PROIECTARE DE BAZĂ AL SURSEEI ANALOGICE

Există o zicală veche: „Poți să dai unui om un pește și el va mânca pentru o zi sau poți să-l înveți pe om să pescuiască și el va mânca pentru totdeauna”. Există multe articole care oferă cititorului un design specific pentru construirea unei surse de alimentare și nu este nimic în neregulă cu aceste modele de cărți de bucate. Au adesea performanțe foarte bune. Cu toate acestea, ei nu îi învață pe cititori cum să proiecteze singuri o sursă de alimentare. Acest articol din două părți va începe de la început și va explica fiecare pas necesar pentru a construi o sursă de alimentare analogică de bază. Designul se va concentra pe regulatorul omniprezent cu trei terminale și va include o serie de îmbunătățiri ale designului de bază.

Este întotdeauna important să ne amintim că sursa de alimentare – fie pentru un anumit produs, fie ca un echipament general de testare – are potențialul de a electrocuta utilizatorul, de a începe un incendiu sau de a distruge dispozitivul pe care îl alimentează. Evident, acestea nu sunt lucruri bune. Din acest motiv, este esențial să abordați acest design în mod conservator. Asigurați o marjă mare pentru componente. O sursă de alimentare bine proiectată este una care nu este niciodată observată.

CONVERSIUNEA PUTERII DE INTRARE

Figura 1 prezintă designul fundamental pentru o sursă de alimentare analogică tipică. Este alcătuit din trei componente principale: conversia și condiționarea puterii de intrare; rectificare și filtrare; si reglementare. Conversia puterii de intrare este de obicei un transformator de putere și este singura metodă luată în considerare aici. Cu toate acestea, există câteva puncte care sunt importante de menționat.

FIGURA 1. O sursă de alimentare analogică de bază constă din trei părți. Primele două sunt discutate în acest articol și ultimele în ediția următoare.

---

Primul este că 117 VAC (Volts Alternating Current) este într-adevăr o măsurătoare RMS (Root Mean Square). (Rețineți că am văzut o putere casnică obișnuită specificată oriunde de la 110 VAC la 125 VAC. Tocmai am măsurat-o pe a mea și am constatat că este exact 120.0 VAC.) O măsurare RMS a unei unde sinusoidale este mult mai mică decât tensiunea de vârf reală și reprezintă tensiunea echivalentă DC (curent continuu) necesară pentru a furniza aceeași putere.

conversia RMS variază în funcție de forma undei; pentru o undă sinusoidală, valoarea este 1.414. Aceasta înseamnă că abaterea în jurul zero volți este de fapt 169.7 volți (pentru puterea mea de 120 VAC). Puterea trece de la -169.7 volți la +169.7 volți în fiecare ciclu. Prin urmare, tensiunea de la vârf la vârf este de fapt de 339.4 volți!

Această tensiune devine deosebit de importantă atunci când se adaugă condensatori de bypass la liniile de alimentare principale pentru a suprima zgomotul de la intrarea sau ieșirea din sursa de alimentare (o situație comună). Dacă credeți că tensiunea reală este de 120 de volți, puteți utiliza condensatori de 150 de volți. După cum puteți vedea, acest lucru nu este corect. Tensiunea de lucru sigură minimă absolută pentru condensatoarele dumneavoastră este de 200 volți (250 volți este mai bine). Nu uitați că, dacă vă așteptați să vedeți zgomot/picături pe linie, trebuie să adăugați acel zgomot/spike la tensiunea de vârf.

Frecvența de intrare este universal de 60 Hz în SUA. În Europa, 50 Hz este obișnuit. Transformatoarele evaluate pentru 60 Hz vor funcționa în general bine la 50 Hz și invers. În plus, stabilitatea în frecvență a liniei de alimentare este de obicei excelentă și rareori este luată în considerare. Ocazional, puteți găsi transformatoare de 400 Hz disponibile. Acestea sunt de obicei dispozitive militare sau aeronautice și, în general, nu sunt potrivite pentru utilizare la putere de 50/60 Hz (sau invers).

