OSNOVNA ZASNOVA ANALOGNEGA NAPAJANJA

Stari pregovor pravi: "Človeku lahko daš ribo in bo jedel en dan ali pa človeka naučiš ribariti in bo jedel za vedno." Obstaja veliko člankov, ki dajejo bralcu posebno zasnovo za gradnjo napajalnika, in s temi modeli kuharskih knjig ni nič narobe. Pogosto imajo zelo dobre rezultate. Vendar bralcev ne učijo, kako sami oblikovati napajalnik. Ta članek iz dveh delov se bo začel od začetka in razložil vse potrebne korake za izdelavo osnovnega analognega napajalnika. Zasnova se bo osredotočila na vseprisotni regulator s tremi terminali in vključevala številne izboljšave osnovne zasnove.

Vedno si je treba zapomniti, da ima napajalnik – bodisi za določen izdelek bodisi kot splošen kos preskusne opreme – možnost, da uporabnika povzroči električni udar, povzroči požar ali uniči napravo, ki jo napaja. Očitno to niso dobre stvari. Zaradi tega je ključnega pomena, da k tej zasnovi pristopite konzervativno. Zagotovite veliko rezerve za komponente. Dobro zasnovan napajalnik je tisti, ki ga nikoli ne opazimo.

PRETVORBA VHODNE MOČI

Slika 1 prikazuje temeljno zasnovo tipičnega analognega napajalnika. Sestavljen je iz treh glavnih komponent: pretvorba vhodne moči in kondicioniranje; rektifikacija in filtriranje; in regulacijo. Pretvorba vhodne moči je običajno močnostni transformator in je edina obravnavana metoda. Vendar pa obstaja nekaj točk, ki jih je treba omeniti.

SLIKA 1. Osnovni analogni napajalnik je sestavljen iz treh delov. Prvi dve sta obravnavani v tem članku, zadnji pa v naslednjem delu.

---

Prvi je, da je 117 VAC (Voltov izmenični tok) res meritev RMS (srednji kvadratni koren). (Upoštevajte, da sem videl, da je običajna gospodinjska moč določena od 110 VAC do 125 VAC. Pravkar sem izmeril svojo in ugotovil, da je natančno 120.0 VAC.) Meritev RMS sinusnega vala je veliko nižja od dejanske najvišje napetosti in predstavlja enakovredna napetost enosmernega toka (enosmerni tok), ki je potrebna za zagotovitev enake moči.

pretvorba RMS se razlikuje glede na obliko valovanja; za sinusni val je vrednost 1.414. To pomeni, da je odstopanje okoli nič voltov dejansko 169.7 voltov (za mojo moč 120 VAC). Moč se spreminja od -169.7 voltov do +169.7 voltov v vsakem ciklu. Zato je napetost od vrha do vrha dejansko 339.4 voltov!

Ta napetost postane še posebej pomembna pri dodajanju obvodnih kondenzatorjev na glavne daljnovode za zatiranje hrupa zaradi vstopa ali izstopa iz napajanja (običajna situacija). Če menite, da je dejanska napetost 120 voltov, lahko uporabite 150-voltne kondenzatorje. Kot lahko vidite, to ni pravilno. Absolutna minimalna varna delovna napetost za vaše kondenzatorje je 200 voltov (bolje je 250 voltov). Ne pozabite, da če pričakujete, da boste na liniji videli hrup/konice, morate ta hrup/konice dodati najvišji napetosti.

Vhodna frekvenca je v ZDA univerzalno 60 Hz. V Evropi je 50 Hz pogost. Transformatorji, ocenjeni za 60 Hz, bodo na splošno dobro delovali pri 50 Hz in obratno. Poleg tega je frekvenčna stabilnost daljnovoda običajno odlična in le redko pride v poštev. Občasno boste morda našli na voljo transformatorje 400 Hz. To so običajno vojaške ali letalske naprave in na splošno niso primerne za uporabo pri moči 50/60 Hz (ali obratno).

Izhod transformatorja je določen tudi kot RMS napetost. Poleg tega je navedena napetost najmanjša pričakovana napetost pri polni obremenitvi. Pogosto pride do približno 10-odstotnega povečanja nazivne moči brez obremenitve. (Moj 25.2-voltni/28.6-amperski transformator meri 25.2 voltov brez obremenitve.) To pomeni, da je dejanska napetost brez obremenitve/maksimalna izhodna napetost za moj 40.4-voltni transformator XNUMX volta! Kot lahko vidite, je vedno pomembno zapomniti, da so nazivne RMS napetosti za izmenični tok bistveno manjše od dejanskih koničnih napetosti.

