PAGRINDINIS ANALOGINIS MAITINIMO PROJEKTAS

Yra senas posakis: „Galite duoti žmogui žuvį ir jis valgys vieną dieną arba galite išmokyti žmogų žvejoti ir jis valgys amžinai“. Yra daug straipsnių, kuriuose skaitytojui pateikiamas konkretus maitinimo šaltinio kūrimo dizainas, ir nėra nieko blogo dėl šių kulinarinių knygų dizaino. Jie dažnai turi labai gerus rezultatus. Tačiau jie nemoko skaitytojų, kaip patiems sukurti maitinimo šaltinį. Šis dviejų dalių straipsnis prasidės nuo pradžių ir paaiškins kiekvieną žingsnį, būtiną norint sukurti pagrindinį analoginį maitinimo šaltinį. Dizainas bus sutelktas į visur esantį trijų gnybtų reguliatorių ir apima daugybę pagrindinio dizaino patobulinimų.

Visada svarbu atsiminti, kad maitinimo šaltinis – tiek tam tikram gaminiui, tiek kaip bendrai bandymo įrangai – gali nutrenkti vartotoją elektra, sukelti gaisrą arba sunaikinti įrenginį, kurį maitina. Akivaizdu, kad tai nėra geri dalykai. Dėl šios priežasties labai svarbu šį dizainą vertinti konservatyviai. Suteikite daug atsargų komponentams. Gerai suprojektuotas maitinimo šaltinis yra tas, kuris niekada nepastebimas.

ĮVESTIES GALIOS KONVERSIJA

1 paveiksle parodyta pagrindinė tipinio analoginio maitinimo šaltinio konstrukcija. Jį sudaro trys pagrindiniai komponentai: įvesties galios konvertavimas ir kondicionavimas; rektifikavimas ir filtravimas; ir reguliavimas. Įvesties galios konvertavimas paprastai yra galios transformatorius ir yra vienintelis čia nagrinėjamas metodas. Tačiau yra keletas punktų, kuriuos svarbu paminėti.

1 PAVEIKSLAS. Pagrindinis analoginis maitinimo šaltinis susideda iš trijų dalių. Pirmieji du aptariami šiame straipsnyje, o paskutinis – kitoje dalyje.

---

Pirma, 117 VAC (Voltų kintamoji srovė) iš tikrųjų yra RMS (vidutinio kvadrato) matavimas. (Atkreipkite dėmesį, kad mačiau įprastą buitinę galią, nurodytą nuo 110 VAC iki 125 VAC. Aš ką tik išmatavau savo ir radau, kad ji yra tiksliai 120.0 VAC.) Sinusinės bangos RMS matavimas yra daug mažesnis už tikrąją didžiausią įtampą ir atitinka lygiavertė nuolatinė (nuolatinė srovė) įtampa, reikalinga tokiai pačiai galiai užtikrinti.

RMS konversija skiriasi priklausomai nuo bangos formos; sinusinės bangos vertė yra 1.414. Tai reiškia, kad nuokrypis apie nulį voltų iš tikrųjų yra 169.7 voltai (mano 120 V kintamos srovės galiai). Kiekviename cikle galia svyruoja nuo -169.7 voltų iki +169.7 voltų. Todėl įtampa nuo smailės iki maksimumo iš tikrųjų yra 339.4 voltai!

Ši įtampa tampa ypač svarbi, kai prie pagrindinių elektros linijų pridedami apėjimo kondensatoriai, kad būtų slopinamas triukšmas, patenkantis į maitinimo šaltinį arba iš jo išeinantis (dažna situacija). Jei manote, kad tikroji įtampa yra 120 voltų, galite naudoti 150 voltų kondensatorius. Kaip matote, tai nėra teisinga. Absoliuti minimali saugi darbo įtampa jūsų kondensatoriams yra 200 voltų (250 voltų geriau). Nepamirškite, kad jei tikitės linijoje matyti triukšmo / šuolių, turite pridėti tą triukšmo / smaigalio įtampą prie didžiausios įtampos.

Įvesties dažnis JAV visuotinai yra 60 Hz. Europoje įprastas 50 Hz dažnis. Transformatoriai, skirti 60 Hz dažniui, paprastai gerai veikia esant 50 Hz ir atvirkščiai. Be to, elektros linijos dažnio stabilumas paprastai yra puikus ir retai į jį atsižvelgiama. Kartais galite rasti 400 Hz transformatorių. Paprastai tai yra kariniai arba aeronautikos prietaisai ir paprastai netinka naudoti 50/60 Hz galia (arba atvirkščiai).

