ALAP ANALÓG TÁPELLÁTÁS TERVEZÉSE

Van egy régi mondás: "Adhatsz az embernek egy halat, és egy napig eszik, vagy megtaníthatod az embert horgászni, és örökké eszik." Sok cikk található, amelyek konkrét tervet adnak az olvasónak a tápegység felépítéséhez, és ezekkel a szakácskönyv-tervekkel semmi baj. Gyakran nagyon jó teljesítményt nyújtanak. Azonban nem tanítják meg az olvasóknak, hogyan kell maguktól megtervezni a tápegységet. Ez a kétrészes cikk az elejétől kezdődik, és elmagyaráz minden lépést, amely egy alapvető analóg tápegység felépítéséhez szükséges. A tervezés a mindenütt jelenlévő háromterminális szabályozóra összpontosít, és számos fejlesztést tartalmaz az alapkialakításon.

Mindig fontos észben tartani, hogy a tápegység – akár egy adott termékhez, akár egy általános tesztberendezéshez – áramütést okozhat a felhasználóban, tüzet okozhat, vagy tönkreteheti az általa táplált eszközt. Nyilván ezek nem jó dolgok. Emiatt kritikus, hogy ezt a kialakítást konzervatívan közelítsük meg. Biztosítson elegendő mozgásteret az alkatrészek számára. A jól megtervezett tápegységet soha nem veszik észre.

BEMENETI TELJESÍTMÉNY ÁTALAKÍTÁS

Az 1. ábra egy tipikus analóg tápegység alapvető kialakítását mutatja. Három fő összetevőből áll: a bemeneti teljesítmény átalakítása és kondicionálása; rektifikálás és szűrés; és szabályozás. A bemeneti teljesítmény átalakítása általában egy teljesítménytranszformátor, és ez az egyetlen módszer, amelyet itt vizsgálunk. Van azonban néhány szempont, amit fontos megemlíteni.

1. ÁBRA Egy alap analóg tápegység három részből áll. Az első kettőt ebben a cikkben, az utolsót pedig a következő részben tárgyaljuk.

---

Az első az, hogy a 117 VAC (Volts Alternating Current) valójában RMS (Root Mean Square) mérés. (Megjegyzendő, hogy 110 VAC és 125 VAC között találkoztam a szokásos háztartási árammal. Most mértem meg az enyémet, és azt találtam, hogy pontosan 120.0 VAC.) A szinuszhullám RMS mérése sokkal alacsonyabb, mint a tényleges csúcsfeszültség, és azt jelenti, hogy az azonos teljesítmény biztosításához szükséges egyenáramú (egyenáramú) feszültség.

az RMS konverzió a hullám alakjától függően változik; szinuszos hullám esetén az érték 1.414. Ez azt jelenti, hogy a nulla volt körüli eltérés valójában 169.7 volt (az én 120 V AC tápomnál). A teljesítmény -169.7 V-ról +169.7 V-ra változik ciklusonként. Ezért a csúcs-csúcs feszültség valójában 339.4 volt!

Ez a feszültség különösen fontossá válik, ha bypass kondenzátorokat adnak a fő tápvezetékekhez, hogy elnyomják a tápegységbe belépő vagy onnan kilépő zajt (gyakran előforduló helyzet). Ha úgy gondolja, hogy a tényleges feszültség 120 V, használhat 150 V-os kondenzátorokat. Amint látja, ez nem helyes. A kondenzátorok abszolút minimális biztonságos üzemi feszültsége 200 volt (250 volt jobb). Ne felejtse el, hogy ha zajt/tüskéket szeretne látni a vonalon, akkor ezt a zajt/tüskék feszültségét hozzá kell adnia a csúcsfeszültséghez.

A bemeneti frekvencia általánosan 60 Hz az USA-ban. Európában az 50 Hz általános. A 60 Hz-re méretezett transzformátorok általában jól teljesítenek 50 Hz-en és fordítva. Ezenkívül a tápvezeték frekvenciastabilitása általában kiváló és ritkán szempont. Esetenként 400 Hz-es transzformátorok állnak rendelkezésre. Ezek általában katonai vagy repüléstechnikai eszközök, és általában nem alkalmasak 50/60 Hz-es teljesítményre (vagy fordítva).

