ОСНОВЕН ДИЗАЙН НА АНАЛОГОВО ЗАХРАНВАНЕ

Има старата поговорка: „Можеш да дадеш на човек риба и той ще яде за един ден или можеш да научиш човек да лови риба и той ще яде завинаги. Има много статии, които дават на читателя специфичен дизайн за изграждане на захранване и няма нищо лошо в тези дизайни на готварски книги. Често имат много добро представяне. Те обаче не учат читателите как сами да проектират захранване. Тази статия от две части ще започне от самото начало и ще обясни всяка стъпка, необходима за изграждане на основно аналогово захранване. Дизайнът ще се фокусира върху вездесъщия тритерминален регулатор и ще включва редица подобрения на основния дизайн.

Винаги е важно да запомните, че захранването — или за конкретен продукт, или като общо тестово оборудване — има потенциал да убие потребителя с електрически ток, да предизвика пожар или да унищожи устройството, което захранва. Очевидно това не са добри неща. Поради тази причина е изключително важно да се подходи към този дизайн консервативно. Осигурете много марж за компоненти. Добре проектираното захранване е това, което никога не се забелязва.

ПРЕОБРАЗУВАНЕ НА ВХОДНАТА МОЩНОСТ

Фигура 1 показва основния дизайн за типично аналогово захранване. Състои се от три основни компонента: преобразуване на входната мощност и кондициониране; ректификация и филтриране; и регулиране. Преобразуването на входящата мощност обикновено е силов трансформатор и е единственият метод, разглеждан тук. Има обаче няколко точки, които е важно да се спомене.

ФИГУРА 1. Основното аналогово захранване се състои от три части. Първите две са разгледани в тази статия, а последните в следващата част.

---

Първото е, че 117 VAC (волта променлив ток) е наистина измерване на RMS (средноквадратичен корен). (Обърнете внимание, че съм виждал обикновена домакинска мощност, определена някъде от 110 VAC до 125 VAC. Току-що измерих моята и открих, че е точно 120.0 VAC.) RMS измерването на синусоида е много по-ниско от действителното пиково напрежение и представлява еквивалентното DC (постоянен ток) напрежение, необходимо за осигуряване на същата мощност.

RMS преобразуването варира в зависимост от формата на вълната; за синусоида стойността е 1.414. Това означава, че отклонението около нула волта всъщност е 169.7 волта (за моето 120 VAC захранване). Мощността преминава от -169.7 волта до +169.7 волта на всеки цикъл. Следователно напрежението от връх до пик всъщност е 339.4 волта!

Това напрежение става особено важно при добавяне на байпасни кондензатори към главните електропроводи за потискане на шума от влизане или излизане от захранването (често срещана ситуация). Ако смятате, че действителното напрежение е 120 волта, можете да използвате 150 волта кондензатори. Както виждате, това не е правилно. Абсолютното минимално безопасно работно напрежение за вашите кондензатори е 200 волта (250 волта е по-добре). Не забравяйте, че ако очаквате да видите шум/пикове по линията, трябва да добавите този шум/пикове напрежение към пиковото напрежение.

Входната честота е универсално 60 Hz в САЩ. В Европа 50 Hz е често срещано явление. Трансформаторите, оценени за 60 Hz, обикновено се представят добре на 50 Hz и обратно. Освен това честотната стабилност на електропровода обикновено е отлична и рядко се взема предвид. Понякога може да намерите на разположение трансформатори 400 Hz. Това обикновено са военни или авиационни устройства и обикновено не са подходящи за използване на 50/60 Hz мощност (или обратно).

Изходът на трансформатора също се посочва като RMS напрежение. Освен това, посоченото напрежение е минималното напрежение, очаквано при пълно натоварване. Често има около 10% увеличение на номиналната мощност при празен ход. (Моят трансформатор 25.2 волта/два ампера измерва 28.6 волта без товар.) Това означава, че действителното изходно напрежение на празен ход/пиково напрежение за моя 25.2 волтов трансформатор е 40.4 волта! Както можете да видите, винаги е важно да запомните, че номиналните RMS напрежения за AC захранване са значително по-ниски от действителните пикови напрежения.