Transformatoriaus išėjimas taip pat nurodomas kaip RMS įtampa. Be to, nurodyta įtampa yra minimali įtampa, kurios tikimasi esant pilnai apkrovai. Dažnai vardinė galia be apkrovos padidėja apie 10%. (Mano 25.2 volto / dviejų amperų transformatoriaus įtampa be apkrovos yra 28.6 voltai.) Tai reiškia, kad tikroji mano 25.2 voltų transformatoriaus tuščiosios eigos / didžiausia išėjimo įtampa yra 40.4 volto! Kaip matote, visada svarbu atsiminti, kad kintamosios srovės vardinė RMS įtampa yra daug mažesnė už tikrąją didžiausią įtampą.

2 paveiksle pateiktas tipinis įvesties galios konvertavimo ir kondicionavimo projektas. Man labiau patinka naudoti dviejų polių jungiklį, nors tai nėra visiškai būtina. Jis apsaugo nuo netinkamai prijungtų elektros lizdų (šiandien tai retai pasitaiko) arba netinkamai prijungtų maitinimo laidų pačiame maitinimo šaltinyje (daug dažniau). Labai svarbu, kad kai maitinimo jungiklis išjungtas, karštas laidas būtų atjungtas nuo maitinimo šaltinio.

2 PAVEIKSLAS. Įvesties kondicionavimas yra gana paprastas, tačiau reikia atsiminti, kad RMS įtampa nėra tokia pati kaip didžiausia įtampa. Didžiausia 120 VAC RMS įtampa yra apie 170 voltų.

---

Saugiklis (arba grandinės pertraukiklis) yra būtinas. Jo pagrindinis tikslas yra užkirsti kelią gaisrams, nes be jo, transformatoriaus arba pirminės grandinės trumpasis junginys leis tekėti didžiulėms srovėms, dėl kurių metalinės dalys įkais raudonai arba net baltai įkais. Paprastai tai yra lėto pūtimo tipas, kurio vardinė įtampa yra 250 voltų. Dabartinis įvertinimas turėtų būti maždaug dvigubai didesnis nei transformatorius gali tikėtis gauti.

Pavyzdžiui, aukščiau minėtas 25.2 voltų dviejų amperų transformatorius ims apie 0.42 amperų pirminės srovės (25.2 voltų / 120 voltų x du amperai). Taigi vieno ampero saugiklis yra pagrįstas. Saugiklis antrinėje dalyje bus aptartas kitame straipsnyje.

Apėjimo kondensatoriai padeda filtruoti triukšmą ir yra neprivalomi. Kadangi didžiausia įtampa yra apie 170 voltų, 250 voltų įtampa yra geresnė nei ribinė 200 voltų įtampa. Galbūt norėsite naudoti „maitinimo įvesties filtrą“. Yra daug šių vienetų tipų. Kai kuriuose yra standartinė maitinimo jungtis, jungiklis, saugiklių laikiklis ir filtras vienoje mažoje pakuotėje. Kiti gali turėti tik kai kuriuos iš šių komponentų. Paprastai tie, kuriuose yra viskas, yra gana brangūs, tačiau perteklinių vienetų paprastai galima rasti už labai priimtiną kainą.

Svarbu, kad būtų galima nustatyti, ar pirminė grandinė yra maitinama, todėl naudojama kontrolinė lemputė. Parodytos dvi tipinės grandinės. Neoninė lempa buvo naudojama dešimtmečius. Tai paprasta ir nebrangi. Trūkumai yra tai, kad jis yra šiek tiek trapus (pagamintas iš stiklo); gali mirgėti, jei rezistorius yra per didelis; ir iš tikrųjų gali sukelti tam tikrą elektrinį triukšmą (dėl staigaus neoninių dujų jonų skilimo).

LED grandinei taip pat reikalingas srovės ribojimo rezistorius. Esant 10,000 12 hms, tiekiama apie 20 mA srovė. Dauguma šviesos diodų yra skirti maksimaliai 12 mA srovei, todėl 1 mA yra pagrįsta. (Didelio efektyvumo šviesos diodai gali tinkamai veikti tik su 2 arba XNUMX mA, todėl, jei reikia, rezistorių galima padidinti.)