Slika 2 prikazuje tipično zasnovo pretvorbe vhodne moči in kondicioniranja. Raje uporabljam dvopolno stikalo, čeprav to ni nujno potrebno. Ščiti pred napačno ožičenimi električnimi vtičnicami (kar je danes redko) ali napačnimi napajalnimi kabli v samem napajalniku (veliko pogostejši). Ko je stikalo za napajanje izklopljeno, je ključnega pomena, da je vroč vodnik odklopljen iz napajanja.

SLIKA 2. Kondicioniranje vhoda je precej osnovno, vendar se je treba spomniti, da RMS napetost ni enaka konični napetosti. Najvišja napetost 120 VAC RMS je približno 170 voltov.

---

Varovalka (ali odklopnik) je potrebna. Njegov glavni namen je preprečiti požare, saj bo brez njega kratek transformator ali primarni tokokrog omogočil pretok velikih tokov, zaradi česar se kovinski deli segrejejo rdeče ali celo belo. Običajno gre za počasnejši tip, ocenjen na 250 voltov. Trenutna ocena bi morala biti približno dvakrat večja od tiste, ki jo transformator lahko pričakuje.

Na primer, zgoraj omenjeni 25.2-voltni transformator z dvema amperoma bo črpal približno 0.42 ampera primarnega toka (25.2 voltov/120 voltov x dva ampera). Torej je varovalka z enim amperom razumna. Varovalka v sekundarni bo obravnavana v naslednjem članku.

Bypass kondenzatorji pomagajo filtrirati hrup in so izbirni. Ker je najvišja napetost približno 170 voltov, je 250-voltna ocena boljša od mejne 200-voltne. Morda boste želeli uporabiti "filter za vnos moči". Obstaja veliko vrst teh enot. Nekateri vsebujejo standardni napajalni konektor, stikalo, držalo varovalk in filter v enem majhnem paketu. Drugi imajo lahko le nekatere od teh komponent. Običajno so tiste z vsem precej drage, vendar je presežne enote običajno mogoče najti po zelo ugodnih cenah.

Pomembno je, da ugotovite, ali je primarni tokokrog napajan, zato se uporabi kontrolna luč. Prikazana sta dva tipična tokokroga. Neonska svetilka se uporablja že desetletja. Je preprosto in poceni. Pomanjkljivosti ima, da je nekoliko krhek (narejen iz stekla); lahko utripa, če je upor prevelik; in lahko dejansko ustvari nekaj električnega hrupa (zaradi nenadnega ionskega razpada neonskega plina).

LED vezje zahteva tudi upor za omejevanje toka. Pri 10,000 hms je zagotovljen tok približno 12 mA. Večina LED diod je ocenjena za največji tok 20 mA, zato je 12 mA razumno. (Visoko učinkovite LED diode lahko zadovoljivo delujejo samo z 1 ali 2 mA, tako da se lahko upor po potrebi poveča.)

Upoštevajte, da imajo LED diode zelo slabe povratne napetosti (običajno 10 do 20 voltov). Zaradi tega je potrebna druga dioda. Ta mora delovati z najmanj 170 voltov PIV (maksimalna inverzna napetost). Standardni 1N4003 je ocenjen na 200 PIV, kar ne zagotavlja velike marže. 1N4004 je ocenjen na 400 PIV in stane morda kakšen peni več. Če ga postavite v serijo z LED, je skupni PIV 400 plus LED PIV.

REKTIFIKACIJA IN FILTRIRANJE

Slike 3, 4 in 5 prikazujejo najbolj tipična rektifikacijska vezja z zgoraj prikazano izhodno valovno obliko. (Kondenzator filtra ni prikazan, ker se z dodajanjem valovna oblika spremeni v nekaj podobnega enosmerni napetosti.) Koristno je preučiti ta tri osnovna vezja, da ugotovimo njihove prednosti in slabosti.

Slika 3 prikazuje osnovni polvalovni usmernik. Edina odkupna značilnost tega je, da je zelo preprosta, z uporabo samo enega usmernika. Slaba lastnost je, da uporablja samo polovico cikla moči, zaradi česar je teoretični izkoristek vezja manjši od 50 % samo za zagon. Pogosto so napajalniki polvalnih usmernikov le 30-odstotni. Ker so transformatorji dragi predmeti, je ta neučinkovitost zelo draga. Drugič, obliko valov je zelo težko filtrirati. Polovica časa sploh ne prihaja iz transformatorja. Za glajenje izhoda so potrebne zelo visoke vrednosti kapacitivnosti. Redko se uporablja za analogno napajanje.

SLIKA 3. Polvalovno usmerniško vezje je preprosto, vendar proizvaja slabo izhodno valovno obliko, ki jo je zelo težko filtrirati. Poleg tega je polovica moči transformatorja izgubljena. (Upoštevajte, da so filtrirni kondenzatorji zaradi jasnosti izpuščeni, ker spreminjajo valovno obliko.)

