OSNOVNI ANALOGNI DIZAJN NAPAJANJA

Postoji stara izreka: “Možeš čovjeku dati ribu i on će jesti jedan dan ili možeš naučiti čovjeka da peca i on će jesti zauvijek.” Postoji mnogo članaka koji čitatelju daju specifičan dizajn za izgradnju napajanja, i nema ništa loše u tim dizajnima kuharica. Često imaju vrlo dobre performanse. Međutim, oni ne uče čitatelje kako sami dizajnirati napajanje. Ovaj članak iz dva dijela počet će od početka i objasniti svaki korak potreban za izgradnju osnovnog analognog napajanja. Dizajn će se usredotočiti na sveprisutni regulator s tri terminala i uključivati ​​niz poboljšanja osnovnog dizajna.

Uvijek je važno zapamtiti da napajanje - bilo za određeni proizvod ili kao opći dio opreme za testiranje - može izazvati strujni udar korisnika, izazvati požar ili uništiti uređaj koji napaja. Očito, to nisu dobre stvari. Iz tog razloga, ključno je pristupiti ovom dizajnu konzervativno. Omogućite dosta marže za komponente. Dobro osmišljeno napajanje je ono koje se nikad ne primijeti.

PRETVORBA ULAZNE SNAGE

Slika 1 prikazuje temeljni dizajn za tipično analogno napajanje. Sastoji se od tri glavne komponente: pretvorbe ulazne snage i kondicioniranja; rektifikacija i filtriranje; i regulacija. Pretvorba ulazne snage je obično energetski transformator i jedina je metoda koja se ovdje razmatra. Međutim, postoji nekoliko točaka koje je važno spomenuti.

SLIKA 1. Osnovno analogno napajanje sastoji se od tri dijela. O prva dva se raspravlja u ovom članku, a o posljednjem u sljedećem dijelu.

---

Prvi je da je 117 VAC (Volts Alternating Current) stvarno RMS (srednji kvadratni korijen) mjerenje. (Imajte na umu da sam vidio običnu snagu kućanstva specificiranu od 110 VAC do 125 VAC. Upravo sam izmjerio svoju i otkrio da je točno 120.0 VAC.) RMS mjerenje sinusnog vala mnogo je niže od stvarnog vršnog napona i predstavlja ekvivalentni istosmjerni (Direct Current) napon potreban za pružanje iste snage.

RMS pretvorba varira ovisno o obliku vala; za sinusni val, vrijednost je 1.414. To znači da je odstupanje oko nula volti zapravo 169.7 volti (za moje napajanje od 120 VAC). Snaga ide od -169.7 volti do +169.7 volti u svakom ciklusu. Stoga je napon od vrha do vrha zapravo 339.4 volta!

Ovaj napon postaje posebno važan kada se glavnim dalekovodima dodaju premosni kondenzatori za suzbijanje buke od ulaska ili izlaska iz napajanja (česta situacija). Ako mislite da je stvarni napon 120 volti, možete koristiti kondenzatore od 150 volti. Kao što vidite, ovo nije točno. Apsolutni minimalni siguran radni napon za vaše kondenzatore je 200 volti (bolje je 250 volti). Nemojte zaboraviti da, ako očekujete da ćete vidjeti šum/šiljke na liniji, morate dodati taj šum/spik napon vršnom naponu.

Ulazna frekvencija je univerzalno 60 Hz u SAD-u. U Europi je uobičajeno 50 Hz. Transformatori ocijenjeni za 60 Hz općenito će dobro raditi na 50 Hz i obrnuto. Osim toga, stabilnost frekvencije dalekovoda je obično izvrsna i rijetko se uzima u obzir. Povremeno možete pronaći transformatore od 400 Hz. To su obično vojni ili zrakoplovni uređaji i općenito nisu prikladni za korištenje na 50/60 Hz (ili obrnuto).

Izlaz transformatora je također specificiran kao RMS napon. Dodatno, navedeni napon je minimalni napon koji se očekuje pod punim opterećenjem. Često postoji povećanje nazivne snage za oko 10% bez opterećenja. (Moj transformator od 25.2 volta/dva ampera mjeri 28.6 volti bez opterećenja.) To znači da je stvarni izlazni napon bez opterećenja/vršni napon za moj transformator od 25.2 volta 40.4 volta! Kao što možete vidjeti, uvijek je važno zapamtiti da su nazivni RMS naponi za AC napajanje znatno manji od stvarnih vršnih napona.