Atminkite, kad šviesos diodai turi tikrai prastą atvirkštinio gedimo įtampą (paprastai nuo 10 iki 20 voltų). Dėl šios priežasties reikalingas antrasis diodas. Jis turi veikti esant bent 170 voltų PIV (Peak Inverse Voltage) įtampai. Standartinis 1N4003 yra įvertintas 200 PIV, o tai nesuteikia daug maržos. 1N4004 įvertintas 400 PIV ir kainuoja gal centu daugiau. Sujungus jį nuosekliai su šviesos diodu, bendras PIV yra 400 plius LED PIV.

REKTIFIKACIJA IR FILTRAVIMAS

3, 4 ir 5 paveiksluose pavaizduotos tipiškiausios ištaisymo grandinės su aukščiau pateikta išvesties bangos forma. (Filtro kondensatorius nerodomas, nes jį pridėjus bangos forma pasikeičia į nuolatinės srovės įtampą.) Naudinga išnagrinėti šias tris pagrindines grandines, kad būtų galima nustatyti jų stipriąsias ir silpnąsias puses.

3 paveiksle parodytas pagrindinis pusbangis lygintuvas. Vienintelė atpirkimo savybė yra tai, kad tai labai paprasta, naudojant tik vieną lygintuvą. Bloga savybė yra ta, kad ji sunaudoja tik pusę galios ciklo, todėl teorinis grandinės efektyvumas yra mažesnis nei 50% tik norint pradėti. Dažnai pusės bangos lygintuvų maitinimo šaltiniai yra tik 30% efektyvūs. Kadangi transformatoriai yra brangūs daiktai, šis neefektyvumas yra labai brangus. Antra, bangos formą labai sunku filtruoti. Pusę laiko iš transformatoriaus visai neteikiama galia. Norint išlyginti išvestį, reikia labai didelių talpos verčių. Jis retai naudojamas analoginiam maitinimo šaltiniui.

3 PAVEIKSLAS. Pusinės bangos lygintuvo grandinė yra paprasta, tačiau ji sukuria prastą išėjimo bangos formą, kurią labai sunku filtruoti. Be to, išeikvojama pusė transformatoriaus galios. (Atkreipkite dėmesį, kad aiškumo dėlei filtravimo kondensatoriai praleisti, nes jie keičia bangos formą.)

---

Įdomus ir svarbus dalykas atsitinka, kai į pusės bangos lygintuvo grandinę pridedamas filtro kondensatorius. Tuščiosios eigos įtampos skirtumas padvigubėja. Taip yra todėl, kad kondensatorius kaupia energiją iš pirmosios ciklo pusės (teigiamos dalies). Kai įvyksta antroji pusė, kondensatorius palaiko teigiamą didžiausią įtampą, o neigiama didžiausia įtampa yra taikoma kitam gnybtui, todėl kondensatorius ir per jį diodas mato visą įtampą nuo smailės iki maksimumo. Taigi, naudojant aukščiau esantį 25.2 voltų transformatorių, tikroji šių komponentų didžiausia įtampa gali viršyti 80 voltų!

4 paveikslas (viršutinė grandinė) yra tipinės visos bangos / centrinio čiaupo lygintuvo grandinės pavyzdys. Kai tai naudojama, daugeliu atvejų tikriausiai neturėtų būti. Tai suteikia gražią išvestį, kuri yra visiškai ištaisyta. Dėl to filtravimas yra gana paprastas. Jis naudoja tik du lygintuvus, todėl yra gana nebrangus. Tačiau tai nėra efektyvesnė už pirmiau pateiktą pusės bangos grandinę.

4 PAVEIKSLAS. Visos bangos dizainas (viršuje) sukuria gražią išvestį. Perbraižant grandinę (apačioje), matyti, kad tai iš tikrųjų tik du kartu sujungti pusiau bangos lygintuvai. Vėlgi, pusė transformatoriaus galios iššvaistoma.

---

Tai galima pamatyti iš naujo nubrėžus grandinę dviem transformatoriais (4 pav. apačioje). Kai tai padaroma, tampa aišku, kad visa banga iš tikrųjų yra tik dvi kartu sujungtos pusės bangos grandinės. Pusė kiekvieno transformatoriaus galios ciklo nenaudojama. Taigi maksimalus teorinis efektyvumas yra 50%, o tikrasis efektyvumas yra apie 30%.

