecuencia para la salida de MCU.

Además, como esta será mi primera fuente de alimentación, quería obtener un análisis del circuito antes de conectarlo a la red principal.

Tenga en cuenta que me doy cuenta de que la salida del convertidor reductor tendrá que volver a convertirse en CA, pasar por un transformador para aislar el circuito y luego volver a convertirse en CC.

Componentes no especificados:

Este es un circuito teórico, por lo que no he comprometido los valores y la especificidad de los componentes. Mi pregunta es si este circuito podría funcionar teóricamente y cómo seleccionar componentes para ciertos valores de voltaje en la salida.

Operación prevista:

BR1: este puente rectificador convierte la CA principal en CC.

Divisor de voltaje R1-R2: Los valores de resistencia no están definidos porque no he seleccionado un microcontrolador para MCU. El voltaje aquí dependerá de las necesidades del microcontrolador que eventualmente seleccione como MCU.

MCU: un microcontrolador que encenderá y apagará el NPN 1 para formar los ciclos del convertidor reductor. El VCC de MCU está conectado a un transistor (PNP 1). La función de PNP 1 se puede definir como: SI no hay corriente proveniente del convertidor reductor, entonces la MCU es alimentada por el divisor de voltaje R1-R2. Esto se debe a que preferiría usar el voltaje del convertidor reductor más estable para alimentar la MCU que el voltaje inestable a través del divisor de voltaje. La MCU solo se alimentará a través del divisor de voltaje hasta que comience el primer ciclo.

NPN 1, L1, C1, D1, carga: este circuito constituye un circuito reductor directo, común y corriente, con NPN 1 que se utiliza como interruptor, disparado por MCU.

Aplicación de esta fuente de alimentación:

Estoy construyendo una grabadora láser 3 en 1, una impresora 3D y una máquina CNC. He construido un prototipo con un área de trabajo de 35 mm x 35 mm x 35 mm. Sin embargo, el prototipo funciona con una Raspberry Pi, 3 módulos dual-h-bridge y un circuito controlador de láser. El objetivo final es aplicar el código que escribí para el prototipo a una impresora completamente construida desde cero. La impresora requerirá 9V a diferentes cargas de corriente. (Es decir, el controlador del dispositivo necesita más corriente para alimentar un enrutador CNC de alto par que la extrusora de plástico 3D).