Slika 2 prikazuje tipičnu pretvorbu ulazne snage i dizajn kondicioniranja. Radije koristim dvopolni prekidač iako to nije apsolutno potrebno. Štiti od krivo ožičenih električnih utičnica (što je danas rijetko) ili krivo ožičenih strujnih vodova u samom napajanju (puno češće). Od vitalnog je značaja da kada je prekidač za napajanje isključen, vrući kabel bude isključen iz napajanja.

SLIKA 2. Kondicioniranje ulaza je prilično osnovno, ali treba imati na umu da RMS napon nije isti kao vršni napon. Vrhunski napon od 120 VAC RMS je oko 170 volti.

---

Osigurač (ili prekidač) je neophodan. Njegova glavna svrha je spriječiti požare jer će bez njega kratki spoj transformatora ili primarnog kruga omogućiti da teče velike struje uzrokujući da metalni dijelovi postanu crveni ili čak bijeli vrući. Obično je tip sporog puhanja na 250 volti. Trenutna ocjena trebala bi biti dvostruko veća od onoga što transformator može očekivati.

Na primjer, gore spomenuti transformator s dva ampera od 25.2 volta će povući oko 0.42 ampera primarne struje (25.2 volta/120 volti x dva ampera). Dakle, jedan amper osigurač je razuman. O osiguraču u sekundaru bit će riječi u sljedećem članku.

Bypass kondenzatori pomažu u filtriranju buke i nisu obavezni. Budući da je vršni napon oko 170 volti, ocjena od 250 volti je bolja od graničnih 200 volti. Možda ćete htjeti upotrijebiti "filtar za unos snage". Postoji mnogo vrsta ovih jedinica. Neki sadrže standardni konektor za napajanje, prekidač, držač osigurača i filter u jednom malom pakiranju. Drugi mogu imati samo neke od ovih komponenti. Tipično, oni sa svime su prilično skupi, ali višak jedinica obično se može naći po vrlo razumnim cijenama.

Važno je utvrditi je li primarni krug napajan pa se koristi kontrolno svjetlo. Prikazana su dva tipična kruga. Neonska lampa se koristi desetljećima. Jednostavno je i jeftino. Ima nedostataka da je donekle krhak (napravljen od stakla); može treperiti ako je otpornik prevelik; i zapravo može generirati neki električni šum (zbog iznenadnog ionskog raspada neonskog plina).

LED krug također zahtijeva otpornik za ograničavanje struje. Pri 10,000 hms osigurano je oko 12 mA struje. Većina LED dioda ima maksimalnu struju od 20 mA, tako da je 12 mA razumno. (Visoko učinkovite LED diode mogu raditi zadovoljavajuće sa samo 1 ili 2 mA, tako da se otpornik može povećati prema potrebi.)

Imajte na umu da LED diode imaju jako slab napon povratnog proboja (obično 10 do 20 volti). Zbog toga je potrebna druga dioda. To mora biti u stanju raditi s najmanje 170 volti PIV (vršni inverzni napon). Standardni 1N4003 je ocijenjen na 200 PIV što ne daje veliku maržu. 1N4004 je ocijenjen na 400 PIV i košta možda peni više. Postavljanjem u seriju s LED-om, ukupni PIV je 400 plus LED PIV.

REKTIFIKACIJA I FILTERIRANJE

Slike 3, 4 i 5 prikazuju najtipičnije ispravljačke krugove s gore prikazanim izlaznim valnim oblikom. (Kondenzator filtra nije prikazan jer se njegovim dodavanjem valni oblik mijenja u nešto poput istosmjernog napona.) Korisno je ispitati ova tri osnovna kruga kako biste identificirali njihove snage i slabosti.

Na slici 3 prikazan je osnovni poluvalni ispravljač. Jedina isplativa karakteristika ovoga je da je vrlo jednostavan, koristeći samo jedan ispravljač. Loša je značajka što koristi samo polovicu ciklusa napajanja, što čini teoretsku učinkovitost kruga manjom od 50% samo za početak. Često su poluvalni ispravljači učinkoviti samo 30%. Budući da su transformatori skupi artikli, ova neučinkovitost je vrlo skupa. Drugo, oblik vala je vrlo teško filtrirati. Pola vremena uopće nema struje iz transformatora. Za izravnavanje izlaza potrebne su vrlo visoke vrijednosti kapacitivnosti. Rijetko se koristi za analogno napajanje.

SLIKA 3. Poluvalni ispravljački krug je jednostavan, ali proizvodi slab izlazni valni oblik koji je vrlo teško filtrirati. Dodatno, polovica snage transformatora se gubi. (Imajte na umu da su kondenzatori za filtriranje izostavljeni radi jasnoće jer mijenjaju valni oblik.)