Grandinės PIV yra pusė pusės bangos grandinės, nes diodų įėjimo įtampa yra pusė transformatoriaus išėjimo. Centrinis čiaupas tiekia pusę įtampos abiem transformatoriaus apvijų galams. Taigi, 25.2 voltų transformatoriaus pavyzdyje, PIV yra 35.6 voltai ir tuščiosios eigos padidėjimas, kuris yra maždaug 10% didesnis.

5 paveiksle parodyta tilto lygintuvo grandinė, kuri paprastai turėtų būti pirmasis pasirinkimas. Išvestis yra visiškai ištaisyta, todėl filtravimas yra gana paprastas. Tačiau svarbiausia, kad jis naudoja abi galios ciklo puses. Tai yra efektyviausias dizainas ir maksimaliai išnaudoja brangų transformatorių. Dviejų diodų pridėjimas yra daug pigesnis nei transformatoriaus galios padvigubinimas (matuojamas „voltų amperais“ arba VA).

5 PAVEIKSLAS. Tilto lygintuvo metodas (viršuje) užtikrina visišką transformatoriaus galios panaudojimą ir visos bangos lygintuvą. Be to, pakeitus įžeminimo atskaitą (apačioje), galima gauti dvigubos įtampos maitinimo šaltinį.

---

Vienintelis šios konstrukcijos trūkumas yra tas, kad galia turi eiti per du diodus, kurių įtampa turi nukristi 1.4 volto, o ne 0.7 volto kitų konstrukcijų atveju. Paprastai tai susiję tik su žemos įtampos maitinimo šaltiniais, kur papildoma 0.7 volto įtampa sudaro didelę išėjimo dalį. (Tokiais atvejais dažniausiai naudojamas perjungimo maitinimo šaltinis, o ne viena iš pirmiau minėtų grandinių.)

Kadangi kiekvienam pusciklui naudojami du diodai, kiekvienas mato tik pusę transformatoriaus įtampos. Dėl to PIV yra lygi didžiausiai įvesties įtampai arba 1.414 karto didesnei už transformatoriaus įtampą, kuri yra tokia pati kaip aukščiau esančioje visos bangos grandinėje.

Labai graži tiltinio lygintuvo savybė yra ta, kad įžeminimo atskaitą galima pakeisti, kad būtų sukurta teigiama ir neigiama išėjimo įtampa. Tai parodyta 5 paveikslo apačioje.

FILTRAVIMAS

Beveik visas analoginio maitinimo šaltinio filtravimas gaunamas iš filtro kondensatoriaus. Galima naudoti induktorių nuosekliai su išėjimu, bet esant 60 Hz, šie induktoriai turi būti gana dideli ir brangūs. Kartais jie naudojami aukštos įtampos maitinimo šaltiniams, kur tinkami kondensatoriai yra brangūs.

Filtro kondensatoriaus (C) apskaičiavimo formulė yra gana paprasta, tačiau reikia žinoti priimtiną smailės įtampą (V), pusės ciklo laiką (T) ir srovę (I). Formulė yra C=I*T/V, kur C – mikrofaradais, I – miliamperais, T – milisekundėmis, o V – voltais. Pusės ciklo laikas 60 Hz yra 8.3 milisekundės (nuoroda: 1997 m. radijo mėgėjų vadovas).

Iš formulės aišku, kad didelės srovės ir (arba) mažo pulsavimo maitinimo šaltiniams filtravimo reikalavimai yra didesni, tačiau tai tik sveikas protas. Lengvai įsimenamas pavyzdys – 3,000 mikrofaradų vienam srovės amperui suteiks apie tris voltus pulsacijos. Šiame pavyzdyje galite naudoti įvairius koeficientus, kad gana greitai pateiktumėte pagrįstus įvertinimus, ko jums reikia.

Vienas svarbus aspektas yra srovės padidėjimas įjungiant. Filtro kondensatoriai veikia kaip neveikiantys šortai, kol jie įkraunami. Kuo didesni kondensatoriai, tuo didesnis bus šis viršįtampis. Kuo didesnis transformatorius, tuo didesnis bus viršįtampis. Daugeliui žemos įtampos analoginių maitinimo šaltinių (<50 voltų) transformatoriaus apvijos varža šiek tiek padeda. 25.2 volto / dviejų amperų transformatoriaus antrinė varža yra 0.6 omo. Tai apriboja maksimalų įsiveržimą iki 42 amperų. Be to, transformatoriaus induktyvumas tai šiek tiek sumažina. Tačiau įjungimo metu vis dar yra didelis potencialus srovės padidėjimas.

