ANALOGĀ BAROŠANAS PAMATA KONSTRUKCIJA

Ir vecs teiciens: "Varat dot cilvēkam zivi, un viņš ēdīs vienu dienu, vai arī jūs varat iemācīt cilvēkam makšķerēt, un viņš ēdīs mūžīgi." Ir daudz rakstu, kas sniedz lasītājam konkrētu barošanas avota uzbūves dizainu, un šiem pavārgrāmatu dizainiem nav nekā slikta. Viņiem bieži ir ļoti labs sniegums. Tomēr viņi nemāca lasītājiem pašiem izveidot barošanas avotu. Šis divdaļīgais raksts sāksies no sākuma un paskaidros katru darbību, kas nepieciešama, lai izveidotu pamata analogo barošanas avotu. Dizains koncentrēsies uz visuresošo trīs terminālu regulatoru un ietver vairākus pamata dizaina uzlabojumus.

Vienmēr ir svarīgi atcerēties, ka strāvas padeve — vai nu konkrētam izstrādājumam, vai kā vispārējai testa iekārtai — var nosist lietotāju ar elektrību, izraisīt ugunsgrēku vai iznīcināt ierīci, kuru tas darbina. Acīmredzot tās nav labas lietas. Šī iemesla dēļ ir ļoti svarīgi šim dizainam pieiet konservatīvi. Nodrošiniet komponentiem lielu rezervi. Labi izstrādāts barošanas avots ir tāds, kas nekad netiek pamanīts.

IEEJAS JAUDAS PĀRVĒRŠANA

1. attēlā parādīts tipiska analogā barošanas avota pamatkonstrukcija. Tas sastāv no trim galvenajām sastāvdaļām: ieejas jaudas pārveidošana un kondicionēšana; rektifikācija un filtrēšana; un regulējums. Ievades jaudas pārveidošana parasti ir strāvas transformators, un tā ir vienīgā šeit aplūkotā metode. Tomēr ir daži punkti, kas ir svarīgi pieminēt.

1. ATTĒLS. Pamata analogais barošanas avots sastāv no trim daļām. Pirmie divi ir apskatīti šajā rakstā, bet pēdējie - nākamajā daļā.

---

Pirmais ir tas, ka 117 VAC (voltu maiņstrāva) patiešām ir RMS (vidējā kvadrāta) mērījums. (Ņemiet vērā, ka esmu redzējis parasto mājsaimniecības jaudu, kas norādīta no 110 VAC līdz 125 VAC. Es tikko izmērīju savu un atklāju, ka tas ir precīzi 120.0 VAC.) Sinusoidālā viļņa RMS mērījums ir daudz zemāks par faktisko maksimālo spriegumu un atspoguļo ekvivalentais līdzstrāvas (līdzstrāvas) spriegums, kas nepieciešams, lai nodrošinātu tādu pašu jaudu.

RMS konversija mainās atkarībā no viļņa formas; sinusoidālajam vilnim vērtība ir 1.414. Tas nozīmē, ka novirze ap nulles voltiem faktiski ir 169.7 volti (manai 120 V maiņstrāvas jaudai). Jauda mainās no -169.7 voltiem līdz +169.7 voltiem katrā ciklā. Tāpēc spriegums no maksimuma līdz maksimumam faktiski ir 339.4 volti!

Šis spriegums kļūst īpaši svarīgs, ja galvenajām elektropārvades līnijām tiek pievienoti apvada kondensatori, lai novērstu troksni no strāvas avota vai iziešanas no tā (parasta situācija). Ja domājat, ka faktiskais spriegums ir 120 volti, varat izmantot 150 voltu kondensatorus. Kā redzat, tas nav pareizi. Absolūtais minimālais drošais darba spriegums jūsu kondensatoriem ir 200 volti (250 volti ir labāks). Neaizmirstiet, ka, ja jūs sagaidāt, ka līnijā būs redzams troksnis / tapas, jums jāpievieno šis trokšņa / smailes spriegums maksimālajam spriegumam.

Ieejas frekvence ASV ir 60 Hz. Eiropā 50 Hz ir izplatīta. Transformatori, kas paredzēti 60 Hz, parasti labi darbosies 50 Hz un otrādi. Turklāt elektropārvades līnijas frekvences stabilitāte parasti ir lieliska un reti tiek ņemta vērā. Reizēm var būt pieejami 400 Hz transformatori. Tās parasti ir militāras vai aeronavigācijas ierīces un parasti nav piemērotas lietošanai ar 50/60 Hz jaudu (vai otrādi).