---

Zanimljiva i važna stvar se događa kada se u krug poluvalnog ispravljača doda filtarski kondenzator. Diferencijal napona praznog hoda se udvostručuje. To je zato što kondenzator pohranjuje energiju iz prve polovice (pozitivnog dijela) ciklusa. Kada se dogodi druga polovica, kondenzator drži pozitivni vršni napon i negativni vršni napon se primjenjuje na drugi terminal uzrokujući puni napon od vrha do vrha koji se vidi od strane kondenzatora i kroz to diode. Dakle, za transformator od 25.2 volti iznad, stvarni vršni napon koji vide ove komponente može biti preko 80 volti!

Slika 4 (gornji krug) je primjer tipičnog punovalnog/centralnog ispravljačkog kruga. Kada se ovo koristi, u većini slučajeva vjerojatno ne bi trebalo biti. Pruža lijep izlaz koji je potpuno ispravljen. To čini filtriranje relativno jednostavnim. Koristi samo dva ispravljača, tako da je prilično jeftin. Međutim, nije učinkovitiji od poluvalnog kruga koji je gore predstavljen.

SLIKA 4. Punovalni dizajn (vrh) daje lijep izlaz. Precrtavanjem kruga (dolje) može se vidjeti da se zapravo radi o samo dva poluvalna ispravljača spojena zajedno. Opet, pola snage transformatora je izgubljeno.

---

To se može vidjeti ponovnim crtanjem kruga s dva transformatora (slika 4 dolje). Kada se to učini, postaje jasno da su punovalni zapravo samo dva poluvalna kruga povezana zajedno. Polovica svakog ciklusa snage transformatora se ne koristi. Dakle, maksimalna teoretska učinkovitost je 50%, a stvarna učinkovitost oko 30%.

PIV kruga je polovica poluvalnog kruga jer je ulazni napon dioda polovica izlaznog transformatora. Središnja slavina osigurava polovicu napona na dva kraja namota transformatora. Dakle, za primjer transformatora od 25.2 volti, PIV je 35.6 volti plus povećanje praznog hoda što je oko 10% više.

Na slici 5 prikazan je sklop mosnog ispravljača koji bi općenito trebao biti prvi izbor. Izlaz je potpuno ispravljen tako da je filtriranje prilično jednostavno. Međutim, najvažnije je da koristi obje polovice ciklusa napajanja. Ovo je najučinkovitiji dizajn i izvlači maksimum iz skupog transformatora. Dodavanje dvije diode mnogo je jeftinije od udvostručavanja nazivne snage transformatora (mjereno u "Volt-Amperima" ili VA).

SLIKA 5. Pristup mosnog ispravljača (gore) omogućuje puno korištenje snage transformatora i s punovalnim ispravljanjem. Dodatno, promjenom referentnog uzemljenja (dolje), može se dobiti dvostruko naponsko napajanje.

---

Jedini nedostatak ovog dizajna je da snaga mora prolaziti kroz dvije diode s rezultirajućim padom napona od 1.4 volti umjesto 0.7 volti za druge dizajne. Općenito, ovo je samo briga za niskonaponske izvore napajanja gdje dodatnih 0.7 volti predstavlja značajan dio izlazne snage. (U takvim se slučajevima obično koristi sklopno napajanje umjesto bilo kojeg od gornjih krugova.)

Budući da se za svaki poluciklus koriste dvije diode, svaka se vidi samo polovica napona transformatora. To čini PIV jednakim vršnom ulaznom naponu ili 1.414 puta naponu transformatora, što je isto kao i gore navedeni punovalni krug.

Vrlo lijepa značajka mosnog ispravljača je da se referenca uzemljenja može promijeniti kako bi se stvorio pozitivan i negativan izlazni napon. To je prikazano na dnu slike 5.

FILTRIRANJE

Gotovo svo filtriranje za analogno napajanje dolazi iz filterskog kondenzatora. Moguće je koristiti induktor u seriji s izlazom, ali na 60 Hz, ti induktori moraju biti prilično veliki i skupi. Povremeno se koriste za visokonaponske izvore napajanja gdje su prikladni kondenzatori skupi.

Formula za izračun filtarskog kondenzatora (C) prilično je jednostavna, ali morate znati prihvatljivi napon mreškanja od vrha do vrha (V), vrijeme poluciklusa (T) i povučenu struju (I). Formula je C=I*T/V, gdje je C u mikrofaradima, I je u miliamperima, T je u milisekundama, a V je u voltima. Vrijeme poluciklusa za 60 Hz je 8.3 milisekundi (referenca: Radio Amateur's Handbook iz 1997.).

