ОСНОВЕН АНАЛОГЕН ДИЗАЈН НА НАПОЈУВАЊЕ

Има стара изрека: „Можеш да му дадеш на човек риба и тој ќе јаде еден ден или можеш да научиш човек да риби и тој ќе јаде засекогаш“. Има многу написи кои му даваат на читателот специфичен дизајн за изградба на напојување, и нема ништо лошо во овие дизајни на готвачи. Тие често имаат многу добри перформанси. Сепак, тие не ги учат читателите како сами да дизајнираат напојување. Оваа статија од два дела ќе започне од почеток и ќе го објасни секој чекор неопходен за изградба на основно аналогно напојување. Дизајнот ќе се фокусира на сеприсутниот регулатор со три терминали и ќе вклучи голем број подобрувања на основниот дизајн.

Секогаш е важно да се запамети дека напојувањето - било за одреден производ или како општа опрема за тестирање - има потенцијал да го удри корисникот од струја, да предизвика пожар или да го уништи уредот што го напојува. Очигледно, ова не се добри работи. Од таа причина, критично е да се пристапи кон овој дизајн конзервативно. Обезбедете многу маржа за компонентите. Добро дизајнираното напојување е она што никогаш не се забележува.

КОНВЕРЗИЈА НА ВЛЕЗНА МОЌ

Слика 1 го прикажува основниот дизајн за типично аналогно напојување. Се состои од три главни компоненти: конверзија и климатизација на влезната моќност; исправка и филтрирање; и регулатива. Конверзијата на влезната моќност е типично енергетски трансформатор и е единствениот метод што се разгледува овде. Сепак, постојат неколку точки што е важно да се споменат.

СЛИКА 1. Основно аналогно напојување се состои од три дела. Првите две се дискутирани во овој напис, а последниот во следната рата.

---

Првата е дека 117 VAC (Volts Alternating Current) е навистина RMS (Root Mean Square) мерење. (Забележете дека видов обична моќност во домаќинството специфицирана некаде од 110 VAC до 125 VAC. Само што ја измерив мојата и открив дека е прецизно 120.0 VAC.) Мерењето RMS на синусниот бран е многу помало од вистинскиот врвен напон и претставува еквивалентен DC (директна струја) напон потребен за да се обезбеди истата моќност.

тој RMS конверзијата варира во зависност од обликот на бранот; за синусен бран, вредноста е 1.414. Ова значи дека отстапувањето околу нула волти е всушност 169.7 волти (за мојата моќност од 120 VAC). Напојувањето оди од -169.7 волти до +169.7 волти секој циклус. Затоа, напонот од врв до врв е всушност 339.4 волти!

Овој напон станува особено важен кога се додаваат бајпас кондензатори на главните далноводи за да се потисне бучавата од влегувањето или излегувањето од напојувањето (вообичаена ситуација). Ако мислите дека вистинскиот напон е 120 волти, можете да користите кондензатори од 150 волти. Како што можете да видите, ова не е точно. Апсолутен минимален безбеден работен напон за вашите кондензатори е 200 волти (250 волти е подобро). Не заборавајте дека ако очекувате да видите бучава/шила на линијата, треба да го додадете тој шум/напон на максимум на максималниот напон.

Влезната фреквенција е универзално 60 Hz во САД. Во Европа, 50 Hz се вообичаени. Трансформаторите оценети за 60 Hz генерално ќе работат добро на 50 Hz и обратно. Дополнително, фреквентната стабилност на далноводот обично е одлична и ретко се зема предвид. Повремено, може да најдете достапни трансформатори од 400 Hz. Овие се типично воени или аеронаутички уреди и генерално не се погодни за употреба на моќност од 50/60 Hz (или обратно).

Излезот на трансформаторот е исто така наведен како RMS напон. Дополнително, наведениот напон е минималниот напон што се очекува при целосно оптоварување. Честопати има околу 10% зголемување на номиналниот излез без оптоварување. (Мојот трансформатор од 25.2 волти/два засилувачи мери 28.6 волти без оптоварување.) Ова значи дека вистинскиот излезен напон без оптоварување/врв за мојот трансформатор од 25.2 волти е 40.4 волти! Како што можете да видите, секогаш е важно да се запамети дека номиналните RMS напони за наизменична струја се значително помали од вистинските врвни напони.

