ZÁKLADNÍ PROVEDENÍ ANALOGOVÉHO NAPÁJECÍHO ZDROJE

Staré přísloví říká: "Můžeš dát člověku rybu a bude jíst jeden den, nebo můžeš člověka naučit rybařit a bude jíst navždy." Existuje mnoho článků, které čtenáři poskytnou konkrétní návrh na stavbu napájecího zdroje, a na těchto návrhech kuchařek není nic špatného. Často mají velmi dobrý výkon. Neučí však čtenáře, jak si sami navrhnout napájecí zdroj. Tento dvoudílný článek začne od začátku a vysvětlí každý krok nezbytný k sestavení základního analogového napájecího zdroje. Návrh se zaměří na všudypřítomný třísvorkový regulátor a bude obsahovat řadu vylepšení základního provedení.

Vždy je důležité pamatovat na to, že napájecí zdroj – buď pro konkrétní produkt, nebo jako obecné testovací zařízení – má potenciál zasáhnout uživatele elektrickým proudem, založit požár nebo zničit zařízení, které napájí. Očividně to nejsou dobré věci. Z tohoto důvodu je důležité přistupovat k tomuto návrhu konzervativně. Poskytněte dostatek prostoru pro komponenty. Dobře navržený napájecí zdroj je takový, kterého si nikdo nevšimne.

KONVERZE VSTUPNÍHO VÝKONU

Obrázek 1 ukazuje základní návrh typického analogového napájecího zdroje. Skládá se ze tří hlavních součástí: konverze vstupního výkonu a úprava; usměrňování a filtrování; a regulace. Konverze vstupního výkonu je typicky výkonový transformátor a je to jediný způsob, který je zde uvažován. Existuje však několik bodů, které je důležité zmínit.

OBRÁZEK ​​1. Základní analogový napájecí zdroj se skládá ze tří částí. První dva jsou popsány v tomto článku a poslední v příštím díle.

---

První je, že 117 VAC (Volts Alternating Current) je skutečně měření RMS (Root Mean Square). (Všimněte si, že jsem viděl běžnou domácí energii specifikovanou kdekoli od 110 VAC do 125 VAC. Právě jsem změřil svou a zjistil jsem, že je to přesně 120.0 VAC.) RMS měření sinusovky je mnohem nižší než skutečné špičkové napětí a představuje ekvivalentní DC (stejnosměrný proud) napětí potřebné k zajištění stejného výkonu.

RMS konverze se mění podle tvaru vlny; pro sinusovou vlnu je hodnota 1.414. To znamená, že odchylka kolem nuly voltů je ve skutečnosti 169.7 voltů (pro můj výkon 120 VAC). Výkon se mění od -169.7 voltů do +169.7 voltů v každém cyklu. Proto je vrcholové napětí ve skutečnosti 339.4 voltů!

Toto napětí se stává zvláště důležitým při přidávání bypassových kondenzátorů k hlavnímu napájecímu vedení pro potlačení šumu při vstupu nebo výstupu z napájecího zdroje (běžná situace). Pokud si myslíte, že skutečné napětí je 120 voltů, můžete použít 150 voltové kondenzátory. Jak vidíte, není to správné. Absolutní minimální bezpečné pracovní napětí pro vaše kondenzátory je 200 voltů (250 voltů je lepší). Nezapomeňte, že pokud očekáváte, že na lince uvidíte šum/špičky, musíte tento šum/špičkové napětí přidat ke špičkovému napětí.

Vstupní frekvence je v USA všeobecně 60 Hz. V Evropě je 50 Hz běžné. Transformátory dimenzované na 60 Hz budou obecně fungovat dobře na 50 Hz a naopak. Kromě toho je frekvenční stabilita elektrického vedení obvykle vynikající a zřídka se bere v úvahu. Občas můžete najít k dispozici 400 Hz transformátory. Obvykle se jedná o vojenská nebo letecká zařízení a obecně nejsou vhodná pro použití s ​​napájením 50/60 Hz (nebo naopak).

Výstup transformátoru je také specifikován jako efektivní napětí. Kromě toho uvedené napětí je minimální napětí očekávané při plném zatížení. Často dochází při chodu naprázdno ke zvýšení jmenovitého výkonu asi o 10 %. (Můj 25.2 V/dvouampérový transformátor měří 28.6 V bez zátěže.) To znamená, že skutečné výstupní napětí naprázdno/špičkové výstupní napětí mého 25.2 V transformátoru je 40.4 V! Jak vidíte, je vždy důležité si pamatovat, že jmenovitá efektivní napětí pro střídavý proud jsou podstatně nižší než skutečná špičková napětí.