Ieșirea transformatorului este, de asemenea, specificată ca tensiune RMS. În plus, tensiunea specificată este tensiunea minimă așteptată la sarcină completă. Adesea există o creștere cu aproximativ 10% a puterii nominale fără sarcină. (Transformatorul meu de 25.2 volți/doi amperi măsoară 28.6 volți fără sarcină.) Aceasta înseamnă că tensiunea reală de ieșire fără sarcină/de vârf pentru transformatorul meu de 25.2 volți este de 40.4 volți! După cum puteți vedea, este întotdeauna important să rețineți că tensiunile RMS nominale pentru puterea de curent alternativ sunt substanțial mai mici decât tensiunile de vârf reale.

Figura 2 oferă o conversie tipică a puterii de intrare și un design de condiționare. Prefer să folosesc un întrerupător dublu, deși nu este absolut necesar. Protejează împotriva prizelor electrice greșite (ceea ce este rar astăzi) sau a cablurilor de alimentare greșite din sursa de alimentare în sine (mult mai frecvent). Este vital ca atunci când întrerupătorul de alimentare este oprit, cablul fierbinte să fie deconectat de la sursa de alimentare.

FIGURA 2. Condiționarea de intrare este destul de simplă, dar trebuie reținut că tensiunea RMS nu este aceeași cu tensiunea de vârf. Tensiunea de vârf de 120 VAC RMS este de aproximativ 170 volți.

---

Siguranța (sau întrerupătorul de circuit) este necesară. Scopul său principal este de a preveni incendiile, deoarece, fără el, un transformator sau un scurtcircuit al circuitului primar va permite curgerea unor curenți masivi, provocând piesele metalice să devină roșii sau chiar albe. De obicei, este un tip cu suflare lentă, evaluat la 250 de volți. Curentul nominal ar trebui să fie aproximativ dublu față de ceea ce se poate aștepta transformatorul să atragă.

De exemplu, transformatorul de 25.2 volți de doi amperi menționat mai sus va consuma aproximativ 0.42 amperi de curent primar (25.2 volți/120 volți x doi amperi). Deci, o siguranță de un amp este rezonabilă. O siguranță în secundar va fi discutată în articolul următor.

Condensatorii de bypass ajută la filtrarea zgomotului și sunt opționali. Deoarece tensiunea de vârf este de aproximativ 170 de volți, o valoare nominală de 250 de volți este mai bună decât o valoare nominală marginală de 200 de volți. Poate doriți să utilizați un „filtru de intrare a puterii”. Există multe tipuri de aceste unități. Unele conțin un conector de alimentare standard, un comutator, un suport pentru siguranțe și un filtru într-un pachet mic. Alții pot avea doar câteva dintre aceste componente. De obicei, cele cu de toate sunt destul de scumpe, dar unitățile excedentare pot fi găsite de obicei la prețuri foarte rezonabile.

Este important să puteți determina dacă circuitul primar este alimentat, așa că este utilizată o lumină pilot. Sunt prezentate două circuite tipice. Lampa cu neon a fost folosită de zeci de ani. Este simplu și ieftin. Are dezavantajele că este oarecum fragilă (fiind din sticlă); poate pâlpâi dacă rezistența este prea mare; și poate genera de fapt ceva zgomot electric (datorită defalcării ionice bruște a gazului de neon).

Circuitul LED necesită, de asemenea, un rezistor de limitare a curentului. La 10,000 hms, este furnizat aproximativ 12 mA de curent. Majoritatea LED-urilor sunt evaluate pentru un curent maxim de 20 mA, deci 12 mA este rezonabil. (LED-urile de înaltă eficiență pot funcționa satisfăcător cu doar 1 sau 2 mA, astfel încât rezistența poate fi mărită după cum este necesar.)