Слика 2 дава типичен дизајн за конверзија и климатизација на влезната моќност. Претпочитам да користам двополен прекинувач иако тоа не е апсолутно неопходно. Заштитува од погрешно жичени електрични приклучоци (што е ретко денес) или погрешно жичени кабли за напојување во самото напојување (многу почесто). Од витално значење е кога прекинувачот за напојување е исклучен, топлиот довод да се исклучи од напојувањето.

СЛИКА 2. Кондиционирањето на влезот е прилично основно, но мора да се запомни дека напонот RMS не е ист како максималниот напон. Врвниот напон од 120 VAC RMS е околу 170 волти.

---

Осигурувачот (или прекинувачот) е неопходен. Неговата главна цел е да спречи пожари, бидејќи без него, краток спој на трансформаторот или примарното коло ќе овозможи масивни струи да течат предизвикувајќи металните делови да станат црвени, па дури и бели. Обично тоа е тип со бавно дување со 250 волти. Тековниот рејтинг треба да биде двојно поголем од она што трансформаторот може да очекува да го нацрта.

На пример, трансформаторот со два засилувачи од 25.2 волти споменат погоре ќе повлече околу 0.42 ампери примарна струја (25.2 волти/120 волти x два ампери). Значи, осигурувачот од еден засилувач е разумен. Осигурувачот во секундарниот ќе биде разгледан во следната статија.

Бајпас-кондензаторите помагаат да се филтрира бучавата и се опционални. Бидејќи максималниот напон е околу 170 волти, рејтингот од 250 волти е подобар од маргиналниот рејтинг од 200 волти. Можеби ќе сакате да користите „филтер за напојување“. Постојат многу видови на овие единици. Некои содржат стандарден конектор за напојување, прекинувач, држач за осигурувачи и филтер во едно мало пакување. Други може да имаат само некои од овие компоненти. Вообичаено, оние со сè се прилично скапи, но вишокот единици обично може да се најдат по многу поволни цени.

Важно е да се одреди дали примарното коло е напојувано, затоа се користи пилот светло. Прикажани се две типични кола. Неонската светилка се користи со децении. Тоа е едноставно и ефтино. Има недостатоци што е донекаде кревка (направена е од стакло); може да трепка ако отпорникот е преголем; и всушност може да генерира електричен шум (поради ненадејното јонско распаѓање на неонскиот гас).

ЛЕД колото исто така бара отпорник за ограничување на струјата. На 10,000 hms, се обезбедува струја од околу 12 mA. Повеќето LED диоди се оценети за максимална струја од 20 mA, така што 12 mA е разумно. (ЛЕД-диодите со висока ефикасност може да работат задоволително со само 1 или 2 mA, така што отпорникот може да се зголеми по потреба.)

Имајте на ум дека LED диодите имаат навистина слаб пробивен напон (обично 10 до 20 волти). Поради таа причина, неопходна е втора диода. Ова мора да може да работи со најмалку 170 волти PIV (Peak Inverse Voltage). Стандардниот 1N4003 е оценет со 200 PIV што не обезбедува голема маржа. 1N4004 е оценет со 400 PIV и чини можеби еден денар повеќе. Со ставање во серија со ЛЕР, севкупниот PIV е 400 плус LED PIV.

РЕКТИФИКАЦИЈА И ФИЛТРИРАЊЕ

На сликите 3, 4 и 5 се прикажани најтипичните кола за исправување со излезната бранова форма прикажана погоре. (Кондензаторот на филтерот не е прикажан бидејќи со негово додавање, брановата форма се менува во нешто како DC напон.) Корисно е да се испитаат овие три основни кола за да се идентификуваат силните и слабите страни на нив.

Слика 3 го прикажува основниот полубранови исправувач. Единствената откупна карактеристика на ова е тоа што е многу едноставна, користејќи само еден исправувач. Лошата карактеристика е што користи само половина од циклусот на напојување со што теоретската ефикасност на колото е помала од 50% само за да започне. Честопати, напојувањата со полубранови исправувачи се само 30% ефикасни. Бидејќи трансформаторите се скапи ставки, оваа неефикасност е многу скапа. Второ, формата на бранот е многу тешко да се филтрира. Половина од времето воопшто нема струја од трансформаторот. Измазнувањето на излезот бара многу високи вредности на капацитивност. Ретко се користи за аналогно напојување.

СЛИКА 3. Колото на полубрановиот исправувач е едноставно, но произведува слаба излезна бранова форма која е многу тешко да се филтрира. Дополнително, половина од моќноста на трансформаторот се троши. (Забележете дека кондензаторите за филтрирање се испуштени заради јасност бидејќи тие ја менуваат брановата форма.)