Фигура 2 представя типичен дизайн за преобразуване на входна мощност и кондициониране. Предпочитам да използвам двуполюсен превключвател, въпреки че не е абсолютно необходимо. Той предпазва от неправилно окабеляване на електрически контакти (което днес е рядкост) или от неправилно захранване в самото захранване (много по-често срещано). Изключително важно е, когато превключвателят на захранването е изключен, горещият проводник да бъде изключен от захранването.

ФИГУРА 2. Кондиционирането на входа е доста основно, но трябва да се помни, че RMS напрежението не е същото като пиковото напрежение. Пиковото напрежение от 120 VAC RMS е около 170 волта.

---

Предпазителят (или прекъсвачът) е необходим. Основната му цел е да предотвратява пожари, тъй като без него късо съединение на трансформатор или първична верига ще позволи да протичат огромни токове, което води до нагряване на металните части в червено или дори в бяло. Обикновено това е тип с бавен удар, оценен на 250 волта. Текущият рейтинг трябва да бъде около два пъти по-голям от това, което трансформаторът може да очаква да извлече.

Например, споменатият по-горе трансформатор 25.2 волта с два ампера ще извлече около 0.42 ампера първичен ток (25.2 волта/120 волта x два ампера). Така че един ампер предпазител е разумен. Предпазител във вторичната част ще бъде обсъден в следващата статия.

Байпасните кондензатори помагат за филтриране на шума и са по избор. Тъй като пиковото напрежение е около 170 волта, 250 волта е по-добро от пределното 200 волта. Може да искате да използвате „филтър за въвеждане на мощност“. Има много видове тези единици. Някои съдържат стандартен захранващ конектор, превключвател, държач на предпазители и филтър в един малък пакет. Други може да имат само някои от тези компоненти. Обикновено тези с всичко са доста скъпи, но излишните единици обикновено могат да бъдат намерени на много разумни цени.

Възможността да се определи дали първичната верига е захранвана е важно, така че да се използва пилотна светлина. Показани са две типични вериги. Неоновата лампа се използва от десетилетия. Това е просто и евтино. Той има недостатъците, че е малко крехък (направен е от стъкло); може да трепти, ако резисторът е твърде голям; и всъщност може да генерира известен електрически шум (поради внезапното йонно разпадане на неоновия газ).

Светодиодната верига също изисква токоограничаващ резистор. При 10,000 12 hms се осигурява около 20 mA ток. Повечето светодиоди са оценени за максимален ток от 12 mA, така че 1 mA е разумно. (Високоефективните светодиоди могат да работят задоволително само с 2 или XNUMX mA, така че резисторът може да се увеличи според нуждите.)

Имайте предвид, че светодиодите имат наистина лоши напрежения на обратен пробив (обикновено 10 до 20 волта). Поради тази причина е необходим втори диод. Това трябва да може да работи с най-малко 170 волта PIV (върхово обратно напрежение). Стандартният 1N4003 е оценен на 200 PIV, което не осигурява много марж. 1N4004 е оценен на 400 PIV и струва може би една стотинка повече. Като го поставите последователно с LED, общият PIV е 400 плюс LED PIV.

РЕКТИФИКАЦИЯ И ФИЛТРАНЕ

Фигури 3, 4 и 5 показват най-типичните вериги за изправяне с изходна форма на вълната, показана по-горе. (Филтърният кондензатор не е показан, защото при добавянето му формата на вълната се променя в нещо като постоянно напрежение.) Полезно е да разгледате тези три основни вериги, за да идентифицирате силните и слабите им страни.

Фигура 3 показва основния полувълнов токоизправител. Единствената изкупителна характеристика на това е, че е много проста, използвайки само един токоизправител. Лошата характеристика е, че използва само половината от цикъла на мощността, което прави теоретичната ефективност на веригата по-малка от 50% само за стартиране. Често захранването на полувълнови токоизправители е само 30% ефективно. Тъй като трансформаторите са скъпи елементи, тази неефективност е много скъпа. Второ, формата на вълната е много трудна за филтриране. Половината от времето изобщо не идва ток от трансформатора. Изглаждането на изхода изисква много високи стойности на капацитета. Рядко се използва за аналогово захранване.

ФИГУРА 3. Веригата на полувълнови токоизправител е проста, но произвежда лош изходен сигнал, който е много труден за филтриране. Освен това половината от мощността на трансформатора се губи. (Обърнете внимание, че филтриращите кондензатори са пропуснати за яснота, защото променят формата на вълната.)

