Cuvinte cheie: tipuri de convertoare DC/DC: step-down, step-up, invert, cu/fără izolare galvanică, dimensionare, convertoare DC/DC MEAN WELL®
Convertoarele DC/DC sunt surse de alimentare care convertesc puterea electrică având o tensiune DC nestabilizată la intrare, într-o tensiune DC stabilizată la ieşire, cu nivel mai mic (step-down), mai mare (step-up), egal (stable level) sau cu polaritate inversată (invert) faţă de tensiunea de intrare.
Convertoarele de calitate se bazează pe microcontrolere pentru a asigura o înaltă eficienţă, dimensiuni reduse, perturbaţii şi pierderi prin căldură cât mai mici. Convertoarele DC/DC sunt de obicei folosite pentru unul sau mai multe deziderate: izolarea de zgomot electric, izolare galvanică, conversie de nivele sau polaritate de tensiune, asigurarea unui nivel de tensiune stabil pentru echipamente sensibile la fluctuaţii de tensiune, tensiuni la nivele diferite de ale bateriilor care alimentează echipamente portabile. Densitatea de putere, eficienţa şi fiabilitatea sunt caracteristicile de bază utilizate pentru a evalua raportul performanţă/preţ al unui convertor DC/DC. Convertoarele DC/DC sunt folosite pe scară largă în sursele de alimentare ale echipamentelor electronice fixe (alimentate primar de la reţeaua AC) sau portabile (alimentate din baterii) şi în echipamente IT (unde sunt necesare tensiuni diferite pentru CPU, memorii RAM, unităţi de memorii şi interfeţe).
1. Convertoarele DC/DC sunt surse în comutaţie care au trei mari avantaje faţă de sursele liniare:
(1) eficienţă mult mai mare decât sursele liniare (tipic 75-90%); (2) pierdere mică de energie prin transfer, componentele fiind astfel mai mici şi necesitând un management termic simplu; (3) energia înmagazinată de o bobină într-un regulator de comutare poate fi transferată la ieşire cu o tensiune mai mare decât cea de intrare (boost), chiar negativă (invert) sau poate, prin intermediul unui transformator, să ofere izolare galvanică faţă de intrare (min.1000Vdc), ceea ce nu poate realiza o sursă liniară. Principiul de bază al unui convertor DC/DC este comandarea unui element de comutaţie la înaltă frecvenţă (min.100kHz), controlând raportul on-time/ off-time (‘duty ratio’) într-o manieră variabilă pentru a menţine tensiunea de ieşire la un anumit nivel. De obicei, tensiunea este controlată la un nivel constant prin intermediul feedback-ului negativ al tensiunii de ieşire. Sursele în comutaţie au rezolvată problema zgomotului electric generat prin comutaţie, având controlere realizate în circuite integrate.
NOTĂ: Aproximativ 80% din problemele legate de EMC – Electromagnetic compatibility = funcţionare fără a interfera cu alte dispozitive – sunt datorate cablurilor de alimentare şi cablurilor I/O care crează o “structură de antene” neintenţionate ce pot radia energia electromagnetică generată de componente electronice din interiorul unui produs şi pot primi energia electromagnetică din exteriorul produsului. EMC este legat de EMI – Electromagnetic interference = cantitatea de energie emanată, intenţionat sau nu, de echipamente electronice care provoacă degradare de performanţe la echipamente din apropiere şi EMS – Electromagnetic susceptibility = lipsa de imunitate la interferenţe interne sau externe. Emisiile de perturbaţii radiate sau conduse (în reţeaua AC) neintenţionat de către echipamente IT sunt reglementate de standardul EN 55022.
Standardele EN 55024 şi EN 61000-4-2, 3, 4, 5, 6, 8 reglementează imunitatea la: ESD – descărcări electrostatice, RF – emisii radio intenţionate, la zgomote de comutare sau tranziţii electrice, la fulgere, la câmpuri magnetice variabile cu 50-60Hz şi la fluctuaţii de putere în reţeaua AC.