Iz formule je jasno da su zahtjevi za filtriranje povećani za izvore napajanja velike struje i/ili niske valovitosti, ali to je samo zdrav razum. Primjer koji se lako pamti je 3,000 mikrofarada po amperu struje dat će oko tri volta mreškanja. Možete raditi različite omjere iz ovog primjera kako biste prilično brzo pružili razumne procjene onoga što vam je potrebno.

Jedna važna stvar koju treba uzeti u obzir je val struje pri uključivanju. Filterski kondenzatori djeluju kao mrtvi kratki spojevi dok se ne napune. Što su kondenzatori veći, to će ovaj prenapon biti veći. Što je veći transformator, veći će biti prenapon. Za većinu niskonaponskih analognih izvora napajanja (<50 volti), otpor namota transformatora donekle pomaže. Transformator od 25.2 volta/dva ampera ima izmjereni sekundarni otpor od 0.6 ohma. To ograničava maksimalni napon na 42 ampera. Dodatno, induktivnost transformatora to donekle smanjuje. Međutim, još uvijek postoji veliki potencijalni skok struje pri uključivanju.

Dobra vijest je da moderni silikonski ispravljači često imaju velike mogućnosti prenaponske struje. Standardna obitelj dioda 1N400x obično je specificirana s 30 ampera udarne struje. S mosnim krugom, postoje dvije diode koje to nose, tako da je u najgorem slučaju svaka 21 amper, što je ispod specifikacije od 30 ampera (pod pretpostavkom jednakog dijeljenja struje, što nije uvijek slučaj). Ovo je ekstremni primjer. Općenito se koristi faktor od oko 10 umjesto 21.

Ipak, ovaj trenutni porast nije nešto što treba zanemariti. Potrošiti nekoliko centi više za korištenje mosta od tri ampera umjesto mosta od jednog ampera može biti dobro potrošen novac.

PRAKTIČNI DIZAJN

Sada možemo primijeniti ova pravila i principe i početi projektirati osnovno napajanje. Koristit ćemo transformator od 25.2 volti kao jezgru dizajna. Slika 6 može se promatrati kao spoj prethodnih slika, ali s dodanim praktičnim vrijednostima dijelova. Drugo kontrolno svjetlo u sekundarnom signalu označava njegov status. Također pokazuje postoji li napunjenost kondenzatora. Uz tako veliku vrijednost, ovo je važno pitanje sigurnosti. (Imajte na umu da, budući da je ovo DC signal, dioda obrnutog napona 1N4004 nije potrebna.)

SLIKA 6. Konačni dizajn napajanja s praktičnim specifikacijama dijelova. Reguliranje snage raspravlja se u sljedećem članku.

---

Možda je jeftinije koristiti dva manja kondenzatora paralelno od jednog velikog. Radni napon za kondenzator mora biti najmanje 63 volta; 50 volti nije dovoljna margina za vrh od 40 volti. Jedinica od 50 volti daje samo 25% margine. To može biti u redu za nekritičnu primjenu, ali ako kondenzator ovdje pokvari, rezultati mogu biti katastrofalni. Kondenzator od 63 volti daje oko 60% margine dok uređaj od 100 volti daje marginu od 150%. Za izvore napajanja, opće pravilo je između 50% i 100% margine za ispravljače i kondenzatore. (Mrebanje bi trebalo biti oko dva volta, kao što je prikazano.)

Mostni ispravljač mora biti sposoban podnijeti visoki početni napon struje, tako da se isplati potrošiti dodatni centimetar ili dva za poboljšanu pouzdanost. Imajte na umu da je most određen onim što transformator može opskrbiti, a ne za što je na kraju određeno napajanje. To se radi u slučaju da postoji kratki spoj na izlazu. U tom slučaju, puna struja transformatora će biti propuštena kroz diode. Zapamtite, kvar napajanja je loša stvar. Dakle, dizajnirajte ga tako da bude robustan.

ZAKLJUČAK

Detalji su važno razmatranje pri projektiranju napajanja. Uočavanje razlike između RMS napona i vršnog napona ključno je u određivanju ispravnih radnih napona za napajanje. Dodatno, početna udarna struja je nešto što se ne može zanemariti.

U drugom dijelu dovršit ćemo ovaj projekt dodavanjem regulatora s tri terminala. Projektirat ćemo opće namjene, strujno ograničeno, podesivo napajanje s daljinskim isključivanjem. Dodatno, principi korišteni za ovaj dizajn mogu se primijeniti na bilo koji dizajn napajanja. 

Ostavite poruku 

Lista Poruka