ОСНОВНА КОНСТРУКЦІЯ АНАЛОГОВОГО БЛОКА ЖИВЛЕННЯ

Є стара приказка: «Ви можете дати людині рибу, і вона з’їсть за день, або ви можете навчити людину ловити рибу, і вона буде їсти вічно». Є багато статей, які дають читачеві конкретну конструкцію для створення блоку живлення, і в цих дизайнах кулінарних книг немає нічого поганого. Вони часто мають дуже хороші показники. Однак вони не навчають читачів, як самостійно спроектувати блок живлення. Ця стаття, що складається з двох частин, почнеться з самого початку та пояснити кожен крок, необхідний для створення базового аналогового джерела живлення. Конструкція буде зосереджена на повсюдно поширеному триконтактному регуляторі та включатиме ряд удосконалень базової конструкції.

Завжди важливо пам’ятати, що блок живлення — або для конкретного продукту, або як загальне тестове обладнання — може вразити користувача електричним струмом, розпочати пожежу або знищити пристрій, який він живить. Очевидно, що це не хороші речі. З цієї причини дуже важливо підходити до цього дизайну консервативно. Забезпечте великий запас для компонентів. Добре сконструйований блок живлення – це той, який ніколи не помічають.

ПЕРЕВІРШЕННЯ ВХІДНОЇ ПОТУЖНОСТІ

На малюнку 1 показана основна конструкція типового аналогового джерела живлення. Він складається з трьох основних компонентів: перетворення вхідної потужності та кондиціонування; ректифікація та фільтрація; і регулювання. Перетворення вхідної потужності, як правило, є силовим трансформатором і є єдиним методом, який тут розглядається. Однак є кілька моментів, які важливо згадати.

РИСУНОК 1. Базовий аналоговий блок живлення складається з трьох частин. Перші два обговорюються в цій статті, а останній — у наступній частині.

---

По-перше, 117 В змінного струму (вольт змінного струму) насправді є вимірюванням RMS (середньоквадратичною). (Зауважте, що я бачив, що звичайні побутові потужності вказуються десь від 110 В змінного струму до 125 В змінного струму. Я щойно виміряв свою і виявив, що вона становить точно 120.0 В змінного струму.) Середньоквадратичне вимірювання синусоїди набагато нижче, ніж фактична пікова напруга, і відображає еквівалентна напруга постійного струму (постійний струм), необхідна для забезпечення тієї ж потужності.

перетворення RMS змінюється залежно від форми хвилі; для синусоїди значення дорівнює 1.414. Це означає, що відхилення навколо нуля вольт насправді становить 169.7 вольт (для моєї потужності 120 В). Напруга змінюється від -169.7 вольт до +169.7 вольт кожен цикл. Отже, напруга від піку до піку насправді становить 339.4 вольта!

Ця напруга стає особливо важливою при додаванні байпасних конденсаторів до основних ліній електропередачі для придушення шуму від входу або виходу з джерела живлення (поширена ситуація). Якщо ви думаєте, що фактична напруга становить 120 вольт, ви можете використовувати конденсатори на 150 вольт. Як бачите, це невірно. Абсолютна мінімальна безпечна робоча напруга для ваших конденсаторів становить 200 вольт (краще 250 вольт). Не забувайте, що якщо ви очікуєте побачити шум/скачки на лінії, вам потрібно додати цю напругу шуму/скачків до пікової напруги.

У США вхідна частота – 60 Гц. У Європі поширена частота 50 Гц. Трансформатори, розраховані на 60 Гц, як правило, добре працюють на 50 Гц і навпаки. Крім того, стабільність частоти лінії електропередачі зазвичай є чудовою і рідко враховується. Іноді ви можете знайти трансформатори 400 Гц. Зазвичай це військові або авіаційні пристрої і, як правило, не підходять для використання на живленні 50/60 Гц (або навпаки).

Вихід трансформатора також вказується як середньоквадратична напруга. Крім того, зазначена напруга є мінімальною напругою, що очікується при повному навантаженні. Часто спостерігається збільшення номінальної потужності приблизно на 10% без навантаження. (Мій трансформатор на 25.2 вольта/двоампер вимірює 28.6 вольт без навантаження.) Це означає, що фактична вихідна напруга холостого ходу/пікова напруга для мого трансформатора 25.2 вольта становить 40.4 вольта! Як бачите, завжди важливо пам’ятати, що номінальна середньоквадратична напруга для живлення змінного струму є значно меншою за фактичну пікову напругу.