Rețineți că LED-urile au tensiuni de defalcare inversă foarte slabe (de obicei, 10 până la 20 de volți). Din acest motiv, este necesară o a doua diodă. Acesta trebuie să poată funcționa cu cel puțin 170 de volți de PIV (Varf Inverse Voltage). Standardul 1N4003 este evaluat la 200 PIV, ceea ce nu oferă o marjă prea mare. 1N4004 este evaluat la 400 PIV și costă poate un ban mai mult. Prin plasarea în serie cu LED-ul, PIV-ul total este de 400 plus LED-ul PIV.

RECTIFICARE SI FILTRARE

Figurile 3, 4 și 5 prezintă cele mai tipice circuite de rectificare cu forma de undă de ieșire afișată mai sus. (Condensatorul de filtru nu este afișat deoarece prin adăugarea acestuia, forma de undă se schimbă la ceva asemănător unei tensiuni DC.) Este util să examinați aceste trei circuite de bază pentru a identifica punctele forte și punctele slabe ale acestora.

Figura 3 prezintă redresorul de bază cu jumătate de undă. Singura caracteristică răscumpărătoare a acestui lucru este că este foarte simplu, folosind doar un singur redresor. Caracteristica proastă este că folosește doar jumătate din ciclul de alimentare, ceea ce face ca eficiența teoretică a circuitului să fie mai mică de 50% doar pentru a începe. Adesea, sursele de alimentare cu redresor cu jumătate de undă sunt eficiente de numai 30%. Deoarece transformatoarele sunt articole scumpe, această ineficiență este foarte costisitoare. În al doilea rând, forma de undă este foarte greu de filtrat. Jumătate din timp nu vine deloc putere de la transformator. Netezirea ieșirii necesită valori foarte mari ale capacității. Este rar folosit pentru o sursă de alimentare analogică.

FIGURA 3. Circuitul redresor cu jumătate de undă este simplu, dar produce o formă de undă slabă de ieșire care este foarte greu de filtrat. În plus, jumătate din puterea transformatorului este irosită. (Rețineți că condensatoarele de filtrare sunt omise pentru claritate, deoarece modifică forma de undă.)

---

Un lucru interesant și important se întâmplă atunci când un condensator de filtru este adăugat la un circuit redresor cu jumătate de undă. Diferenţialul de tensiune în gol se dublează. Acest lucru se datorează faptului că condensatorul stochează energie din prima jumătate (partea pozitivă) a ciclului. Când are loc a doua jumătate, condensatorul ține tensiunea de vârf pozitivă, iar tensiunea de vârf negativă este aplicată la celălalt terminal, ceea ce face ca o tensiune între vârf și vârf să fie văzută de condensator și prin aceasta, diodă. Astfel, pentru un transformator de 25.2 volți de mai sus, tensiunea de vârf reală văzută de aceste componente poate fi de peste 80 de volți!

Figura 4 (circuitul de sus) este un exemplu de circuit de redresor tipic cu undă completă/priză centrală. Când se utilizează acest lucru, în cele mai multe cazuri, probabil că nu ar trebui să fie. Oferă o ieșire plăcută care este complet rectificată. Acest lucru face filtrarea relativ ușoară. Folosește doar două redresoare, așa că este destul de ieftin. Cu toate acestea, nu este mai eficient decât circuitul cu jumătate de undă prezentat mai sus.

FIGURA 4. Designul cu undă completă (sus) produce o ieșire plăcută. Prin redesenarea circuitului (de jos), se poate observa că de fapt sunt doar două redresoare cu jumătate de undă conectate împreună. Din nou, jumătate din puterea transformatorului este irosită.

---

Acest lucru poate fi văzut prin redesenarea circuitului cu două transformatoare (Figura 4 de jos). Când se face acest lucru, devine clar că unda completă este de fapt doar două circuite cu jumătate de undă conectate împreună. Jumătate din ciclul de alimentare al transformatorului nu este utilizat. Astfel, eficiența teoretică maximă este de 50% cu eficiențe reale în jur de 30%.