---

Интересно и важно нещо се случва, когато към веригата на полувълнов изправител се добави филтърен кондензатор. Диференциалът на напрежението без натоварване се удвоява. Това е така, защото кондензаторът съхранява енергия от първата половина (положителната част) на цикъла. Когато настъпи втората половина, кондензаторът задържа положителното пиково напрежение и отрицателното пиково напрежение се прилага към другия извод, което води до виждане на пълно напрежение от връх до пик от кондензатора и през него от диода. По този начин, за трансформатор от 25.2 волта по-горе, действителното пиково напрежение, наблюдавано от тези компоненти, може да бъде над 80 волта!

Фигура 4 (горна верига) е пример за типична изправителна верига с пълна вълна/централен кран. Когато това се използва, в повечето случаи вероятно не трябва да бъде. Той осигурява приятен изход, който е напълно коригиран. Това прави филтрирането сравнително лесно. Той използва само два токоизправителя, така че е доста евтин. Въпреки това, той не е по-ефективен от полувълновата верига, представена по-горе.

ФИГУРА 4. Дизайнът с пълна вълна (отгоре) дава добър резултат. Чрез преначертаване на веригата (отдолу) може да се види, че това са само два полувълнови токоизправителя, свързани заедно. Отново половината от мощността на трансформатора се губи.

---

Това може да се види чрез повторно начертаване на веригата с два трансформатора (фигура 4 отдолу). Когато това е направено, става ясно, че пълната вълна всъщност е само две полувълнови вериги, свързани заедно. Половината от всеки цикъл на мощност на трансформатора не се използва. Така максималната теоретична ефективност е 50%, а реалната ефективност е около 30%.

PIV на веригата е половината от полувълновата верига, тъй като входното напрежение към диодите е половината от изхода на трансформатора. Централният кран осигурява половината от напрежението към двата края на намотките на трансформатора. Така че, за примера с трансформатор от 25.2 волта, PIV е 35.6 волта плюс увеличението на празен ход, което е с около 10% повече.

Фигура 5 представя схемата на мостовия токоизправител, която обикновено трябва да бъде първият избор. Изходът е напълно коригиран, така че филтрирането е сравнително лесно. Най-важното обаче е, че използва и двете половини на цикъла на захранване. Това е най-ефективният дизайн и извлича максимума от скъпия трансформатор. Добавянето на два диода е много по-евтино от удвояването на номиналната мощност на трансформатора (измерено във "Volt-Amps" или VA).

ФИГУРА 5. Подходът на мостовия токоизправител (отгоре) осигурява пълно използване на мощността на трансформатора и с пълновълнов изправител. Освен това, чрез промяна на заземяването (отдолу), може да се получи захранване с двойно напрежение.

---

Единственият недостатък на този дизайн е, че мощността трябва да преминава през два диода с резултантно падане на напрежението от 1.4 волта вместо 0.7 волта за другите конструкции. Като цяло това е проблем само за захранвания с ниско напрежение, където допълнителните 0.7 волта представляват значителна част от изхода. (В такива случаи обикновено се използва импулсно захранване, а не някоя от горните схеми.)

Тъй като има два диода, които се използват за всеки полупериод, само половината от напрежението на трансформатора се вижда от всеки. Това прави PIV равен на пиковото входно напрежение или 1.414 пъти напрежението на трансформатора, което е същото като пълновълновата верига по-горе.

Много хубава характеристика на мостовия токоизправител е, че заземяването може да се промени, за да се създаде положително и отрицателно изходно напрежение. Това е показано в долната част на фигура 5.

фИЛТРИРАНЕ

Почти цялото филтриране за аналогово захранване идва от филтърен кондензатор. Възможно е да се използва индуктор последователно с изхода, но при 60 Hz тези дросели трябва да са доста големи и скъпи. Понякога те се използват за захранване с високо напрежение, където подходящи кондензатори са скъпи.

Формулата за изчисляване на филтърния кондензатор (C) е доста проста, но трябва да знаете приемливото напрежение на пулсации от връх до пик (V), времето на полупериод (T) и изтегления ток (I). Формулата е C=I*T/V, където C е в микрофаради, I е в милиампери, T е в милисекунди и V е във волтове. Времето на полупериода за 60 Hz е 8.3 милисекунди (справка: 1997 Radio Amateur's Handbook).