A transzformátor kimenete is RMS feszültségként van megadva. Ezenkívül a megadott feszültség a teljes terhelés mellett várható minimális feszültség. Gyakran körülbelül 10%-kal nő a névleges teljesítmény üresjáratban. (Az én 25.2 voltos/két amperes transzformátorom terhelés nélkül 28.6 V-ot mér.) Ez azt jelenti, hogy a 25.2 voltos transzformátorom tényleges üresjárati/csúcs kimeneti feszültsége 40.4 volt! Amint látja, mindig fontos észben tartani, hogy a váltakozó áram névleges RMS feszültségei lényegesen kisebbek, mint a tényleges csúcsfeszültségek.

A 2. ábra egy tipikus bemeneti teljesítmény átalakítási és kondicionálási tervet mutat be. Inkább kétpólusú kapcsolót használok, bár ez nem feltétlenül szükséges. Védelmet nyújt a rosszul bekábelezett elektromos aljzatok ellen (ami manapság ritka) vagy a tápegységben lévő hibás tápkábelek ellen (sokkal gyakoribb). Létfontosságú, hogy amikor a tápkapcsoló ki van kapcsolva, a forró vezetéket le kell választani a tápegységről.

2. ÁBRA A bemenet kondicionálása meglehetősen alapvető, de nem szabad elfelejteni, hogy az RMS feszültség nem azonos a csúcsfeszültséggel. A 120 VAC RMS csúcsfeszültsége körülbelül 170 volt.

---

A biztosíték (vagy megszakító) szükséges. Fő célja a tüzek megelőzése, mert enélkül a transzformátor vagy a primer áramkör rövidzárlata hatalmas áramot enged át, amitől a fém részek vörösre vagy akár fehérre felforrósodnak. Általában lassú fújású, 250 voltos névleges feszültséggel. Az áramerősségnek körülbelül a duplája kell legyen annak, amit a transzformátor elvárhat.

Például a fent említett 25.2 voltos kétamperes transzformátor körülbelül 0.42 A primer áramot vesz fel (25.2 volt/120 volt x XNUMX amper). Tehát egy egy amperes biztosíték ésszerű. A másodlagos biztosítékról a következő cikkben lesz szó.

A bypass kondenzátorok segítenek kiszűrni a zajt, és opcionálisak. Mivel a csúcsfeszültség körülbelül 170 volt, a 250 voltos névleges érték jobb, mint a 200 voltos határérték. Érdemes lehet „teljesítmény-bemeneti szűrőt” használni. Ezeknek az egységeknek sok típusa létezik. Némelyik szabványos tápcsatlakozót, kapcsolót, biztosítéktartót és szűrőt tartalmaz egy kis csomagban. Előfordulhat, hogy mások csak néhányat tartalmaznak ezeknek az összetevőknek. Általában a mindennel rendelkezők meglehetősen drágák, de a többletegységeket általában nagyon kedvező áron lehet találni.

Fontos, hogy meg lehessen határozni, hogy az elsődleges áramkör áram alatt van-e, ezért jelzőfényt kell használni. Két tipikus áramkör látható. A neonlámpát évtizedek óta használják. Ez egyszerű és olcsó. Hátránya, hogy kissé törékeny (üvegből készült); villoghat, ha az ellenállás túl nagy; és valóban generálhat némi elektromos zajt (a neongáz hirtelen ionlebomlása miatt).

A LED áramkör áramkorlátozó ellenállást is igényel. 10,000 12 hms-nél körülbelül 20 mA áramot biztosítanak. A legtöbb LED maximális áramerőssége 12 mA, tehát a 1 mA ésszerű. (A nagy hatékonyságú LED-ek csak 2 vagy XNUMX mA-rel működhetnek kielégítően, így az ellenállás szükség szerint növelhető.)