---

Zanimiva in pomembna stvar se zgodi, ko v vezje polvalovnega usmernika dodamo filtrski kondenzator. Razlika napetosti brez obremenitve se podvoji. To je zato, ker kondenzator shranjuje energijo iz prve polovice (pozitivnega dela) cikla. Ko nastopi druga polovica, kondenzator drži pozitivno najvišjo napetost in negativna najvišja napetost se nanese na drugi terminal, kar povzroči, da kondenzator in skozi to diodo vidi celotno napetost od vrha do vrha. Tako je za 25.2-voltni transformator zgoraj lahko dejanska najvišja napetost, ki jo vidijo te komponente, več kot 80 voltov!

Slika 4 (zgornji tokokrog) je primer tipičnega polvalnega/centralnega usmerniškega vezja. Ko se to uporablja, v večini primerov verjetno ne bi smelo biti. Zagotavlja lep izhod, ki je popolnoma popravljen. Zaradi tega je filtriranje relativno enostavno. Uporablja samo dva usmernika, zato je precej poceni. Vendar pa ni nič bolj učinkovit od zgoraj predstavljenega polvalovnega vezja.

SLIKA 4. Polnovalna zasnova (zgoraj) daje lep rezultat. S preoblikovanjem vezja (spodaj) je razvidno, da gre v resnici le za dva polvalovna usmernika, ki sta povezana skupaj. Spet je zapravljena polovica moči transformatorja.

---

To lahko vidimo tako, da ponovno narišemo vezje z dvema transformatorjema (slika 4 spodaj). Ko je to storjeno, postane jasno, da sta polni val v resnici le dva polvalovna vezja, povezana skupaj. Polovica vsakega cikla moči transformatorja se ne uporablja. Tako je največji teoretični izkoristek 50 % z dejanskim izkoristkom okoli 30 %.

PIV vezja je polovica polvalovnega vezja, ker je vhodna napetost na diode polovica izhoda transformatorja. Osrednja pipa zagotavlja polovico napetosti na obeh koncih navitij transformatorja. Torej, za primer transformatorja 25.2 voltov je PIV 35.6 voltov plus povečanje prostega teka, ki je približno 10 % več.

Slika 5 prikazuje vezje mostnega usmernika, ki bi moral biti na splošno prva izbira. Izhod je popolnoma popravljen, zato je filtriranje dokaj enostavno. Najpomembneje pa je, da uporablja obe polovici cikla moči. To je najučinkovitejši dizajn in kar najbolje izkoristi drag transformator. Dodajanje dveh diod je veliko cenejše kot podvojitev nazivne moči transformatorja (merjeno v "Volt-Amps" ali VA).

SLIKA 5. Pristop mostnega usmernika (zgoraj) zagotavlja polno izrabo moči transformatorja in s polnovalnim usmerjanjem. Poleg tega lahko s spremembo referenčne točke ozemljitve (spodaj) dobite dvojno napetostno napajanje.

---

Edina pomanjkljivost te zasnove je, da mora moč prehajati skozi dve diodi s posledičnim padcem napetosti 1.4 volta namesto 0.7 volta pri drugih zasnovah. Na splošno je to skrb le za nizkonapetostne napajalnike, kjer dodatnih 0.7 voltov predstavlja znaten delež izhodne moči. (V takih primerih se običajno uporablja stikalno napajanje namesto katerega koli od zgornjih vezij.)

Ker se za vsak polovični cikel uporabljata dve diodi, vsaka vidi le polovico napetosti transformatorja. Zaradi tega je PIV enak najvišji vhodni napetosti ali 1.414-kratniku napetosti transformatorja, kar je enako kot v zgornjem polnovalnem vezju.

Zelo lepa lastnost mostnega usmernika je, da se lahko referenca ozemljitve spremeni tako, da ustvari pozitivno in negativno izhodno napetost. To je prikazano na dnu slike 5.

FILTRIRANJE

Skoraj vse filtriranje za analogno napajanje prihaja iz filtrskega kondenzatorja. Možno je uporabiti induktor serijsko z izhodom, vendar morajo biti pri 60 Hz ti induktorji precej veliki in dragi. Občasno se uporabljajo za visokonapetostne napajalnike, kjer so ustrezni kondenzatorji dragi.

Formula za izračun filtrirnega kondenzatorja (C) je precej preprosta, vendar morate poznati sprejemljivo napetost valovanja od vrha do vrha (V), čas polovičnega cikla (T) in vlečeni tok (I). Formula je C=I*T/V, kjer je C v mikrofaradih, I v miliamperih, T v milisekundah in V v voltih. Polovični čas za 60 Hz je 8.3 milisekunde (referenca: Radio Amateur's Handbook iz 1997).