PIV-ul circuitului este jumătate din circuitul cu jumătate de undă, deoarece tensiunea de intrare la diode este jumătate din ieșirea transformatorului. Robinetul central furnizează jumătate din tensiune la cele două capete ale înfășurărilor transformatorului. Deci, pentru exemplul transformatorului de 25.2 volți, PIV-ul este de 35.6 volți plus creșterea fără sarcină, care este cu aproximativ 10% mai mult.

Figura 5 prezintă circuitul redresor în punte care ar trebui să fie în general prima alegere. Ieșirea este complet rectificată, astfel încât filtrarea este destul de ușoară. Cel mai important, totuși, folosește ambele jumătăți ale ciclului de alimentare. Acesta este cel mai eficient design și profită la maximum de transformatorul scump. Adăugarea a două diode este mult mai puțin costisitoare decât dublarea puterii nominale a transformatorului (măsurată în „Volt-Amperi” sau VA).

FIGURA 5. Abordarea redresorului în punte (sus) asigură utilizarea completă a puterii transformatorului și cu o redresare cu undă completă. În plus, prin schimbarea referinței de masă (de jos), se poate obține o sursă de alimentare cu dublă tensiune.

---

Singurul dezavantaj al acestui design este că puterea trebuie să treacă prin două diode cu o cădere de tensiune rezultată de 1.4 volți în loc de 0.7 volți pentru celelalte modele. În general, aceasta este doar o preocupare pentru sursele de alimentare de joasă tensiune, unde 0.7 volți suplimentari reprezintă o fracțiune substanțială din ieșire. (În astfel de cazuri, se utilizează de obicei o sursă de alimentare cu comutație, mai degrabă decât oricare dintre circuitele de mai sus.)

Deoarece sunt utilizate două diode pentru fiecare jumătate de ciclu, doar jumătate din tensiunea transformatorului este văzută de fiecare. Acest lucru face ca PIV să fie egal cu tensiunea de intrare de vârf sau de 1.414 ori tensiunea transformatorului, care este aceeași cu circuitul cu undă completă de mai sus.

O caracteristică foarte frumoasă a redresorului în punte este că referința la pământ poate fi schimbată pentru a crea o tensiune de ieșire pozitivă și negativă. Acest lucru este prezentat în partea de jos a figurii 5.

FILTRU

Aproape toate filtrele pentru o sursă de alimentare analogică provin de la un condensator de filtru. Este posibil să folosiți un inductor în serie cu ieșirea, dar la 60 Hz, aceste inductori trebuie să fie destul de mari și sunt scumpe. Ocazional, ele sunt folosite pentru surse de înaltă tensiune, unde condensatoarele adecvate sunt scumpe.

Formula pentru calcularea condensatorului de filtru (C) este destul de simplă, dar trebuie să cunoașteți tensiunea de ondulare de la vârf la vârf (V), timpul de jumătate de ciclu (T) și curentul absorbit (I). Formula este C=I*T/V, unde C este în microfaradi, I este în miliamperi, T este în milisecunde și V este în volți. Timpul de jumătate de ciclu pentru 60 Hz este de 8.3 milisecunde (referință: 1997 Radio Amateur's Handbook).

Din formulă reiese clar că cerințele de filtrare sunt crescute pentru sursele de alimentare cu curent ridicat și/sau cu ondulație redusă, dar acest lucru este doar de bun simț. Un exemplu ușor de reținut este că 3,000 de microfarade pe amper de curent vor furniza aproximativ trei volți de ondulație. Puteți lucra cu diferite rapoarte din acest exemplu pentru a oferi destul de rapid estimări rezonabile despre ceea ce aveți nevoie.

O considerație importantă este creșterea curentului la pornire. Condensatorii filtrului acționează ca un scurtcircuit până când se încarcă. Cu cât condensatorii sunt mai mari, cu atât această supratensiune va fi mai mare. Cu cât transformatorul este mai mare, cu atât supratensiunea va fi mai mare. Pentru majoritatea surselor de alimentare analogice de joasă tensiune (<50 volți), rezistența înfășurării transformatorului ajută oarecum. Transformatorul de 25.2 volți/doi amperi are o rezistență secundară măsurată de 0.6 ohmi. Acest lucru limitează alimentarea maximă la 42 de amperi. În plus, inductanța transformatorului reduce oarecum acest lucru. Cu toate acestea, există încă o creștere potențială mare a curentului la pornire.