Vegye figyelembe, hogy a LED-ek nagyon gyenge fordított áttörési feszültséggel rendelkeznek (általában 10-20 volt). Emiatt egy második diódára van szükség. Ennek legalább 170 V-os PIV-vel (Peak Inverse Voltage) kell működnie. A szabványos 1N4003 200 PIV-re van besorolva, ami nem biztosít nagy árrést. Az 1N4004 400 PIV-re van besorolva, és talán egy fillérrel többe kerül. A LED-del sorba helyezve a teljes PIV 400 plusz a LED PIV.

REKTIFIKÁLÁS ÉS SZŰRÉS

A 3., 4. és 5. ábrán a legjellemzőbb egyenirányító áramkörök láthatók a fent megjelenített kimeneti hullámformával. (A szűrőkondenzátor nem látható, mert hozzáadásával a hullámforma egyenfeszültséghez hasonlóvá változik.) Hasznos megvizsgálni ezt a három alapáramkört, hogy azonosítsa erősségeit és gyengeségeit.

A 3. ábra az alap félhullámú egyenirányítót mutatja. Ennek egyetlen megváltó tulajdonsága, hogy nagyon egyszerű, egyetlen egyenirányítót használ. A rossz tulajdonsága az, hogy a teljesítményciklusnak csak a felét használja fel, így az áramkör elméleti hatásfoka 50%-nál kevesebb csak az induláshoz. A félhullámú egyenirányítós tápegységek gyakran csak 30%-os hatásfokúak. Mivel a transzformátorok drága termékek, ez a hatástalanság nagyon költséges. Másodszor, a hullám alakját nagyon nehéz szűrni. Az idő felében egyáltalán nem jön áram a transzformátorból. A kimenet simítása nagyon magas kapacitásértékeket igényel. Ritkán használják analóg tápegységhez.

3. ÁBRA A félhullámú egyenirányító áramkör egyszerű, de gyenge kimeneti hullámformát produkál, amelyet nagyon nehéz szűrni. Ezenkívül a transzformátor teljesítményének fele elpazarol. (Ne feledje, hogy a szűrőkondenzátorok az egyértelműség kedvéért kimaradtak, mert megváltoztatják a hullámformát.)

---

Érdekes és fontos dolog történik, amikor egy szűrőkondenzátort adnak egy félhullámú egyenirányító áramkörhöz. Az üresjárati feszültségkülönbség megduplázódik. Ennek az az oka, hogy a kondenzátor a ciklus első feléből (pozitív részéből) tárolja az energiát. Amikor a második fele megtörténik, a kondenzátor tartja a pozitív csúcsfeszültséget, és a negatív csúcsfeszültséget a másik kivezetésre kapcsolják, így a kondenzátor és ezen keresztül a dióda teljes csúcstól csúcsig tartó feszültséget lát. Így a fenti 25.2 voltos transzformátornál az ezen alkatrészek által látott tényleges csúcsfeszültség 80 volt felett is lehet!

A 4. ábra (felső áramkör) egy tipikus teljes hullámú/középső csapos egyenirányító áramkör példája. Amikor ezt használják, a legtöbb esetben valószínűleg nem kellene. Szép kimenetet biztosít, amely teljesen kijavított. Ez viszonylag egyszerűvé teszi a szűrést. Csak két egyenirányítót használ, tehát elég olcsó. Ez azonban nem hatékonyabb, mint a fent bemutatott félhullámú áramkör.

4. ÁBRA A teljes hullámú kialakítás (felül) szép kimenetet produkál. Az áramkör átrajzolásával (alul) látható, hogy valójában csak két félhullámú egyenirányítóról van szó. Ismét a transzformátor teljesítményének fele elpazarolt.

---

Ez látható az áramkör újrarajzolásával két transzformátorral (4. ábra alul). Ha ez megtörténik, világossá válik, hogy a teljes hullám valójában csak két félhullámú áramkör, amelyek összekapcsolódnak. A transzformátor teljesítményciklusainak felét nem használják fel. Így a maximális elméleti hatásfok 50%, a valós hatásfok 30% körüli.