Transformatora izeja ir norādīta arī kā RMS spriegums. Turklāt norādītais spriegums ir minimālais spriegums, kas sagaidāms pie pilnas slodzes. Bieži vien tukšgaitā nominālā jauda palielinās par aptuveni 10%. (Mans 25.2 voltu/divu ampēru transformators bez slodzes mēra 28.6 voltus.) Tas nozīmē, ka faktiskais tukšgaitas/maksimālais izejas spriegums manam 25.2 voltu transformatoram ir 40.4 volti! Kā redzat, vienmēr ir svarīgi atcerēties, ka maiņstrāvas nominālais RMS spriegums ir ievērojami mazāks par faktisko maksimālo spriegumu.

2. attēlā ir parādīts tipisks ieejas jaudas pārveidošanas un kondicionēšanas dizains. Es gribētu izmantot divpolu slēdzi, lai gan tas nav absolūti nepieciešams. Tas aizsargā pret nepareizi savienotiem elektrības kontaktligzdām (kas mūsdienās ir reti sastopams) vai nepareizi savienotiem strāvas vadiem pašā barošanas avotā (daudz biežāk). Ir svarīgi, lai, kad strāvas slēdzis ir izslēgts, karstais vads tiktu atvienots no barošanas avota.

2. ATTĒLS. Ievades kondicionēšana ir diezgan vienkārša, taču jāatceras, ka RMS spriegums nav tāds pats kā maksimālais spriegums. Maksimālais spriegums 120 VAC RMS ir aptuveni 170 volti.

---

Drošinātājs (vai ķēdes pārtraucējs) ir nepieciešams. Tās galvenais mērķis ir novērst ugunsgrēkus, jo bez tā transformatora vai primārās ķēdes īssavienojums ļaus plūst masīvām strāvām, izraisot metāla daļas sarkanu vai pat baltu karstumu. Parasti tas ir lēns trieciena tips ar 250 voltu spriegumu. Pašreizējam vērtējumam vajadzētu būt apmēram divas reizes lielākam par to, ko transformators var sagaidīt.

Piemēram, iepriekš minētais 25.2 voltu divu ampēru transformators patērēs aptuveni 0.42 ampēru primāro strāvu (25.2 volti/120 volti x divi ampēri). Tātad viena ampēra drošinātājs ir saprātīgs. Sekundārā drošinātājs tiks apspriests nākamajā rakstā.

Apvada kondensatori palīdz filtrēt troksni un ir pēc izvēles. Tā kā maksimālais spriegums ir aptuveni 170 volti, 250 voltu nomināls ir labāks par 200 voltu robežvērtību. Iespējams, vēlēsities izmantot “jaudas ievades filtru”. Ir daudz šo vienību veidu. Dažos ir standarta strāvas savienotājs, slēdzis, drošinātāju turētājs un filtrs vienā mazā iepakojumā. Citām var būt tikai dažas no šīm sastāvdaļām. Parasti tie, kuros ir viss, ir diezgan dārgi, bet pārpalikuma vienības parasti var atrast par ļoti saprātīgām cenām.

Ir svarīgi noteikt, vai primārā ķēde ir barota, tāpēc tiek izmantota kontrollampiņa. Ir parādītas divas tipiskas shēmas. Neona lampa ir izmantota gadu desmitiem. Tas ir vienkārši un lēti. Tam ir trūkumi, ka tas ir nedaudz trausls (izgatavots no stikla); var mirgot, ja rezistors ir pārāk liels; un faktiski var radīt zināmu elektrisku troksni (neona gāzes pēkšņas jonu sadalīšanās dēļ).

LED ķēdei ir nepieciešams arī strāvas ierobežošanas rezistors. Pie 10,000 12 hms tiek nodrošināta aptuveni 20 mA strāva. Lielākā daļa gaismas diožu ir paredzētas maksimālajai strāvai 12 mA, tāpēc 1 mA ir saprātīgi. (Augstas efektivitātes gaismas diodes var darboties apmierinoši tikai ar 2 vai XNUMX mA, tāpēc rezistoru var palielināt pēc vajadzības.)

