ZÁKLADNÝ NÁVRH ANALOGOVÉHO ZDROJA

Staré príslovie hovorí: „Môžeš dať človeku rybu a bude jesť jeden deň, alebo môžeš naučiť človeka chytať ryby a bude jesť navždy. Existuje veľa článkov, ktoré čitateľovi dajú konkrétny návrh na stavbu napájacieho zdroja a na týchto návrhoch kuchárskych kníh nie je nič zlé. Často majú veľmi dobrý výkon. Nenaučia však čitateľov, ako si sami navrhnúť napájací zdroj. Tento dvojdielny článok začne od začiatku a vysvetlí každý krok potrebný na zostavenie základného analógového napájacieho zdroja. Dizajn sa zameria na všadeprítomný trojsvorkový regulátor a bude obsahovať množstvo vylepšení základného dizajnu.

Vždy je dôležité pamätať na to, že napájací zdroj – či už pre konkrétny produkt alebo ako všeobecné testovacie zariadenie – má potenciál zabiť používateľa elektrickým prúdom, založiť požiar alebo zničiť zariadenie, ktoré napája. Očividne to nie sú dobré veci. Z tohto dôvodu je dôležité pristupovať k tomuto dizajnu konzervatívne. Poskytnite dostatok priestoru pre komponenty. Dobre navrhnutý napájací zdroj je taký, ktorý si nikto nevšimne.

KONVERZIA VSTUPNÉHO VÝKONU

Obrázok 1 zobrazuje základnú konštrukciu typického analógového napájacieho zdroja. Pozostáva z troch hlavných komponentov: konverzia vstupného výkonu a úprava; náprava a filtrovanie; a regulácia. Konverzia vstupného výkonu je zvyčajne výkonový transformátor a je to jediná metóda, ktorá sa tu uvažuje. Existuje však niekoľko bodov, ktoré je dôležité spomenúť.

OBRÁZOK 1. Základný analógový napájací zdroj pozostáva z troch častí. Prvým dvom sa venujeme v tomto článku a posledným v ďalšej časti.

---

Prvým je, že 117 VAC (Voltov striedavý prúd) je skutočne meranie RMS (Root Mean Square). (Všimnite si, že som videl bežné domáce napájanie špecifikované kdekoľvek od 110 VAC do 125 VAC. Práve som zmeral moje a zistil som, že je to presne 120.0 VAC.) Meranie efektívnej hodnoty sínusovej vlny je oveľa nižšie ako skutočné špičkové napätie a predstavuje ekvivalentné jednosmerné (jednosmerné) napätie potrebné na zabezpečenie rovnakého výkonu.

RMS konverzia sa mení podľa tvaru vlny; pre sínusovú vlnu je hodnota 1.414. To znamená, že odchýlka okolo nuly voltov je v skutočnosti 169.7 voltov (pre moje napájanie 120 VAC). Výkon sa mení od -169.7 voltov do +169.7 voltov v každom cykle. Preto je vrcholové napätie v skutočnosti 339.4 voltov!

Toto napätie sa stáva obzvlášť dôležitým pri pridávaní bypassových kondenzátorov k hlavným napájacím vedeniam na potlačenie hluku pri vstupe alebo výstupe zo zdroja napájania (bežná situácia). Ak si myslíte, že skutočné napätie je 120 voltov, môžete použiť 150 voltové kondenzátory. Ako vidíte, nie je to správne. Absolútne minimálne bezpečné pracovné napätie pre vaše kondenzátory je 200 voltov (250 voltov je lepšie). Nezabudnite, že ak očakávate, že na linke uvidíte šum/špičky, musíte tento šum/špičkové napätie pripočítať k špičkovému napätiu.

Vstupná frekvencia je v USA univerzálne 60 Hz. V Európe je 50 Hz bežné. Transformátory dimenzované na 60 Hz budú vo všeobecnosti fungovať dobre na 50 Hz a naopak. Okrem toho je frekvenčná stabilita elektrického vedenia zvyčajne vynikajúca a zriedka sa berie do úvahy. Občas môžete nájsť dostupné 400 Hz transformátory. Sú to zvyčajne vojenské alebo letecké zariadenia a vo všeobecnosti nie sú vhodné na použitie s napájaním 50/60 Hz (alebo naopak).