Az áramkör PIV-je a félhullámú áramkör fele, mivel a diódák bemeneti feszültsége a transzformátor kimenetének fele. A középső csap a feszültség felét biztosítja a transzformátor tekercseinek két végén. Tehát a 25.2 voltos transzformátor esetében a PIV 35.6 volt, plusz az üresjárati növekedés, ami körülbelül 10%-kal több.

Az 5. ábra a híd egyenirányító áramkörét mutatja be, amely általában az első választás. A kimenet teljesen egyenirányított, így a szűrés meglehetősen egyszerű. A legfontosabb azonban, hogy az energiaciklus mindkét felét használja. Ez a leghatékonyabb kialakítás, és a legtöbbet hozza ki a drága transzformátorból. Két dióda hozzáadása sokkal olcsóbb, mint a transzformátor névleges teljesítményének megduplázása (Volt-Amperben vagy VA-ban mérve).

5. ÁBRA A híd egyenirányítós megközelítés (fent) biztosítja a transzformátor teljesítményének teljes kihasználását és teljes hullámú egyenirányítást. Ezenkívül a földelési referencia megváltoztatásával (alul) kettős feszültségű tápegység érhető el.

---

Ennek a kialakításnak az egyetlen hátránya, hogy a teljesítménynek két diódán kell áthaladnia, aminek következtében a feszültségesés 1.4 V, a többi kivitelnél 0.7 V helyett. Általában ez csak az alacsony feszültségű tápegységekre vonatkozik, ahol a további 0.7 volt a kimenet jelentős részét képviseli. (Ilyen esetekben általában kapcsolóüzemű tápegységet használnak a fenti áramkörök bármelyike ​​helyett.)

Mivel minden félciklushoz két diódát használnak, mindegyik a transzformátor feszültségének csak a felét látja. Ezáltal a PIV egyenlő a csúcs bemeneti feszültséggel vagy a transzformátor feszültségének 1.414-szeresével, ami megegyezik a fenti teljes hullámú áramkörrel.

A híd egyenirányító nagyon szép tulajdonsága, hogy a földelési referencia megváltoztatható pozitív és negatív kimeneti feszültség létrehozásához. Ez az 5. ábra alján látható.

SZŰRŐ

Az analóg tápegységek szinte minden szűrése szűrőkondenzátorból származik. Lehetséges induktort sorba kapcsolni a kimenettel, de 60 Hz-en ezeknek az induktoroknak elég nagyoknak és drágáknak kell lenniük. Alkalmanként nagyfeszültségű tápegységekhez használják, ahol a megfelelő kondenzátorok drágák.

A szűrőkondenzátor (C) kiszámításának képlete meglehetősen egyszerű, de tudnia kell az elfogadható csúcstól csúcsig hullámzó feszültséget (V), a félciklus idejét (T) és a felvett áramot (I). A képlet a következő: C=I*T/V, ahol C mikrofaradban, I milliamperben, T milliszekundumban, V voltban értendő. A 60 Hz-es felezési idő 8.3 ezredmásodperc (hivatkozás: 1997-es rádióamatőr kézikönyv).

A képletből egyértelműen látszik, hogy a szűrési követelmények megemelkednek a nagyáramú és/vagy alacsony hullámosságú tápegységeknél, de ez csak józan ész. Könnyen megjegyezhető példa, hogy amperenként 3,000 mikrofarad körülbelül három voltos hullámzást biztosít. Ebből a példából különböző arányokat dolgozhat fel, hogy meglehetősen gyorsan ésszerű becsléseket adjon arról, mire van szüksége.

Az egyik fontos szempont az áram túlfeszültsége a bekapcsoláskor. A szűrőkondenzátorok rövidzárlatként működnek, amíg fel nem töltődnek. Minél nagyobb a kondenzátor, annál nagyobb lesz ez a túlfeszültség. Minél nagyobb a transzformátor, annál nagyobb lesz a túlfeszültség. A legtöbb alacsony feszültségű analóg tápegységnél (<50 volt) a transzformátor tekercsellenállása segít némileg. A 25.2 voltos/két amperes transzformátor mért szekunder ellenállása 0.6 ohm. Ez 42 amperre korlátozza a maximális behajtást. Ezenkívül a transzformátor induktivitása ezt némileg csökkenti. Bekapcsoláskor azonban még mindig nagy potenciális áramlökés van.