---

Интересна и важна работа се случува кога кондензаторот на филтерот се додава во колото на полубрановиот исправувач. Диференцијалот на напонот без оптоварување се удвојува. Тоа е затоа што кондензаторот складира енергија од првата половина (позитивен дел) на циклусот. Кога ќе се појави втората половина, кондензаторот го задржува позитивниот врвен напон, а негативниот врвен напон се применува на другиот терминал, предизвикувајќи целосен напон од врв до врв да се види од кондензаторот и преку него, диодата. Така, за трансформатор од 25.2 волти погоре, вистинскиот врвен напон што го гледаат овие компоненти може да биде над 80 волти!

Слика 4 (горно коло) е пример за типично коло за исправување со цел бран/централен допир. Кога ова се користи, во повеќето случаи, веројатно не треба да биде. Обезбедува убав излез кој е целосно поправен. Ова го прави филтрирањето релативно лесно. Користи само два исправувачи, па затоа е прилично евтин. Сепак, тоа не е поефикасно од колото со полубран претставено погоре.

СЛИКА 4. Дизајнот со целосен бран (горе) дава убав излез. Со прецртување на колото (долу), може да се види дека тоа се навистина само два полубранови исправувачи поврзани заедно. Повторно, половина од моќта на трансформаторот се троши.

---

Ова може да се види со повторно исцртување на колото со два трансформатори (слика 4 долниот дел). Кога ова ќе се направи, станува јасно дека целосниот бран е навистина само две кола со полубранови поврзани заедно. Половина од секој циклус на моќност на трансформаторот не се користи. Така, максималната теоретска ефикасност е 50% со реални ефикасност околу 30%.

PIV на колото е една половина од колото со полубранови бидејќи влезниот напон на диодите е половина од излезот на трансформаторот. Централната чешма обезбедува половина од напонот на двата краја на намотките на трансформаторот. Значи, за примерот на трансформаторот од 25.2 волти, PIV е 35.6 волти плус зголемувањето на без оптоварување што е околу 10% повеќе.

Слика 5 го прикажува колото на исправувачот на мостот кое генерално треба да биде првиот избор. Излезот е целосно поправен, така што филтрирањето е прилично лесно. Што е најважно, сепак, ги користи двете половини од циклусот на напојување. Ова е најефикасниот дизајн и го извлекува максимумот од скапиот трансформатор. Додавањето две диоди е многу поевтино од удвојувањето на моќноста на трансформаторот (мерено во „волт-ампери“ или VA).

СЛИКА 5. Пристапот на исправувачот на мостот (горе) обезбедува целосно искористување на моќноста на трансформаторот и со исправување со цело бранови. Дополнително, со промена на референцата за заземјување (долу), може да се добие напојување со двоен напон.

---

Единствениот недостаток на овој дизајн е тоа што напојувањето мора да помине низ две диоди со резултирачки пад на напон од 1.4 волти наместо 0.7 волти за другите дизајни. Општо земено, ова е само грижа за нисконапонските напојувања каде што дополнителните 0.7 волти претставуваат значителен дел од излезот. (Во такви случаи, обично се користи прекинувачко напојување наместо кое било од горенаведените кола.)

Бидејќи за секој полу-циклус се користат две диоди, секоја од нив се гледа само половина од напонот на трансформаторот. Ова го прави PIV еднаков на максималниот влезен напон или 1.414 пати поголем од напонот на трансформаторот, што е исто како и колото со полно бранови погоре.

Многу убава карактеристика на исправувачот на мостот е тоа што референцата за заземјување може да се смени за да се создаде позитивен и негативен излезен напон. Ова е прикажано на дното на Слика 5.

ФИЛТРИРАЕ

Скоро целото филтрирање за аналогно напојување доаѓа од кондензатор на филтер. Можно е да се користи индуктор во серија со излезот, но на 60 Hz, овие индуктори мора да бидат прилично големи и се скапи. Повремено, тие се користат за високонапонски напојувања каде што соодветните кондензатори се скапи.

Формулата за пресметување на кондензаторот на филтерот (C) е прилично едноставна, но треба да го знаете прифатливиот напон на бранување од врв до врв (V), времето на полуциклус (T) и извлечената струја (I). Формулата е C=I*T/V, каде што C е во микрофаради, I е во милиампери, Т е во милисекунди, а V е во волти. Времето на половина циклус за 60 Hz е 8.3 милисекунди (референца: Прирачник за радио аматерски 1997 година).