Výstup transformátora je tiež špecifikovaný ako RMS napätie. Okrem toho uvedené napätie je minimálne napätie očakávané pri plnom zaťažení. Často dochádza k zvýšeniu menovitého výkonu pri chode naprázdno približne o 10 %. (Môj 25.2 V/dvojampérový transformátor meria 28.6 V bez záťaže.) To znamená, že skutočné výstupné napätie naprázdno/špičkové výstupné napätie pre môj 25.2 V transformátor je 40.4 V! Ako vidíte, je vždy dôležité pamätať na to, že menovité RMS napätia pre striedavý prúd sú podstatne nižšie ako skutočné špičkové napätia.

Obrázok 2 poskytuje typickú konverziu vstupného výkonu a návrh kondicionovania. Radšej používam dvojpólový vypínač, aj keď to nie je absolútne nevyhnutné. Chráni pred nesprávne zapojenými elektrickými zásuvkami (čo je dnes zriedkavé) alebo chybnými napájacími káblami v samotnom napájacom zdroji (oveľa bežnejšie). Je dôležité, aby keď je vypínač vypnutý, horúci vodič bol odpojený od zdroja napájania.

OBRÁZOK 2. Vstupná úprava je dosť základná, ale treba si uvedomiť, že RMS napätie nie je rovnaké ako špičkové napätie. Špičkové napätie 120 VAC RMS je približne 170 voltov.

---

Poistka (alebo istič) je potrebná. Jeho hlavným účelom je predchádzať požiarom, pretože bez neho skrat transformátora alebo primárneho okruhu umožní tok masívnych prúdov, ktoré spôsobujú, že kovové časti sa rozžerú do červena alebo dokonca do biela. Zvyčajne ide o pomalý typ s menovitým napätím 250 voltov. Aktuálne hodnotenie by malo byť približne dvojnásobok toho, čo môže transformátor očakávať.

Napríklad 25.2 voltový dvojampérový transformátor uvedený vyššie odoberie asi 0.42 ampéra primárneho prúdu (25.2 voltu/120 voltov x dva ampéry). Takže jedna ampérová poistka je rozumná. O poistke v sekundárnej časti sa bude diskutovať v nasledujúcom článku.

Obtokové kondenzátory pomáhajú odfiltrovať šum a sú voliteľné. Keďže špičkové napätie je asi 170 voltov, 250 voltové hodnotenie je lepšie ako okrajové 200 voltové hodnotenie. Možno budete chcieť použiť „filtre vstupu energie“. Existuje mnoho typov týchto jednotiek. Niektoré obsahujú štandardný napájací konektor, vypínač, držiak poistiek a filter v jednom malom balení. Iné môžu mať len niektoré z týchto komponentov. Typicky sú tie so všetkým dosť drahé, ale nadbytočné jednotky sa dajú zvyčajne nájsť za veľmi prijateľné ceny.

Schopnosť určiť, či je primárny okruh napájaný, je dôležitá, preto sa používa kontrolka. Sú znázornené dva typické obvody. Neónová lampa sa používa už desaťročia. Je to jednoduché a lacné. Má nevýhody, že je trochu krehký (je vyrobený zo skla); môže blikať, ak je odpor príliš veľký; a môže skutočne vytvárať určitý elektrický šum (v dôsledku náhleho iónového rozpadu neónového plynu).

Obvod LED tiež vyžaduje odpor obmedzujúci prúd. Pri 10,000 12 hms sa poskytuje prúd asi 20 mA. Väčšina LED diód je dimenzovaná na maximálny prúd 12 mA, takže 1 mA je primeraných. (Vysoko účinné LED diódy môžu uspokojivo fungovať iba s 2 alebo XNUMX mA, takže odpor možno podľa potreby zvýšiť.)