Ņemiet vērā, ka gaismas diodēm ir ļoti zems reversā sadalījuma spriegums (parasti no 10 līdz 20 voltiem). Šī iemesla dēļ ir nepieciešama otrā diode. Tam jāspēj darboties ar vismaz 170 voltu PIV (Peak Inverse Voltage) spriegumu. Standarta 1N4003 vērtība ir 200 PIV, kas nenodrošina lielu rezervi. 1N4004 ir novērtēts ar 400 PIV, un tas maksā, iespējams, par santīmu vairāk. Ievietojot to virknē ar LED, kopējais PIV ir 400 plus LED PIV.

REKTIFIKĀCIJA UN FILTRĒŠANA

3., 4. un 5. attēlā parādītas tipiskākās taisnošanas shēmas ar iepriekš parādīto izejas viļņu formu. (Filtra kondensators netiek parādīts, jo, pievienojot to, viļņu forma mainās uz kaut ko līdzīgu līdzstrāvas spriegumam.) Ir lietderīgi pārbaudīt šīs trīs pamata shēmas, lai noteiktu to stiprās un vājās puses.

3. attēlā parādīts pamata pusviļņa taisngriezis. Vienīgā šī īpašība ir ļoti vienkārša, izmantojot tikai vienu taisngriezi. Sliktā īpašība ir tā, ka tā izmanto tikai pusi no jaudas cikla, padarot ķēdes teorētisko efektivitāti mazāku par 50%, lai sāktu. Bieži vien pusviļņu taisngriežu barošanas avoti ir tikai 30% efektīvi. Tā kā transformatori ir dārgi priekšmeti, šī neefektivitāte ir ļoti dārga. Otrkārt, viļņu formu ir ļoti grūti filtrēt. Pusi laika no transformatora vispār nenāk strāva. Izvades izlīdzināšanai ir nepieciešamas ļoti lielas kapacitātes vērtības. To reti izmanto analogajam barošanas avotam.

3. ATTĒLS. Pusviļņa taisngrieža shēma ir vienkārša, taču tā rada sliktu izejas viļņu formu, ko ir ļoti grūti filtrēt. Turklāt puse no transformatora jaudas tiek iztērēta. (Ņemiet vērā, ka skaidrības labad filtrēšanas kondensatori ir izlaisti, jo tie maina viļņu formu.)

---

Interesanta un svarīga lieta notiek, kad pusviļņa taisngrieža ķēdei tiek pievienots filtra kondensators. Bezslodzes sprieguma starpība dubultojas. Tas ir tāpēc, ka kondensators uzglabā enerģiju no cikla pirmās puses (pozitīvās daļas). Kad notiek otrā puse, kondensators notur pozitīvo maksimālo spriegumu, un negatīvais maksimālais spriegums tiek pielietots otrai spailei, kā rezultātā kondensators un caur to diode redz pilnu spriegumu no maksimuma līdz maksimumam. Tādējādi iepriekš minētajam 25.2 voltu transformatoram faktiskais maksimālais spriegums, ko redz šie komponenti, var pārsniegt 80 voltus!

4. attēlā (augšējā ķēde) ir tipiskas pilna viļņa/centra pieskāriena taisngrieža ķēdes piemērs. Kad tas tiek izmantots, vairumā gadījumu, visticamāk, tam nevajadzētu būt. Tas nodrošina jauku izvadi, kas ir pilnībā izlabota. Tas padara filtrēšanu salīdzinoši vienkāršu. Tas izmanto tikai divus taisngriežus, tāpēc tas ir diezgan lēts. Tomēr tas nav efektīvāks par iepriekš aprakstīto pusviļņu shēmu.

4. ATTĒLS. Pilna viļņa dizains (augšpusē) nodrošina jauku rezultātu. Pārzīmējot ķēdi (apakšā), var redzēt, ka tie patiešām ir tikai divi kopā savienoti pusviļņu taisngrieži. Atkal puse transformatora jaudas tiek izniekota.

---

To var redzēt, pārzīmējot ķēdi ar diviem transformatoriem (4. attēls apakšā). Kad tas ir izdarīts, kļūst skaidrs, ka pilna viļņa patiesībā ir tikai divas kopā savienotas pusviļņa ķēdes. Puse no katra transformatora jaudas cikla netiek izmantota. Tādējādi maksimālā teorētiskā efektivitāte ir 50%, bet reālā efektivitāte ir aptuveni 30%.