Vestea bună este că redresoarele moderne cu siliciu au adesea capacități uriașe de curent de supratensiune. Familia standard de diode 1N400x este de obicei specificată cu 30 de amperi de supratensiune. Cu un circuit de punte, există două diode care transportă acest lucru, deci cel mai rău caz este de 21 de amperi fiecare, care este sub specificația de 30 de amperi (presupunând că partajarea curentului este egală, ceea ce nu este întotdeauna cazul). Acesta este un exemplu extrem. În general, se folosește un factor de aproximativ 10, în loc de 21.

Cu toate acestea, această creștere actuală nu este ceva de ignorat. Cheltuirea cu câțiva cenți în plus pentru a folosi un pod de trei amperi în loc de un pod de un amper poate fi bani bine cheltuiți.

PROIECTARE PRACTICĂ

Acum putem folosi aceste reguli și principii și să începem să proiectăm o sursă de alimentare de bază. Vom folosi transformatorul de 25.2 volți ca nucleu al designului. Figura 6 poate fi văzută ca un compus al figurilor anterioare, dar cu valori practice adăugate. O a doua lumină pilot în secundar indică starea acestuia. De asemenea, arată dacă există o încărcare pe condensator. Cu o valoare atât de mare, acesta este un aspect important de siguranță. (Rețineți că, deoarece acesta este un semnal DC, dioda de tensiune inversă 1N4004 nu este necesară.)

FIGURA 6. Proiectarea finală a sursei de alimentare cu specificații practice ale pieselor. Reglementarea puterii este discutată în articolul următor.

---

Poate fi mai ieftin să folosești doi condensatori mai mici în paralel decât unul mare. Tensiunea de lucru pentru condensator trebuie să fie de cel puțin 63 de volți; 50 de volți nu este o marjă suficientă pentru vârful de 40 de volți. O unitate de 50 volți oferă doar o marjă de 25%. Acest lucru poate fi bine pentru o aplicație necritică, dar dacă condensatorul eșuează aici, rezultatele pot fi catastrofale. Un condensator de 63 de volți oferă o marjă de aproximativ 60%, în timp ce un dispozitiv de 100 de volți oferă o marjă de 150%. Pentru sursele de alimentare, o regulă generală este între 50% și 100% marjă pentru redresoare și condensatoare. (Ondulația ar trebui să fie de aproximativ doi volți, după cum se arată.)

Redresorul în punte trebuie să poată face față creșterii intense de curent inițial, așa că merită să cheltuiți un ban suplimentar sau doi pentru o fiabilitate îmbunătățită. Rețineți că puntea este specificată de ceea ce poate furniza transformatorul, mai degrabă decât de ceea ce este specificată în cele din urmă sursa de alimentare. Acest lucru se face în cazul în care există un scurtcircuit la ieșire. Într-un astfel de caz, curentul complet al transformatorului va fi trecut prin diode. Amintiți-vă, o defecțiune a sursei de alimentare este un lucru rău. Deci, proiectați-l pentru a fi robust.

CONCLUZIE

Detaliile sunt o considerație importantă în proiectarea unei surse de alimentare. Observarea diferenței dintre tensiunea RMS și tensiunea de vârf este critică în determinarea tensiunilor de lucru adecvate pentru alimentare. În plus, curentul de supratensiune inițial este ceva ce nu poate fi ignorat.

În partea 2, vom finaliza acest proiect adăugând un regulator cu trei terminale. Vom proiecta o sursă de alimentare de uz general, cu curent limitat, cu tensiune reglabilă, cu oprire de la distanță. În plus, principiile utilizate pentru acest design pot fi aplicate oricărei surse de alimentare. 

Lăsaţi un mesaj 

Lista de mesaje