На малюнку 2 представлено типову конструкцію перетворення вхідної потужності та кондиціонування. Я вважаю за краще використовувати двополюсний вимикач, хоча це не є абсолютно необхідним. Він захищає від неправильного підключення електричних розеток (що сьогодні зустрічається рідко) або від неправильних проводів живлення в самому джерелі живлення (набагато частіше). Важливо, щоб, коли вимикач живлення вимкнено, гарячий провід від’єднувався від джерела живлення.

РИСУНОК 2. Вхідне кондиціонування є досить простим, але слід пам'ятати, що середньоквадратична напруга не збігається з піковою напругою. Пікова напруга 120 В змінного струму RMS становить близько 170 вольт.

---

Запобіжник (або вимикач) необхідний. Його головне призначення — запобігти пожежі, тому що без нього коротке замикання трансформатора або первинної ланцюга дозволить протікати потужним струмам, викликаючи розжарення металевих деталей до червоного або навіть білого кольору. Зазвичай це повільний тип, розрахований на 250 вольт. Поточний рейтинг повинен бути приблизно вдвічі більшим, ніж може розраховувати трансформатор.

Наприклад, згаданий вище двоамперний трансформатор на 25.2 вольта споживає приблизно 0.42 ампера первинного струму (25.2 вольта/120 вольт x два ампери). Тому запобіжник на один ампер є розумним. Запобіжник у вторинній частині буде розглянуто в наступній статті.

Байпасні конденсатори допомагають фільтрувати шум і є додатковими. Оскільки пікова напруга становить близько 170 вольт, 250 вольт кращий, ніж граничний 200 вольт. Ви можете використовувати «фільтр введення потужності». Існує багато видів цих агрегатів. Деякі містять стандартний роз’єм живлення, перемикач, тримач запобіжника та фільтр в одній невеликій упаковці. Інші можуть мати лише деякі з цих компонентів. Як правило, ті, у яких є все, досить дорогі, але зайві одиниці зазвичай можна знайти за дуже розумними цінами.

Важливо вміти визначити, чи є первинний ланцюг живленням, тому використовується контрольна лампа. Показано дві типові схеми. Неонова лампа використовується десятиліттями. Це просто і недорого. У нього є недоліки: він дещо крихкий (зроблений зі скла); може блимати, якщо резистор занадто великий; і може фактично створювати деякий електричний шум (через раптовий іонний розпад неонового газу).

Для схеми світлодіодів також потрібен струмообмежувальний резистор. При 10,000 12 hms забезпечується струм близько 20 мА. Більшість світлодіодів розраховані на максимальний струм 12 мА, тому 1 мА є розумним. (Високоефективні світлодіоди можуть задовільно працювати лише з 2 або XNUMX мА, тому резистор можна збільшити за потреби.)

Зауважте, що світлодіоди мають дуже низьку напругу зворотного пробою (зазвичай від 10 до 20 вольт). З цієї причини потрібен другий діод. Він повинен працювати при напрузі не менше 170 вольт PIV (пікова інверсна напруга). Стандартний 1N4003 розрахований на 200 PIV, що не забезпечує великого запасу. 1N4004 оцінюється в 400 PIV і коштує, можливо, на пенні дорожче. Якщо розмістити його послідовно зі світлодіодом, загальний PIV становить 400 плюс LED PIV.

РЕКТИФІКАЦІЯ І ФІЛЬТР

На малюнках 3, 4 і 5 показані найбільш типові схеми випрямлення з вихідним сигналом, відображеним вище. (Конденсатор фільтра не показаний, оскільки при його додаванні форма сигналу змінюється на щось на зразок напруги постійного струму.) Корисно вивчити ці три основні схеми, щоб визначити їх сильні та слабкі сторони.

На малюнку 3 показаний базовий напівхвильовий випрямляч. Єдина відмінна характеристика цього полягає в тому, що він дуже простий, з використанням лише одного випрямляча. Погана особливість полягає в тому, що він використовує лише половину циклу живлення, що робить теоретичний ККД ланцюга менше 50% лише для запуску. Часто джерела живлення напівхвильових випрямлячів мають лише 30% ККД. Оскільки трансформатори є дорогими предметами, ця неефективність дуже дорога. По-друге, форму хвилі дуже важко відфільтрувати. Половину часу від трансформатора взагалі немає живлення. Для згладжування виходу потрібні дуже високі значення ємності. Він рідко використовується для аналогового джерела живлення.