Ķēdes PIV ir puse no pusviļņa ķēdes, jo diožu ieejas spriegums ir puse no transformatora izejas. Centrālais krāns nodrošina pusi no sprieguma uz diviem transformatora tinumu galiem. Tātad 25.2 voltu transformatora piemērā PIV ir 35.6 volti plus bezslodzes pieaugums, kas ir par aptuveni 10% vairāk.

5. attēlā parādīta tilta taisngrieža ķēde, kurai parasti jābūt pirmajai izvēlei. Izvade ir pilnībā izlabota, tāpēc filtrēšana ir diezgan vienkārša. Tomēr vissvarīgākais ir tas, ka tas izmanto abas jaudas cikla puses. Šis ir visefektīvākais dizains un nodrošina maksimālu labumu no dārgā transformatora. Divu diožu pievienošana ir daudz lētāka nekā transformatora jaudas divkāršošana (mēra “voltu ampēros” vai VA).

5. ATTĒLS. Tilta taisngrieža pieeja (augšā) nodrošina pilnīgu transformatora jaudas izmantošanu un pilna viļņa taisngriezi. Turklāt, mainot zemējuma atsauci (apakšā), var iegūt divu sprieguma barošanas avotu.

---

Vienīgais šīs konstrukcijas trūkums ir tas, ka jaudai ir jātiek cauri divām diodēm, kā rezultātā sprieguma kritums ir 1.4 volti, nevis 0.7 volti citiem modeļiem. Parasti tas attiecas tikai uz zemsprieguma barošanas avotiem, kur papildu 0.7 volti veido būtisku izejas daļu. (Šādos gadījumos parasti tiek izmantots komutācijas barošanas avots, nevis kāda no iepriekš minētajām shēmām.)

Tā kā katrā pusciklā tiek izmantotas divas diodes, katrs redz tikai pusi no transformatora sprieguma. Tas padara PIV vienādu ar maksimālo ieejas spriegumu vai 1.414 reizes lielāku par transformatora spriegumu, kas ir tāds pats kā iepriekš minētajā pilna viļņa ķēdē.

Ļoti jauka tilta taisngrieža īpašība ir tā, ka zemējuma atsauci var mainīt, lai izveidotu pozitīvu un negatīvu izejas spriegumu. Tas ir parādīts 5. attēla apakšā.

FILTRĒŠANA

Gandrīz visa analogā barošanas avota filtrēšana nāk no filtra kondensatora. Ir iespējams izmantot induktors virknē ar izeju, bet pie 60 Hz šīm induktoriem jābūt diezgan lieliem un dārgiem. Reizēm tos izmanto augstsprieguma barošanas blokiem, kur piemēroti kondensatori ir dārgi.

Filtra kondensatora (C) aprēķināšanas formula ir diezgan vienkārša, taču jums jāzina pieļaujamais pulsācijas spriegums no maksimuma līdz maksimumam (V), puscikla laiks (T) un patērētā strāva (I). Formula ir C=I*T/V, kur C ir mikrofarados, I ir miliampēros, T ir milisekundēs un V ir voltos. Puscikla laiks 60 Hz ir 8.3 milisekundes (atsauce: 1997. gada radioamatieru rokasgrāmata).

No formulas ir skaidrs, ka filtrēšanas prasības ir palielinātas augstas strāvas un/vai zemas pulsācijas barošanas avotiem, taču tas ir tikai veselais saprāts. Viegli iegaumējams piemērs ir 3,000 mikrofaradu uz strāvas ampēru, kas nodrošinās aptuveni trīs voltu pulsāciju. Šajā piemērā varat izmantot dažādus koeficientus, lai diezgan ātri sniegtu pamatotus aprēķinus par to, kas jums nepieciešams.

Viens no svarīgiem apsvērumiem ir strāvas pieaugums ieslēgšanas laikā. Filtra kondensatori darbojas kā īsi, līdz tie tiek uzlādēti. Jo lielāki kondensatori, jo lielāks būs šis pārspriegums. Jo lielāks transformators, jo lielāks būs pārspriegums. Lielākajai daļai zemsprieguma analogo barošanas avotu (<50 volti) transformatora tinumu pretestība nedaudz palīdz. 25.2 voltu/divu ampēru transformatora izmērītā sekundārā pretestība ir 0.6 omi. Tas ierobežo maksimālo pieplūdumu līdz 42 ampēriem. Turklāt transformatora induktivitāte to nedaudz samazina. Tomēr ieslēgšanas brīdī joprojām pastāv liels potenciāls strāvas pieaugums.