Všimnite si, že LED diódy majú skutočne slabé spätné prierazné napätie (zvyčajne 10 až 20 voltov). Z tohto dôvodu je potrebná druhá dióda. Toto musí byť schopné pracovať s najmenej 170 voltami PIV (špičkové inverzné napätie). Štandard 1N4003 je hodnotený na 200 PIV, čo neposkytuje veľkú maržu. 1N4004 má hodnotenie 400 PIV a stojí možno o cent viac. Zaradením do série s LED je celkový PIV 400 plus LED PIV.

OPRAVA A FILTROVANIE

Obrázky 3, 4 a 5 znázorňujú najtypickejšie usmerňovacie obvody s výstupným priebehom zobrazeným vyššie. (Filtrový kondenzátor nie je zobrazený, pretože jeho pridaním sa tvar vlny zmení na niečo ako jednosmerné napätie.) Je užitočné preskúmať tieto tri základné obvody, aby ste identifikovali ich silné a slabé stránky.

Obrázok 3 ukazuje základný polvlnový usmerňovač. Jedinou vykupujúcou vlastnosťou tohto je, že je to veľmi jednoduché, s použitím iba jedného usmerňovača. Zlou vlastnosťou je, že využíva iba polovicu cyklu napájania, takže teoretická účinnosť okruhu je menšia ako 50% len na spustenie. Často sú napájacie zdroje s polovičným usmerňovačom účinné len 30 %. Pretože transformátory sú drahé položky, táto neefektívnosť je veľmi nákladná. Po druhé, tvar vlny je veľmi ťažké filtrovať. Polovicu času z transformátora neprichádza vôbec žiadna energia. Vyhladenie výstupu vyžaduje veľmi vysoké hodnoty kapacity. Málokedy sa používa pre analógové napájanie.

OBRÁZOK 3. Obvod polvlnového usmerňovača je jednoduchý, ale vytvára zlý výstupný tvar vlny, ktorý je veľmi ťažké filtrovať. Okrem toho je polovica výkonu transformátora zbytočná. (Všimnite si, že filtračné kondenzátory sú kvôli prehľadnosti vynechané, pretože menia tvar vlny.)

---

Zaujímavá a dôležitá vec sa stane, keď sa do obvodu polvlnového usmerňovača pridá filtračný kondenzátor. Rozdiel napätia naprázdno sa zdvojnásobí. Je to preto, že kondenzátor ukladá energiu z prvej polovice (kladnej časti) cyklu. Keď dôjde k druhej polovici, kondenzátor drží kladné špičkové napätie a záporné špičkové napätie sa aplikuje na druhú svorku, čo spôsobí, že kondenzátor a cez to dióda uvidia plné napätie medzi špičkami. Takže pre vyššie uvedený 25.2 V transformátor môže byť skutočné špičkové napätie pozorované týmito komponentmi vyššie ako 80 voltov!

Obrázok 4 (horný obvod) je príkladom typického usmerňovacieho obvodu s plnou vlnou/centrálnou odbočkou. Keď sa to používa, vo väčšine prípadov by to pravdepodobne nemalo byť. Poskytuje pekný výstup, ktorý je plne opravený. Vďaka tomu je filtrovanie pomerne jednoduché. Používa iba dva usmerňovače, takže je to dosť lacné. Nie je však o nič efektívnejší ako vyššie uvedený polovičný vlnový obvod.

OBRÁZOK 4. Dizajn s plnou vlnou (hore) poskytuje pekný výstup. Prekreslením obvodu (spodu) je vidieť, že ide skutočne len o dva polvlnové usmerňovače spojené dohromady. Polovica výkonu transformátora je opäť zbytočná.

---

Toto je možné vidieť prekreslením obvodu s dvoma transformátormi (obrázok 4 dole). Keď sa to stane, je jasné, že plná vlna sú v skutočnosti len dva polovičné obvody spojené dohromady. Polovica z každého cyklu napájania transformátora sa nepoužíva. Maximálna teoretická účinnosť je teda 50% s reálnou účinnosťou okolo 30%.