РИСУНОК 3. Схема напівхвильового випрямляча проста, але вона дає погану вихідну форму сигналу, яку дуже важко відфільтрувати. Крім того, половина потужності трансформатора витрачається даремно. (Зверніть увагу, що фільтруючі конденсатори опущені для наочності, оскільки вони змінюють форму сигналу.)

---

Цікава і важлива річ відбувається, коли в схему напівхвильового випрямляча додається фільтруючий конденсатор. Диференціал напруги холостого ходу подвоюється. Це тому, що конденсатор накопичує енергію з першої половини (позитивної частини) циклу. Коли відбувається друга половина, конденсатор утримує позитивну пікову напругу, а негативна пікова напруга прикладається до іншого висновку, через що конденсатор і через нього діод бачить повну напругу від піку до піку. Таким чином, для трансформатора 25.2 вольт вище, фактична пікова напруга, яку бачать ці компоненти, може перевищувати 80 вольт!

Малюнок 4 (верхня схема) є прикладом типової схеми повнохвильового/центрального випрямляча. Коли це використовується, у більшості випадків, ймовірно, не повинно бути. Це забезпечує гарний вихід, який повністю виправляється. Це робить фільтрацію відносно легкою. Він використовує лише два випрямлячі, тому коштує досить недорого. Однак він не більш ефективний, ніж напівхвильова схема, представлена ​​вище.

РИСУНОК 4. Повнохвильова конструкція (зверху) забезпечує гарний вихід. Перемалювавши схему (внизу), можна побачити, що насправді це лише два напівхвильових випрямляча, з’єднані разом. Знову половина потужності трансформатора витрачається даремно.

---

Це можна побачити, перемалювавши схему з двома трансформаторами (малюнок 4 внизу). Коли це буде зроблено, стає зрозуміло, що повнохвильовий — це насправді лише два півхвильових кола, з’єднані разом. Половина циклу живлення кожного трансформатора не використовується. Таким чином, максимальний теоретичний ККД становить 50%, а реальний ККД становить близько 30%.

PIV схеми є половиною напівхвильової схеми, оскільки вхідна напруга на діодах становить половину вихідної трансформатора. Центральний відвод забезпечує половину напруги на два кінці обмоток трансформатора. Таким чином, для прикладу трансформатора 25.2 вольт PIV становить 35.6 вольт плюс збільшення холостого ходу, яке приблизно на 10% більше.

На малюнку 5 представлена ​​схема мостового випрямляча, яка зазвичай має бути першим вибором. Вихід повністю виправлений, тому фільтрація досить проста. Але найголовніше, що він використовує обидві половини циклу живлення. Це найефективніша конструкція і отримує максимум користі від дорогого трансформатора. Додавання двох діодів набагато дешевше, ніж подвоєння номінальної потужності трансформатора (вимірюється у «вольт-амперах» або ВА).

РИСУНОК 5. Підхід мостового випрямляча (зверху) забезпечує повне використання потужності трансформатора та повнохвильове випрямлення. Крім того, змінюючи опорний елемент заземлення (внизу), можна отримати джерело живлення з подвійною напругою.

---

Єдиним недоліком цієї конструкції є те, що живлення має проходити через два діоди з результуючим падінням напруги 1.4 вольта замість 0.7 вольт для інших конструкцій. Як правило, це стосується лише джерел живлення низької напруги, де додаткові 0.7 вольт становлять значну частину виходу. (У таких випадках зазвичай використовується імпульсне джерело живлення, а не будь-яка з наведених вище схем.)

Оскільки для кожного півперіоду використовуються два діоди, кожен бачить лише половину напруги трансформатора. Це робить PIV рівним піковій вхідній напрузі або 1.414-кратній напрузі трансформатора, що відповідає повнохвильовій напрузі вище.

Дуже приємною особливістю мостового випрямляча є те, що опорне значення заземлення можна змінити, щоб створити позитивну і негативну вихідну напругу. Це показано в нижній частині малюнка 5.

ФІЛЬТРУВАННЯ

Майже вся фільтрація для аналогового джерела живлення відбувається від фільтрувального конденсатора. Можна використовувати індуктивність послідовно з виходом, але при 60 Гц ці індуктивності повинні бути досить великими і коштувати дорого. Іноді вони використовуються для високовольтних джерел живлення, де відповідні конденсатори дорогі.

Формула для розрахунку конденсатора фільтра (C) досить проста, але вам потрібно знати прийнятну напругу пульсації від піку до піку (V), час напівперіоду (T) і споживаний струм (I). Формула: C=I*T/V, де C — у мікрофарадах, I — у міліамперах, T — у мілісекундах, а V — у вольтах. Час напівперіоду для частоти 60 Гц становить 8.3 мілісекунди (посилання: Довідник для радіоаматорів 1997 року).