Labā ziņa ir tā, ka mūsdienu silīcija taisngriežiem bieži ir milzīgas pārsprieguma strāvas iespējas. Standarta 1N400x diožu saime parasti tiek norādīta ar 30 ampēru pārsprieguma strāvu. Tilta ķēdē ir divas diodes, kas to nodrošina, tāpēc sliktākajā gadījumā katra ir 21 ampēri, kas ir mazāka par 30 ampēru specifikāciju (pieņemot, ka strāvas sadale ir vienāda, kas ne vienmēr notiek). Šis ir ekstrēms piemērs. Parasti tiek izmantots koeficients aptuveni 10, nevis 21.

Tomēr šis pašreizējais pieaugums nav nekas, ko ignorēt. Iztērējot dažus centus vairāk, lai izmantotu trīs ampēru tiltu viena ampēra tilta vietā, var būt labi iztērēta nauda.

PRAKTISKAIS DIZAINS

Tagad mēs varam likt lietā šos noteikumus un principus un sākt veidot pamata barošanas avotu. Mēs izmantosim 25.2 voltu transformatoru kā dizaina kodolu. 6. attēlu var aplūkot kā iepriekšējo attēlu kopumu, bet ar pievienotām praktisko daļu vērtībām. Otra indikatora gaisma sekundārajā daļā norāda tā statusu. Tas arī parāda, vai kondensators ir uzlādēts. Ar tik lielu vērtību tas ir svarīgs drošības apsvērums. (Ņemiet vērā, ka, tā kā šis ir līdzstrāvas signāls, 1N4004 apgrieztā sprieguma diode nav nepieciešama.)

6. ATTĒLS. Barošanas avota galīgā konstrukcija ar praktisko daļu specifikācijām. Jaudas regulēšana ir apspriesta nākamajā rakstā.

---

Var būt lētāk paralēli izmantot divus mazākus kondensatorus nekā vienu lielu. Kondensatora darba spriegumam jābūt vismaz 63 voltiem; 50 volti nav pietiekama rezerve 40 voltu maksimumam. 50 voltu ierīce nodrošina tikai 25% rezervi. Tas var būt piemērots nekritiskai lietojumprogrammai, taču, ja kondensators šeit neizdodas, rezultāti var būt katastrofāli. 63 voltu kondensators nodrošina aptuveni 60% rezervi, savukārt 100 voltu ierīce nodrošina 150% rezervi. Strāvas padevēm vispārējs īkšķis ir no 50% līdz 100% taisngriežu un kondensatoru rezervei. (Kā parādīts attēlā, pulsācijai jābūt apmēram diviem voltiem.)

Tilta taisngriezim jāspēj izturēt lielu sākotnējo strāvas pārspriegumu, tāpēc ir vērts iztērēt vienu vai divus papildu santīmus, lai uzlabotu uzticamību. Ņemiet vērā, ka tiltu nosaka tas, ko var nodrošināt transformators, nevis tas, kam galu galā tiek norādīts barošanas avots. Tas tiek darīts, ja rodas izvades īssavienojums. Šādā gadījumā transformatora pilna strāva tiks nodota caur diodēm. Atcerieties, ka strāvas padeves kļūme ir slikta lieta. Tāpēc izveidojiet to izturīgu.

SECINĀJUMS

Sīkāka informācija ir svarīgs apsvērums, izstrādājot barošanas avotu. Atšķirības starp RMS spriegumu un maksimālo spriegumu ievērošana ir ļoti svarīga, lai noteiktu pareizu barošanas spriegumu. Turklāt sākotnējo pārsprieguma strāvu nevar ignorēt.

2. daļā mēs pabeigsim šo projektu, pievienojot trīs termināļu regulatoru. Mēs izstrādāsim universālu, ierobežotu strāvu, regulējamu spriegumu barošanas bloku ar tālvadības izslēgšanu. Turklāt šajā dizainā izmantotos principus var piemērot jebkurai barošanas avota konstrukcijai. 

Atstāj ziņu 

Message saraksts