Es recomendable que intente esto, pero (1) Lo que está intentando puede ser letalmente peligroso y no es el punto de partida correcto. (2) Su circuito tiene información inadecuada para obtener respuestas útiles y está tan mal dibujado que incluso las personas con mucha experiencia tendrán problemas para averiguar qué está tratando de hacer y qué errores se han cometido. | No puede simplemente decir "U1", no proporcionar detalles ni todas las conexiones. Sus transistores no se manejan de manera realista. Ninguno de sus transistores está conectado de una manera que sugiera que harán algo útil...
... |Si se toma en serio el aprendizaje, comience con un circuito alimentado por CA de bajo voltaje (digamos, 12 VCA). Busque todas las notas de aplicación y hojas de datos para un MC34063 y comience con eso. Flexibles y baratos. | Si no mejora el diagrama y pregunta lo antes posible, las personas que hacen tales cosas lo pondrán en espera o lo cerrarán.
Bueno, la única razón por la que me metí en la ingeniería eléctrica es para construir un proyecto muy específico. Depende de la fuente de alimentación. Debería haber detallado la función de U1. Agregaré eso momentáneamente. También agregaré una explicación del circuito. Mis disculpas por el dibujo del circuito por debajo de la media.
De acuerdo con @RussellMcMahon. Para que otros entiendan un diagrama de circuito, es útil si analiza su funcionamiento previsto. Además, falta la carga. Dibújalo como una resistencia.
Las resistencias de base no son opcionales; póngalas. Q1 está al revés. Esto es un desastre total.
Tal vez esto pueda ser de alguna ayuda: electronics.stackexchange.com/questions/28251/… El diseño de su circuito puede necesitar algo de planchado.
Detener. Solo para. Aprenda a conectar y operar un solo transistor. Luego regrese a este circuito y verá que está completamente mal, incluso después de conectar NPN2 de la manera correcta, ahora es un seguidor de emisor que realmente no hará lo que usted quiere.
He hecho ediciones para acomodar su crítica. Me disculpo por los errores en el dibujo del circuito. Se ha añadido la explicación del circuito. @Andy alias, me temo que no sé a qué te refieres con "resistencias base".
He redibujado completamente el circuito. Ahora es mucho más fácil de leer. Tenga en cuenta que este es un dibujo fundamental, y la pregunta insinúa que probablemente no funcionará. La pregunta es por qué sería así, si es así. Por favor, trate de tomarlo con calma.
@Andy alias, he agregado las resistencias base. Sin embargo, sus valores no están definidos por razones similares a las detalladas en mi pregunta.
Su diagrama es MUCHO mejor (pero sigue siendo conceptualmente incorrecto; consulte a continuación). PERO mi punto original (1) todavía se aplica de manera crucial, es decir, "(1) Lo que está intentando puede ser letalmente peligroso y no es el punto de partida correcto" - No puede cambiar esto - lo que está haciendo es potencialmente fatal para usted o el circuito o ambos. Será mucho más valioso para usted (y más seguro) comenzar con un diseño conocido probablemente barato y efectivo que le enseñe los principios básicos. Tratar de diseñar y construir un conmutador fuera de línea de componentes discretos es algo similar a aprender a conducir en ...
un auto de carreras Indy 500 en una competencia de nivel medio. No solo es mucho más difícil de lo necesario, sino que tiene un sentido mínimo y te pone en peligro a ti mismo y a los demás. Complacer "solo teoría" no es lo suficientemente bueno. No es lo que realmente dice su pregunta y hacerlo fuera de línea agrega problemas que no son necesarios cuando se aprende. Hacerlo discretamente también agrega problemas de dureza y AÑADE complejidad que no necesita y de la que no se beneficiará. FWIW: he implementado reguladores reductores completamente discretos con una entrada de más de 200 V y una salida de 12 V en una situación de producción. Le aseguro que no es por ahí por donde quiere empezar :-). Entonces ...
re "... Bueno, la razón principal por la que me metí en la ingeniería eléctrica es para construir un proyecto muy específico. Depende de la fuente de alimentación. ..." -> ENTONCES , debe informarnos muy específicamente sobre sus requisitos. Es extremadamente difícil imaginar que un proyecto muy específico que es importante para ti depende de que adoptes el enfoque que eres. Si necesita alimentar un circuito de bajo voltaje desde la CA principal, hay una gran cantidad de circuitos o enfoques que podría usar que son superiores a lo que está intentando. Si tiene una necesidad que justifique este enfoque, entonces necesitamos saberlo.
Voto para cerrar esta pregunta como fuera de tema porque requiere demasiada corrección y aprendizaje por parte del operador para que la pregunta llegue a un estándar mínimo decente.
@Andyaka Tienes que levantarte de la cama por el OTRO lado (otra vez) :-) ) | Maldita sea si lo hace. Maldita sea si no lo hace. ¿No? La idea es que las malas preguntas deben mejorarse. Esto ha mejorado inmensamente | Esto comenzó como una pregunta muy fácil de cerrar, PERO ha evolucionado razonablemente bien hasta convertirse en algo que puede servir como educación para otros, así como para el OP. Si su comentario se hizo desde el principio, entonces tal vez esté bien. Pero si cree que las preguntas como esta deberían cerrarse, se necesita una gran cantidad de otras tareas domésticas aquí.
DE ACUERDO. Escuche .... PARE. Si la aplicación de esta fuente de alimentación es como dices y si quieres que el proyecto funcione, esta no es la forma de hacerlo. Incluso si esto funcionara perfectamente, no sería lo que desea o necesita para su proyecto. Las razones ya están cubiertas en los comentarios y mi respuesta. El camino más lógico (y más económico) es encontrar una fuente de alimentación existente que satisfaga sus necesidades. Luego, una vez que su proyecto principal funcione correctamente, vuelva a hacer su propia fuente de alimentación si aún lo desea. Debe aislarse con un transformador correctamente relacionado: esta es una medida sensata, ética y reglamentaria...
... requisito. No debe ser un convertidor reductor de amplio rango de voltaje de conversión* ya que hay demasiados problemas y otras formas son más fáciles y mejores. Necesita que sepa mucho más de lo que sabe (necesita aprender está bien), pero este diseño no es el que desea aprender. || *-Se pueden implementar convertidores reductores de relación de conversión amplia, pero la necesidad tiene que justificar las complejidades enfrentadas. En este caso no lo hace. Tenía una aplicación en la que Vout:Vin variaba de 1:1 a más de 17:1 y necesitaba un costo ultra bajo. Un convertidor de dinero tenía sentido en ese caso, pero es muy inusual.

Respuestas (3)

No dijo qué alimentará la fuente de alimentación, es decir, cuál es el voltaje y la corriente de salida. Por lo tanto, no está claro que un convertidor de conmutación sea realmente la mejor solución para su problema. Un regulador lineal simple o incluso una CA rectificada no regulada podría ser lo suficientemente bueno. Sin conocer el voltaje y la corriente es imposible recomendar una topología, y mucho menos los valores de los componentes.