Iz formule je jasno, da so zahteve za filtriranje povečane za napajalnike z visokim tokom in/ali nizko valovitostjo, vendar je to le zdrav razum. Primer, ki si ga je enostavno zapomniti, je 3,000 mikrofaradov na amper toka, ki zagotavlja približno tri volte valovanja. Iz tega primera lahko uporabite različna razmerja, da dokaj hitro zagotovite razumne ocene, kaj potrebujete.

Eden od pomembnih dejavnikov je močan tok ob vklopu. Filtrirni kondenzatorji delujejo kot mrtvi kratki stiki, dokler se ne napolnijo. Večji kot so kondenzatorji, večji bo ta val. Večji kot je transformator, večji bo prenapetost. Pri večini nizkonapetostnih analognih napajalnikov (<50 voltov) nekoliko pomaga upor navitja transformatorja. 25.2-voltni/dva amper transformator ima izmerjeno sekundarno upornost 0.6 ohmov. To omejuje največjo moč na 42 amperov. Poleg tega induktivnost transformatorja to nekoliko zmanjša. Vendar pa je ob vklopu še vedno velik potencialni tok.

Dobra novica je, da imajo sodobni silicijevi usmerniki pogosto velike prenapetostne zmogljivosti. Standardna družina diod 1N400x je običajno določena s 30 amperi udarnega toka. Pri mostnem vezju to prenašata dve diodi, tako da je v najslabšem primeru vsaka 21 amperov, kar je pod specifikacijo 30 amperov (ob predpostavki enake delitve toka, kar ni vedno tako). To je skrajni primer. Na splošno se namesto 10 uporablja faktor približno 21.

Kljub temu tega trenutnega porasta ne gre zanemariti. Poraba nekaj centov več za uporabo mostu s tremi amperi namesto mostu z enim amperom je lahko dobro porabljen denar.

PRAKTIČNO OBLIKOVANJE

Zdaj lahko uporabimo ta pravila in načela in začnemo načrtovati osnovni napajalnik. Kot jedro zasnove bomo uporabili 25.2-voltni transformator. Sliko 6 je mogoče videti kot sestavljeno od prejšnjih slik, vendar z dodanimi praktičnimi vrednostmi delov. Druga kontrolna lučka v sekundarni označuje njeno stanje. Kaže tudi, če je kondenzator napolnjen. Pri tako veliki vrednosti je to pomemben varnostni vidik. (Upoštevajte, da ker je to DC signal, dioda za povratno napetost 1N4004 ni potrebna.)

SLIKA 6. Končna zasnova napajalnika s praktičnimi specifikacijami delov. Uravnavanje moči je obravnavano v naslednjem članku.

---

Morda je ceneje uporabiti dva manjša kondenzatorja vzporedno kot en velik. Delovna napetost za kondenzator mora biti najmanj 63 voltov; 50 voltov ni dovolj za 40-voltni vrh. 50-voltna enota zagotavlja le 25-odstotno rezervo. To je lahko v redu za nekritično aplikacijo, če pa kondenzator tukaj odpove, so lahko rezultati katastrofalni. 63-voltni kondenzator zagotavlja približno 60-odstotno rezervo, medtem ko 100-voltna naprava daje 150-odstotno rezervo. Za napajalnike je splošno pravilo med 50% in 100% rezerve za usmernike in kondenzatorje. (Vodenje mora biti približno dva volta, kot je prikazano.)

Mostni usmernik mora biti sposoben prenesti visok začetni udarni tok, zato se splača porabiti dodaten denar ali dva za večjo zanesljivost. Upoštevajte, da je most določen glede na to, kaj transformator lahko oskrbi, in ne glede na to, za kaj je končno določeno napajanje. To se naredi v primeru, da je izhod kratek. V takem primeru bo celoten tok transformatorja prešel skozi diode. Ne pozabite, izpad napajanja je slaba stvar. Zato ga oblikujte tako, da bo robusten.

ZAKLJUČEK

Podrobnosti so pomemben dejavnik pri načrtovanju napajalnika. Upoštevanje razlike med RMS napetostjo in konično napetostjo je ključnega pomena pri določanju pravilne delovne napetosti za napajanje. Poleg tega je začetni udarni tok nekaj, česar ni mogoče prezreti.

V drugem delu bomo ta projekt zaključili z dodajanjem regulatorja s tremi terminali. Oblikovali bomo splošnonamenski, tokovno omejen napajalnik z nastavljivo napetostjo z daljinskim izklopom. Poleg tega je mogoče načela, uporabljena za to zasnovo, uporabiti za katero koli zasnovo napajalnika. 

Pustite sporočilo 

Seznam sporočilo