Geros naujienos yra tai, kad šiuolaikiniai silicio lygintuvai dažnai turi didžiules viršįtampio srovės galimybes. Standartinė 1N400x diodų šeima paprastai nurodoma su 30 amperų viršįtampio srove. Naudojant tilto grandinę, tai yra du diodai, todėl blogiausias atvejis yra po 21 amperą, kuris yra mažesnis už 30 amperų specifikaciją (darant prielaidą, kad srovė pasiskirsto vienodai, o tai ne visada būna). Tai kraštutinis pavyzdys. Paprastai naudojamas maždaug 10 koeficientas, o ne 21.

Nepaisant to, šio dabartinio antplūdžio negalima ignoruoti. Išleisdami kelis centus daugiau, norėdami naudoti trijų amperų tiltą, o ne vieno ampero tiltą, galite būti gerai išleisti pinigai.

PRAKTINIS DIZAINAS

Dabar galime taikyti šias taisykles ir principus ir pradėti kurti pagrindinį maitinimo šaltinį. Kaip dizaino pagrindą naudosime 25.2 voltų transformatorių. 6 paveikslą galima žiūrėti kaip ankstesnių paveikslų sudėtį, bet su pridėtomis praktinės dalies reikšmėmis. Antroji kontrolinė lemputė antrinėje rodo jo būseną. Tai taip pat rodo, ar kondensatorius yra įkrautas. Turint tokią didelę vertę, tai yra svarbus saugos aspektas. (Atkreipkite dėmesį, kad tai yra nuolatinės srovės signalas, todėl 1N4004 atvirkštinės įtampos diodas nereikalingas.)

6 PAVEIKSLAS. Galutinė maitinimo šaltinio konstrukcija su praktinių dalių specifikacijomis. Galios reguliavimas aptariamas kitame straipsnyje.

---

Gali būti pigiau lygiagrečiai naudoti du mažesnius kondensatorius nei vieną didelį. Darbinė kondensatoriaus įtampa turi būti ne mažesnė kaip 63 voltai; 50 voltų nepakanka 40 voltų smailei. 50 voltų įrenginys suteikia tik 25% maržą. Tai gali būti tinkama nekritinei programai, tačiau jei kondensatorius sugenda čia, rezultatai gali būti katastrofiški. 63 voltų kondensatorius suteikia apie 60 %, o 100 voltų įrenginys – 150 %. Maitinimo šaltiniams bendra taisyklė yra nuo 50 % iki 100 % lygintuvų ir kondensatorių atsargos. (Kaip parodyta, pulsacija turėtų būti apie du voltus.)

Tiltinis lygintuvas turi atlaikyti didelį pradinį srovės padidėjimą, todėl verta papildomai išleisti vieną ar du centus, kad padidėtų patikimumas. Atkreipkite dėmesį, kad tiltas nustatomas pagal tai, ką transformatorius gali tiekti, o ne pagal tai, ką galiausiai nurodo maitinimo šaltinis. Tai daroma tuo atveju, jei yra išvesties trumpas. Tokiu atveju visa transformatoriaus srovė bus praleidžiama per diodus. Atminkite, kad maitinimo gedimas yra blogas dalykas. Taigi, suprojektuokite jį taip, kad jis būtų tvirtas.

IŠVADA

Projektuojant maitinimo šaltinį svarbu atsižvelgti į detales. Norint nustatyti tinkamą maitinimo įtampą, labai svarbu pastebėti skirtumą tarp RMS įtampos ir didžiausios įtampos. Be to, pradinė viršįtampio srovė yra kažkas, ko negalima ignoruoti.

2 dalyje užbaigsime šį projektą pridėdami trijų terminalų reguliatorių. Suprojektuosime bendros paskirties, ribotos srovės reguliuojamos įtampos maitinimo šaltinį su nuotoliniu išjungimu. Be to, šios konstrukcijos principai gali būti taikomi bet kokiam maitinimo šaltinio dizainui. 

Palik žinutę 

Žinučių sąrašas