Como han notado otros, su circuito tiene muchos problemas. Aquí están los que noté. Puede haber más.

  1. La topología general es la de un convertidor reductor-elevador inversor, no un convertidor reductor no inversor.

  2. Está utilizando el voltaje de red rectificado (~ 170 V) directamente para obtener una salida que probablemente esté en el rango de 5 V. Con un convertidor reductor, eso da un ciclo de trabajo de ~3%, que probablemente sea demasiado bajo para controlarlo de manera efectiva. Además, su suministro de entrada rectificado no tiene un condensador. Finalmente, no hay aislamiento entre la red eléctrica y la salida, lo que significa que una falla podría ser letal. Esto no es algo que debas ignorar. Imagina a tu familia y amigos parados alrededor de tu tumba llorando, y su único consuelo son los restos humeantes de una fuente de alimentación deficiente.

  3. Alimentar una MCU a través de un divisor de voltaje es cuestionable en el mejor de los casos. Alimentar una MCU desde el lado de salida de lo que está regulando es extremadamente cuestionable. A las MCU les gustan los voltajes estables y se comportan mal si no los obtienen.

  4. Su MCU no puede controlar el transistor de conmutación directamente, ya que su señal de salida estará al mismo nivel que el voltaje de salida, lo que hará que V B mi = 0 . Además, los MOSFET suelen ser mejores que los BJT para esta aplicación.

  5. El control de retroalimentación es un tema bastante amplio. Puede hacer una buena carrera implementando y ajustando sistemas de control para fuentes de alimentación. Si no está familiarizado con la teoría de control, probablemente no querrá tratarla como parte de otro proyecto con el que ya tiene problemas. Los errores en el algoritmo de control de un circuito de alto voltaje pueden ser letales.

  6. Tanto la entrada de retroalimentación de MCU como el VCC están conectados a tierra.

Esto es lo que te recomiendo que hagas:

  • Considere usar una verruga de pared en lugar de diseñar su propia fuente de alimentación. Te ahorrará muchos problemas .

  • Si debe diseñar su propio suministro, coloque un transformador en la entrada para reducir el voltaje y aislar el circuito de la red eléctrica. Asegúrese de usar un fusible y aislar todos los conductores de alto voltaje expuestos.

  • A menos que necesite una alta eficiencia (> 80%), intente usar un regulador lineal como un 7805 o LM317. Un LDO le permitirá reducir el voltaje de salida de su transformador para una mayor eficiencia.

  • Si realmente necesita una fuente de alimentación conmutada, obtenga un convertidor integrado como el que mencionó Russell. La hoja de datos le dirá qué valores de componentes usar. También puedes encontrar fuentes de alimentación modulares que incluyen todos los componentes. O incluso podría copiar un circuito existente sin modificarlo.

  • Si insiste en diseñar su propia fuente de alimentación conmutada desde cero, necesitará aprender mucho más. Para obtener conocimientos básicos, necesitará al menos una licenciatura en educación EE. Esta clase de Coursera puede enseñarle los conceptos básicos del diseño y los sistemas de control de SMPS. (Creo que puede hacerlo incluso cuando no hay sesiones programadas). O puede encontrar un libro de texto o tomar una clase en una universidad local.

Este es un proyecto importante, no un trampolín.

Agregué la aplicación de la fuente de alimentación para recibir información educada sobre la tipografía de la fuente de alimentación.
@Allenph ¿Puede ser más específico sobre cuánta corriente se requiere?
Todavía no he seleccionado los motores. Pero van a tener un torque muy alto. No más de 1A y no menos de 500mA.
Puede encontrar fácilmente adaptadores de CA de 9V 2A en Amazon. Sugiero ir con uno de esos. Los reguladores lineales 2A también son fáciles de encontrar.

Su circuito muestra un buen intento de tratar de comprender los conceptos de la operación discreta de la fuente de alimentación conmutada fuera de línea. Sin embargo, hay un largo camino desde los conceptos que se aprenden hasta la implementación de un diseño práctico. No sería imposible seguir insistiendo en este diseño hasta que se eliminen todos los malentendidos, errores y errores y se agreguen los aspectos prácticos necesarios, PERO esta no es la mejor manera de aprender a hacer esto y es costoso en su tiempo y esfuerzo. y en el tiempo y el esfuerzo de otros, y puede matarlo en el camino y ciertamente matará varias versiones del circuito si alguna vez se implementa.

Si observa los circuitos disponibles, encontrará que casi nadie implementa convertidores reductores directos fuera de línea. A veces se afirma que las relaciones de conversión requeridas no se pueden implementar con un convertidor reductor de una sola etapa. Si bien es factible*, por lo general no es práctico, sensato ni seguro.