PIV obvodu je polovicou polvlnového obvodu, pretože vstupné napätie do diód je polovicou výstupu transformátora. Stredový kohútik poskytuje polovičné napätie na dva konce vinutia transformátora. Takže pre príklad 25.2 voltového transformátora je PIV 35.6 voltov plus zvýšenie naprázdno, čo je asi o 10% viac.

Obrázok 5 predstavuje obvod mostíkového usmerňovača, ktorý by mal byť vo všeobecnosti prvou voľbou. Výstup je plne usmernený, takže filtrovanie je pomerne jednoduché. Najdôležitejšie však je, že využíva obe polovice cyklu napájania. Toto je najefektívnejší dizajn a vyťaží maximum z drahého transformátora. Pridanie dvoch diód je oveľa lacnejšie ako zdvojnásobenie menovitého výkonu transformátora (merané v „voltampéroch“ alebo VA).

OBRÁZOK 5. Prístup mostíkového usmerňovača (hore) poskytuje plné využitie výkonu transformátora s celovlnným usmernením. Okrem toho možno zmenou referenčného bodu zeme (dole) získať napájanie s dvojitým napätím.

---

Jedinou nevýhodou tohto dizajnu je, že napájanie musí prechádzať cez dve diódy s výsledným poklesom napätia 1.4 voltu namiesto 0.7 voltu pre ostatné konštrukcie. Vo všeobecnosti sa to týka iba nízkonapäťových napájacích zdrojov, kde ďalších 0.7 voltov predstavuje podstatnú časť výstupu. (V takýchto prípadoch sa zvyčajne používa spínaný zdroj napájania namiesto ktoréhokoľvek z vyššie uvedených obvodov.)

Pretože sa na každý polcyklus používajú dve diódy, každá vidí iba polovicu napätia transformátora. Vďaka tomu sa PIV rovná špičkovému vstupnému napätiu alebo 1.414-násobku napätia transformátora, čo je rovnaké ako vyššie uvedený obvod s plnou vlnou.

Veľmi príjemnou vlastnosťou mostíkového usmerňovača je, že referenčnú zem je možné zmeniť, aby sa vytvorilo kladné a záporné výstupné napätie. Toto je znázornené v spodnej časti obrázku 5.

FILTROVANIE

Takmer celé filtrovanie analógového napájacieho zdroja pochádza z filtračného kondenzátora. Je možné použiť tlmivku v sérii s výstupom, ale pri 60 Hz musia byť tieto tlmivky dosť veľké a drahé. Príležitostne sa používajú pre vysokonapäťové napájacie zdroje, kde sú vhodné kondenzátory drahé.

Vzorec na výpočet filtračného kondenzátora (C) je pomerne jednoduchý, ale potrebujete poznať prijateľné napätie zvlnenia medzi vrcholmi (V), čas polovice cyklu (T) a odoberaný prúd (I). Vzorec je C=I*T/V, kde C je v mikrofaradoch, I je v miliampéroch, T je v milisekundách a V je vo voltoch. Čas polovice cyklu pre 60 Hz je 8.3 milisekúnd (odkaz: 1997 Radio Amateur's Handbook).

Zo vzorca je jasné, že požiadavky na filtrovanie sú zvýšené pre napájacie zdroje s vysokým prúdom a/alebo nízkym zvlnením, ale je to len zdravý rozum. Ľahko zapamätateľný príklad je, že 3,000 XNUMX mikrofarád na ampér prúdu poskytne zvlnenie okolo troch voltov. Z tohto príkladu môžete pracovať s rôznymi pomermi, aby ste pomerne rýchlo poskytli rozumné odhady toho, čo potrebujete.

Jednou z dôležitých úvah je nárazový prúd pri zapnutí. Filtračné kondenzátory fungujú ako mŕtvy skrat, kým sa nenabijú. Čím väčšie sú kondenzátory, tým väčšie bude toto prepätie. Čím väčší je transformátor, tým väčšie bude prepätie. Pre väčšinu nízkonapäťových analógových napájacích zdrojov (<50 voltov) trochu pomáha odpor vinutia transformátora. Transformátor 25.2 V/0.6 ampér má nameraný sekundárny odpor 42 ohmu. To obmedzuje maximálny nábeh na XNUMX ampérov. Navyše indukčnosť transformátora to trochu znižuje. Stále však existuje veľký potenciálny prúdový náraz pri zapnutí.