От формулата е ясно, че изискванията за филтриране са увеличени за захранвания с висок ток и/или ниски пулсации, но това е просто здрав разум. Лесен за запомняне пример е 3,000 микрофарада на ампер ток ще осигури около три волта пулсации. Можете да работите с различни съотношения от този пример, за да предоставите разумни оценки за това, от което се нуждаете, сравнително бързо.

Едно важно съображение е скокът на тока при включване. Филтърните кондензатори действат като мъртви къси, докато не се заредят. Колкото по-големи са кондензаторите, толкова по-голям ще бъде този скок. Колкото по-голям е трансформаторът, толкова по-голям ще бъде ударът. За повечето аналогови захранвания с ниско напрежение (<50 волта) съпротивлението на намотката на трансформатора помага донякъде. Трансформаторът 25.2 волта/два ампера има измерено вторично съпротивление от 0.6 ома. Това ограничава максималния пуск до 42 ампера. Освен това индуктивността на трансформатора намалява това донякъде. Въпреки това, все още има голям потенциален скок на тока при включване.

Добрата новина е, че съвременните силициеви токоизправители често имат огромни възможности за пренапрежение. Стандартното семейство диоди 1N400x обикновено се определя с 30 ампера ударен ток. При мостова схема има два диода, носещи това, така че най-лошият случай е 21 ампера всеки, което е под спецификацията за 30 ампера (при условие, че се споделя равнопоставен ток, което не винаги е така). Това е краен пример. Обикновено се използва коефициент от около 10 вместо 21.

Въпреки това, този настоящ скок не е нещо, което трябва да се игнорира. Да похарчите няколко цента повече за използване на мост с три ампера вместо мост с един ампер може да са добре похарчени пари.

ПРАКТИЧЕН ДИЗАЙН

Сега можем да приложим тези правила и принципи и да започнем да проектираме основно захранване. Ще използваме трансформатора от 25.2 волта като ядро ​​на дизайна. Фигура 6 може да се разглежда като съставна част от предишните фигури, но с добавени практически стойности на частите. Втора пилотна лампа във вторичния индикатор показва състоянието му. Той също така показва дали има заряд на кондензатора. С толкова голяма стойност това е важно съображение за безопасност. (Обърнете внимание, че тъй като това е DC сигнал, диодът за обратно напрежение 1N4004 не е необходим.)

ФИГУРА 6. Окончателен проект на захранването с практически спецификации на части. Регулирането на мощността се обсъжда в следващата статия.

---

Може да е по-евтино да използвате два по-малки кондензатора паралелно от един голям. Работното напрежение за кондензатора трябва да бъде най-малко 63 волта; 50 волта не е достатъчен запас за пика от 40 волта. 50 волтова единица осигурява само 25% марж. Това може да е добре за некритично приложение, но ако кондензаторът се повреди тук, резултатите могат да бъдат катастрофални. Кондензатор от 63 волта осигурява около 60% марж, докато устройство от 100 волта дава 150% марж. За захранващите устройства общото правило е между 50% и 100% марж за токоизправителите и кондензаторите. (Пулсацията трябва да бъде около два волта, както е показано.)

Мостовият токоизправител трябва да може да се справи с високия първоначален скок на тока, така че харченето на допълнителен цент или два за подобрена надеждност си струва. Имайте предвид, че мостът се определя от това, което трансформаторът може да доставя, а не от това, за което в крайна сметка е определено захранването. Това се прави в случай, че има късо изходно напрежение. В такъв случай пълният ток на трансформатора ще премине през диодите. Не забравяйте, че прекъсването на захранването е нещо лошо. Така че, проектирайте го така, че да бъде здрав.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Детайлите са важен фактор при проектирането на захранване. Отбелязването на разликата между RMS напрежението и пиковото напрежение е от решаващо значение за определяне на правилните работни напрежения за захранването. Освен това първоначалният ударен ток е нещо, което не може да бъде пренебрегнато.

В част 2 ще завършим този проект, като добавим тритерминален регулатор. Ще проектираме захранване с общо предназначение, ограничено по ток и регулируемо напрежение с дистанционно изключване. Освен това, принципите, използвани за този дизайн, могат да бъдат приложени към всеки дизайн на захранване. 

Остави съобщение 

Списък на ЛС