Од формулата е јасно дека барањата за филтрирање се зголемени за напојување со висока струја и/или ниско бранување, но ова е само здрав разум. Лесен за паметење пример е 3,000 микрофаради на ампер струја што ќе обезбеди околу три волти бранување. Можете да работите со различни соодноси од овој пример за да обезбедите разумни проценки за тоа што ви треба прилично брзо.

Една важна грижа е напливот на струја при вклучување. Кондензаторите на филтерот делуваат како мртви шорцеви додека не се наполнат. Колку се поголеми кондензаторите, толку ќе биде поголем овој бран. Колку е поголем трансформаторот, толку ќе биде поголем напливот. За повеќето нисконапонски аналогни напојувања (<50 волти), отпорот на намотување на трансформаторот донекаде помага. Трансформаторот од 25.2 волти/два ампери има измерен секундарен отпор од 0.6 оми. Ова го ограничува максималниот налет на 42 ампери. Дополнително, индуктивноста на трансформаторот донекаде го намалува ова. Сепак, сè уште постои голем потенцијален бран на струја при вклучувањето.

Добрата вест е дека модерните силиконски исправувачи често имаат огромни можности за струја на пренапони. Стандардната фамилија на диоди 1N400x обично се специфицира со 30 ампери пренапонска струја. Со мостното коло, има две диоди што го носат ова, така што најлошиот случај е секоја од 21 ампери што е под спецификацијата од 30 ампери (претпоставувајќи еднакво споделување на струјата, што не е секогаш случај). Ова е екстремен пример. Општо земено, се користи фактор од околу 10, наместо 21.

Сепак, овој сегашен наплив не е нешто што треба да се игнорира. Потрошените неколку центи повеќе за користење на мост со три засилувачи наместо мост со еден засилувач може да бидат добро потрошени пари.

ПРАКТИЧЕН ДИЗАЈН

Сега можеме да ги користиме овие правила и принципи и да почнеме да дизајнираме основно напојување. Ќе го користиме трансформаторот од 25.2 волти како јадро на дизајнот. Слика 6 може да се види како композит од претходните слики, но со додадени практични вредности на делови. Второто контролно светло во секундарното го покажува неговиот статус. Исто така, покажува дали има полнење на кондензаторот. Со толку голема вредност, ова е важно безбедносно размислување. (Забележете дека бидејќи ова е DC сигнал, диодата со обратен напон 1N4004 не е потребна.)

СЛИКА 6. Финален дизајн на напојувањето со практични спецификации за делови. Регулирањето на моќта е дискутирано во следната статија.

---

Можеби е поевтино да се користат два помали кондензатори паралелно од еден голем. Работниот напон за кондензаторот мора да биде најмалку 63 волти; 50 волти не е доволна маржа за врв од 40 волти. Единицата од 50 волти обезбедува само 25% маржа. Ова може да биде добро за некритична апликација, но ако кондензаторот не успее тука, резултатите може да бидат катастрофални. Кондензатор од 63 волти обезбедува околу 60% маржа додека уредот од 100 волти дава маржа од 150%. За напојување, општо правило е помеѓу 50% и 100% маржа за исправувачите и кондензаторите. (Бранувањето треба да биде околу два волти, како што е прикажано.)

Исправувачот на мостот мора да биде способен да се справи со високиот почетен наплив на струја, така што е вредно да се потрошат дополнителни пара или две за подобрена доверливост. Имајте на ум дека мостот е специфициран со тоа што трансформаторот може да го напојува, а не со она за што е на крајот одредено напојувањето. Ова се прави во случај да има краток излез. Во таков случај, целосната струја на трансформаторот ќе помине низ диодите. Запомнете, дефектот на напојувањето е лоша работа. Значи, дизајнирајте го да биде робустен.

ЗАКЛУЧОК

Деталите се важен предвид при дизајнирање на напојување. Забележувањето на разликата помеѓу RMS напонот и максималниот напон е критично за одредување на соодветните работни напони за напојувањето. Дополнително, почетната пренапонска струја е нешто што не може да се игнорира.

Во Дел 2, ќе го завршиме овој проект со додавање на регулатор со три терминали. Ќе дизајнираме општа намена, со ограничена струја, прилагодливо напојување со напојување со далечинско исклучување. Дополнително, принципите што се користат за овој дизајн може да се применат на кој било дизајн на напојување. 

Остави порака 

Список со пораки