2. Convertoarele DC/DC coborâtoare de tensiune sunt numite ‘step-down’ sau “buck”. Un exemplu tipic ar fi un convertor de 24Vdc la 12Vdc, cu o gamă de tensiune de intrare 20…30Vdc (DC BUS sau o baterie de 24Vdc), care dă la ieşire tensiune de 13,8Vdc, tipică de ‘float’ pentru o baterie de 12Vdc şi reprezentând tensiunea acceptabilă pentru un dispozitiv de “12Vdc”.
3. Convertoarele DC/DC care ridică tensiunea sunt numite ‘step-up’ sau ‘boost’. Un exemplu tipic ar fi un convertor de 12Vdc la 24Vdc, având o gamă de tensiune de intrare 11…15Vdc şi o ieşire de 24Vdc. Astfel de aplicaţii sunt în sistemele unde există o sursă principală de 12Vdc şi consumatori alimentaţi la 24Vdc.
4. Convertoarele non-izolate au borna ‘minus’ comună pentru intrare şi iesire şi sunt, de obicei, foarte potrivite pentru o alimentare tipică a produselor electronice de uz general.
5. Cerinţe de siguranţă sau aplicaţii periculoase (medicale, industriale, medii Ex) pot solicita izolarea galvanică, borna ‘minus’ a intrării nefiind comună cu cea a ieşirii.
6. Dimensionarea convertorului DC/DC. Convertoarele DC/DC sunt bine definite de puterea absorbită (W) sau de consumul de curent (A) şi de eficienţă (%). Se are în vedere tipul de consumator, fiindcă dispozitive cu motoare sau compresoare sau care folosesc circuite având condensator la intrare solicită putere considerabilă la pornire (‘high surge power’), de 2…6 ori mai mare.
Cele mai multe aparate electronice nu necesită un ‘val de putere’ la pornire.
MEAN WELL® produce 4 serii de convertoare DC/DC care acoperă toate gamele uzuale de tensiuni, puteri şi variante constructive.
Modular încapsulat – ‘Module type’ – convertor DC/DC pentru montare pe placă cu circuit imprimat (PCB): 1,2,3 ieşiri: 5,9,12,15,24Vdc; puteri 0.5W…40W, cu încapsulare ermetică în cutii de plastic sau metal. Seriile SRS / SUS01 / SBT01 / SFT01 / DET01 / SPR01 / SMU01 / SMA01 / SPU02 / SPA02 / SPB03 / SCW03 / DCW03 / SCW05 / DCW05 / SLW05 / DLW05 / SCW08 / DCW08 / SKE10 / DKE10 / SCW12 / DCW12 / SKA15 / DKA15 / SKE15 / DKE15 / DKA30 / TKA30 / SDM30 / SKA40.
Modular neîncapsulat – ‘On board type’ – convertor DC/DC pentru montare pe placă cu circuit imprimat (PCB): 1,2 ieşiri: 3.3,5,12,15,24Vdc; puteri 5W…60W, fără încapsulare, ‘ultra low type’.
Seria NSD05 / NSD10-S / NSD10-D / NSD15-S / NSD15-D / NID30 / NID60.
Fără carcasă – ‘PCB type’ – convertor DC/DC asamblat pe circuit imprimat, pentru integrare in echipamente: 1 ieşire: 5,12,15,24Vdc; puteri 5W…45W.
Seria PSD-05 / PSD-15 / PSD-30 / PSD-45.
Cu carcasă metalică – ‘Enclosed type’ – convertor DC/DC pentru sisteme de backup cu baterie sau montare pe vehicule: 1 ieşire: 5, 12, 24, 48Vdc; puteri 15W…1000W. Seria SD-15 / SD-25 / SD-50 / SD-100 / RSD-100 / SD-150 / SD-200 / SD-500 / SD-1000.
Ing. Emil Floroiu
ECAS ELECTRO
emil.floroiu@ecas.ro
www.ecas.ro