З формули зрозуміло, що вимоги до фільтрації збільшуються для джерел живлення з високим струмом та/або низькими пульсаціями, але це лише здоровий глузд. Легкий для запам’ятовування приклад: 3,000 мікрофарад на ампер струму забезпечить близько трьох вольт пульсацій. Ви можете використовувати різні співвідношення з цього прикладу, щоб досить швидко надати розумні оцінки того, що вам потрібно.

Одним з важливих факторів є стрибок струму при включенні. Конденсатори фільтра діють як замикання, поки вони не заряджаться. Чим більше конденсатори, тим більшим буде цей стрибок. Чим більше трансформатор, тим більшим буде сплеск. Для більшості низьковольтних аналогових джерел живлення (<50 вольт) опір обмотки трансформатора дещо допомагає. Трансформатор на 25.2 вольта/два ампери має виміряний вторинний опір 0.6 Ом. Це обмежує максимальний ток до 42 ампер. Крім того, індуктивність трансформатора дещо зменшує це. Проте все ще існує великий потенційний стрибок струму при включенні.

Хороша новина полягає в тому, що сучасні кремнієві випрямлячі часто мають величезні можливості перенапруги. Стандартне сімейство діодів 1N400x зазвичай має потужність 30 ампер. У мостовій схемі є два діоди, які несуть це, тому в гіршому випадку 21 ампер кожен, що нижче специфікації на 30 ампер (за умови рівного розподілу струму, що не завжди має місце). Це екстремальний приклад. Зазвичай використовується коефіцієнт приблизно 10 замість 21.

Тим не менш, цей поточний сплеск не варто ігнорувати. Витратити на кілька центів більше, щоб використовувати міст на три ампер замість моста на один ампер, може бути добре витраченим.

ПРАКТИЧНИЙ ДИЗАЙН

Тепер ми можемо застосувати ці правила та принципи та почати розробляти базовий блок живлення. Ми будемо використовувати трансформатор 25.2 вольта як ядро ​​конструкції. Малюнок 6 можна розглядати як сукупність попередніх малюнків, але з доданими практичними значеннями частин. Другий контрольний індикатор у вторинній вказує на його статус. Він також показує, чи є заряд на конденсаторі. При такому великому значенні це важливий аспект безпеки. (Зверніть увагу, що оскільки це сигнал постійного струму, діод зворотної напруги 1N4004 не потрібен.)

РИСУНОК 6. Остаточний проект блоку живлення з практичними характеристиками деталей. Регулювання потужності обговорюється в наступній статті.

---

Може бути дешевше використовувати два менших конденсатора паралельно, ніж один великий. Робоча напруга для конденсатора має бути не менше 63 вольт; 50 вольт недостатньо запасу для піку 40 вольт. Пристрій на 50 вольт забезпечує запас лише 25%. Це може бути добре для некритичного застосування, але якщо конденсатор тут виходить з ладу, результати можуть бути катастрофічними. Конденсатор на 63 вольта забезпечує запас близько 60%, тоді як пристрій на 100 вольт дає запас 150%. Для джерел живлення загальним правилом є запас від 50% до 100% для випрямлячів і конденсаторів. (Як показано на малюнку, пульсація повинна становити близько двох вольт.)

Мостовий випрямляч повинен бути в змозі впоратися з високим початковим стрибком струму, тому витратити додаткову копійку або два для підвищення надійності варто. Зауважте, що міст визначається тим, що може забезпечити трансформатор, а не тим, для чого в кінцевому підсумку призначено джерело живлення. Це робиться на випадок короткого виходу. У такому випадку повний струм трансформатора буде проходити через діоди. Пам’ятайте, що збій живлення – це погано. Отже, спроектуйте його, щоб він був міцним.

ВИСНОВОК

Деталі є важливим фактором при проектуванні джерела живлення. Відзначаючи різницю між середньоквадратичною напругою та піковою напругою, є критичним для визначення належної робочої напруги для джерела живлення. Крім того, початковий імпульсний струм – це те, що не можна ігнорувати.

У частині 2 ми завершимо цей проект, додавши регулятор з трьома терміналами. Ми розробимо універсальний блок живлення з обмеженим струмом і регульованою напругою з дистанційним відключенням. Крім того, принципи, використані для цієї конструкції, можна застосувати до будь-якої конструкції джерела живлення. 

Залишити повідомлення 

список повідомлень