Dobrou správou je, že moderné kremíkové usmerňovače majú často obrovské schopnosti nárazového prúdu. Štandardná skupina diód 1N400x je zvyčajne špecifikovaná s 30 ampérmi nárazového prúdu. S mostíkovým obvodom to nesú dve diódy, takže najhorší prípad je 21 ampérov, z ktorých každá je pod 30 ampérovou špecifikáciou (za predpokladu rovnakého zdieľania prúdu, čo nie je vždy prípad). Toto je extrémny príklad. Vo všeobecnosti sa používa faktor okolo 10 namiesto 21.

Napriek tomu tento súčasný nárast nemožno ignorovať. Minúť o pár centov viac na použitie trojampérovej kobylky namiesto jednoampérovej kobylky môžu byť dobre vynaložené peniaze.

PRAKTICKÝ DIZAJN

Teraz môžeme použiť tieto pravidlá a princípy a začať navrhovať základný zdroj napájania. Ako jadro návrhu použijeme 25.2 V transformátor. Obrázok 6 môže byť videný ako zložený z predchádzajúcich obrázkov, ale s pridanými hodnotami praktickej časti. Druhá kontrolka v sekundáre indikuje jeho stav. Tiež ukazuje, či je nabitý kondenzátor. Pri takej veľkej hodnote ide o dôležité bezpečnostné hľadisko. (Všimnite si, že keďže ide o jednosmerný signál, dióda spätného napätia 1N4004 nie je potrebná.)

OBRÁZOK 6. Konečný návrh napájacieho zdroja s praktickými špecifikáciami častí. Regulácia výkonu je popísaná v nasledujúcom článku.

---

Môže byť lacnejšie použiť dva menšie kondenzátory paralelne ako jeden veľký. Pracovné napätie pre kondenzátor musí byť najmenej 63 voltov; 50 voltov nie je dostatočná rezerva pre 40 voltovú špičku. 50 voltová jednotka poskytuje len 25% maržu. To môže byť v poriadku pre nekritické aplikácie, ale ak tu zlyhá kondenzátor, výsledky môžu byť katastrofálne. 63 voltový kondenzátor poskytuje asi 60 % rezervu, zatiaľ čo 100 voltové zariadenie poskytuje 150 % rezervu. Pre napájacie zdroje platí všeobecné pravidlo medzi 50% a 100% rezervou pre usmerňovače a kondenzátory. (Zvlnenie by malo byť približne dva volty, ako je znázornené.)

Mostový usmerňovač musí byť schopný zvládnuť vysoké počiatočné prúdové rázy, takže sa oplatí minúť ďalší cent alebo dva na zlepšenie spoľahlivosti. Všimnite si, že mostík je špecifikovaný skôr tým, čo môže transformátor dodávať, než tým, na čo je nakoniec zdroj napájania určený. Toto sa vykonáva v prípade, že dôjde k skratu na výstupe. V takom prípade bude cez diódy prechádzať plný prúd transformátora. Pamätajte, že porucha napájania je zlá vec. Navrhnite ho teda tak, aby bol robustný.

ZÁVER

Podrobnosti sú dôležitým faktorom pri navrhovaní napájacieho zdroja. Zaznamenanie rozdielu medzi RMS napätím a špičkovým napätím je kritické pri určovaní správneho pracovného napätia pre zdroj. Navyše počiatočný nárazový prúd je niečo, čo nemožno ignorovať.

V časti 2 dokončíme tento projekt pridaním trojsvorkového regulátora. Navrhneme univerzálny, prúdovo obmedzený, nastaviteľný napäťový zdroj s diaľkovým vypínaním. Okrem toho, princípy použité pre tento dizajn môžu byť aplikované na akýkoľvek dizajn napájacieho zdroja. 

Zanechajte správu 

zoznam správ