He anotado y al final de esta respuesta algunos de los problemas que tiene este circuito, como se muestra en la última versión. El nuevo diagrama es una gran mejora con respecto al original, pero aún está lejos de parecerse a un circuito que incluso intentaría operar.

Si continúa intentando este camino incremental, terminará teniendo que abordar problemas que no son fundamentales para los conceptos básicos de lo que está tratando de hacer y se perderá el aprendizaje de problemas más básicos que son importantes. Dejando este circuito a un lado por ahora y comenzando con

  • Una fuente de alimentación conmutada de entrada de bajo voltaje

  • Usando un IC conceptualmente simple (pero aún muy capaz) barato fácilmente disponible

sería un enfoque mucho más productivo.

A menudo recomiendo un IC de control muy antiguo y de bajo costo que sigue siendo muy útil.
A diferencia de algunos circuitos integrados modernos potencialmente de mejor rendimiento, puede implementar casi cualquier topología y tiene un interruptor de salida interno, lo que significa que puede implementar fuentes de alimentación completas con un mínimo de componentes adicionales hasta un cierto nivel de potencia. Este es el viejo pero bueno MC34063

Excelente hoja de datos de ON Semi MC34063 : tiene circuitos básicos con diseños de PCB y listas de componentes.

AN920/D Superb ON Semiconductor nota de aplicación Más de 40 páginas de muy buena discusión, circuitos, información de diseño y más. Ellos dicen -

  • El objetivo de esta nota de aplicación es transmitir la teoría de funcionamiento del MC34063 y μA78S40, y mostrar la derivación de las ecuaciones de diseño básicas de primer orden. Los circuitos se eligieron para explorar una variedad de soluciones prácticas y rentables en el diseño de convertidores de conmutación. Otro objetivo principal es mostrar la facilidad y simplicidad en el diseño de convertidores de conmutación y eliminar cualquier temor místico de "magia negra".

Nota de aplicación TI MC34063 razonable. 12 páginas

Calculadora de diseño básico para invertir topología buck-boost

Un trillón de circuitos usándolo

Relacionado:

Manual de referencia de la fuente de alimentación en modo semiconmutado ON

Soluciones de circuito ON Semi LED

Estos comentarios se relacionan con esta versión del circuito:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Notará en la inspección que su Vcc y tierra están fuertemente conectados.
Esto sin duda no es lo que pretendes.

Si bien dice que "... Este circuito constituye un circuito simple, corriente y económico", no es así. Esta es una versión de lo que se conoce como circuito buck-boost. Esto se debe a que la salida puede asumir un voltaje por encima o por debajo del voltaje de entrada en magnitud . Logra este ingenioso truco a costa de invertir la polaridad de salida: Vout es negativo si Vin es positivo, razón por la cual D1 está conectado como está. Su procesador no operará en un -ve Vcc y si lo reorganizó para que lo hiciera (uC grtound = -Vcc, uC Vdd = ground) entonces no conducirá NPN1 correctamente, incluso si NPN1 se configuró correctamente, lo cual no es así.

Si invierte D1, no obtiene una salida +ve, obtiene una ruina en llamas. Su circuito básico no es correcto. D1 y L1 deben intercambiarse con la polaridad correcta en D1 para la nueva topología.

NPN1 debe ser un PNP (o algún otro dispositivo) y conducirlo desde un uC (sobre o bajo tierra) requiere mucho más que una resistencia de accionamiento. Si bien el diagrama puede verse como conceptual, no hay demasiados detalles que simplemente sean incorrectos.

Se entiende la operación prevista de PNP1, pero necesita muchos más componentes de "pegamento" de los que se muestran, y como se muestra, R1 y R2 disiparán una energía continua sustancial cuando PNP1 está apagado (alrededor de 150 mW por mA de carga de arranque, digamos alrededor de 1.5W para una carga de arranque de 10 mA.)

Convertir este circuito en algo que funcione de manera segura, confiable o en absoluto requeriría un viaje largo e innecesario.

Agregué la aplicación de la fuente de alimentación para recibir información educada sobre la tipografía de la fuente de alimentación.

Esta es una versión simplificada del circuito que tienes. Tenga en cuenta que la polaridad está al revés de su circuito:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Podría echar un vistazo a LTSpice, linear.com/designtools/software/%23LTspice , que incluye muchos circuitos de muestra que se pueden simular, inspeccionar, medir y jugar antes de intentar diseñar uno. Como linear.com/product/LT3724 , por ejemplo. Como han dicho otros, simplemente manténgase alejado de rectificar el voltaje de la red. Utilizar transformador (siempre) y antes del rectificador, no después.
¿Fuente de alimentación conmutada basada en convertidor reductor?
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