A jó hír az, hogy a modern szilícium egyenirányítók gyakran hatalmas túlfeszültség-képességekkel rendelkeznek. A szabványos 1N400x diódacsaládot általában 30 amperes túlfeszültségre adják. Egy hídáramkörnél két dióda hordozza ezt, tehát a legrosszabb eset egyenként 21 amper, ami a 30 amperes specifikáció alatt van (egyenlő árammegosztást feltételezve, ami nem mindig van így). Ez egy szélsőséges példa. Általában körülbelül 10-es tényezőt használnak 21 helyett.

Mindazonáltal ezt a jelenlegi hullámzást nem szabad figyelmen kívül hagyni. Jól elköltött pénz lehet, ha néhány centtel többet költ egy három amperes híd használatára az egyamperes híd helyett.

GYAKORLATI TERVEZÉS

Most már alkalmazhatjuk ezeket a szabályokat és elveket, és elkezdhetjük az alapvető tápegység tervezését. A tervezés magjaként a 25.2 voltos transzformátort fogjuk használni. A 6. ábra az előző ábrák összesítéseként tekinthető, de gyakorlati részértékekkel együtt. A másodlagos második jelzőfény jelzi az állapotát. Azt is mutatja, hogy van-e töltés a kondenzátoron. Ilyen nagy érték mellett ez fontos biztonsági szempont. (Ne feledje, hogy mivel ez egy egyenáramú jel, nincs szükség az 1N4004 fordított feszültségű diódára.)

6. ÁBRA A tápegység végleges kialakítása gyakorlati alkatrészek specifikációival. A teljesítmény szabályozását a következő cikk tárgyalja.

---

Lehet, hogy olcsóbb két kisebb kondenzátor párhuzamos használata, mint egy nagy. A kondenzátor üzemi feszültségének legalább 63 voltnak kell lennie; Az 50 volt nem elegendő a 40 voltos csúcshoz. Egy 50 voltos egység csak 25% tartalékot biztosít. Ez megfelelő lehet egy nem kritikus alkalmazáshoz, de ha a kondenzátor itt meghibásodik, az eredmények katasztrofálisak lehetnek. Egy 63 voltos kondenzátor körülbelül 60%-os, míg a 100 voltos készülék 150%-os tartalékot biztosít. A tápegységek esetében az általános ökölszabály 50% és 100% között van az egyenirányítók és a kondenzátorok esetében. (A hullámosságnak körülbelül két voltosnak kell lennie, az ábrán látható módon.)

A híd-egyenirányítónak képesnek kell lennie a nagy kezdeti áramlökések kezelésére, ezért megéri további egy-két fillért költeni a nagyobb megbízhatóság érdekében. Ne feledje, hogy a hidat az határozza meg, hogy a transzformátor mit tud szolgáltatni, nem pedig az, hogy végül mire van meghatározva a tápegység. Ez kimeneti rövidzárlat esetén történik. Ebben az esetben a transzformátor teljes árama áthalad a diódákon. Ne feledje, az áramellátás meghibásodása rossz dolog. Tehát úgy tervezd meg, hogy robusztus legyen.

KÖVETKEZTETÉS

A tápegység tervezésénél fontos szempont a részletek. Az RMS feszültség és a csúcsfeszültség közötti különbség figyelembevétele kritikus fontosságú a tápellátás megfelelő üzemi feszültségének meghatározásához. Ezenkívül a kezdeti túlfeszültség olyan dolog, amelyet nem lehet figyelmen kívül hagyni.

A 2. részben ezt a projektet egy háromterminális szabályozó hozzáadásával fejezzük be. Általános célú, áramkorlátozott, állítható feszültségű tápegységet tervezünk távkikapcsolással. Ezenkívül az ehhez a kialakításhoz használt alapelvek bármely tápegységre alkalmazhatók. 

Hagyjon üzenetet 

Üzenetlista