Obrázek 2 poskytuje typický návrh převodu vstupního výkonu a úpravy. Dávám přednost použití dvoupólového vypínače, i když to není nezbytně nutné. Chrání před špatně zapojenými elektrickými zásuvkami (což je dnes vzácné) nebo špatně zapojenými napájecími kabely v samotném napájecím zdroji (mnohem častější). Je důležité, aby při vypnutém hlavním vypínači byl horký vodič odpojen od napájení.

OBRÁZEK ​​2. Úprava vstupu je docela základní, ale je třeba mít na paměti, že RMS napětí není stejné jako špičkové napětí. Špičkové napětí 120 VAC RMS je asi 170 voltů.

---

Pojistka (nebo jistič) je nezbytná. Jeho hlavním účelem je zabránit požárům, protože bez něj transformátor nebo zkrat primárního okruhu umožní proudění masivních proudů, které způsobí, že se kovové části rozžhaví do červena nebo dokonce do běla. Obvykle se jedná o typ s pomalým proudem s napětím 250 voltů. Jmenovitý proud by měl být asi dvojnásobek toho, co může transformátor očekávat.

Například 25.2 voltový dvouampérový transformátor zmíněný výše bude odebírat asi 0.42 ampérů primárního proudu (25.2 voltů/120 voltů x dva ampéry). Takže jednoampérová pojistka je rozumná. O pojistce v sekundáru bude pojednáno v dalším článku.

Přemosťovací kondenzátory pomáhají odfiltrovat šum a jsou volitelné. Protože špičkové napětí je asi 170 voltů, 250 voltů je lepší než okrajových 200 voltů. Možná budete chtít použít „filtr vstupu napájení“. Existuje mnoho typů těchto jednotek. Některé obsahují standardní napájecí konektor, vypínač, držák pojistky a filtr v jednom malém balení. Jiné mohou mít pouze některé z těchto součástí. Typicky jsou ty se vším všudy poměrně drahé, ale přebytečné jednotky lze obvykle najít za velmi příznivé ceny.

Schopnost určit, zda je primární okruh napájen, je důležitá, proto se používá kontrolka. Jsou znázorněny dva typické obvody. Neonová lampa se používá již desítky let. Je to jednoduché a levné. Má nevýhody, že je poněkud křehký (je vyroben ze skla); může blikat, pokud je odpor příliš velký; a může skutečně generovat nějaký elektrický šum (v důsledku náhlého iontového rozpadu neonového plynu).

Obvod LED také vyžaduje odpor omezující proud. Při 10,000 12 hms je poskytován proud asi 20 mA. Většina LED je dimenzována na maximální proud 12 mA, takže 1 mA je rozumné. (Vysoce účinné diody LED mohou uspokojivě fungovat pouze s 2 nebo XNUMX mA, takže odpor lze podle potřeby zvýšit.)

Všimněte si, že LED diody mají opravdu špatné zpětné průrazné napětí (obvykle 10 až 20 voltů). Z tohoto důvodu je nutná druhá dioda. Toto musí být schopno pracovat s alespoň 170 volty PIV (špičkové inverzní napětí). Standardní 1N4003 má hodnocení 200 PIV, což neposkytuje velkou marži. 1N4004 má hodnocení 400 PIV a stojí možná o cent víc. Umístěním do série s LED je celkové PIV 400 plus LED PIV.

OPRAVA A FILTROVÁNÍ

Obrázky 3, 4 a 5 ukazují nejtypičtější usměrňovací obvody s výstupním průběhem zobrazeným výše. (Filtrační kondenzátor není zobrazen, protože jeho přidáním se tvar vlny změní na něco jako stejnosměrné napětí.) Je užitečné prozkoumat tyto tři základní obvody a identifikovat jejich silné a slabé stránky.

Obrázek 3 ukazuje základní půlvlnný usměrňovač. Jedinou vykupitelskou charakteristikou toho je, že je to velmi jednoduché, používá pouze jeden usměrňovač. Špatnou vlastností je, že využívá pouze polovinu energetického cyklu, takže teoretická účinnost obvodu je menší než 50% jen pro spuštění. Napájecí zdroje půlvlnných usměrňovačů mají často účinnost pouze 30 %. Protože transformátory jsou drahé položky, je tato neúčinnost velmi nákladná. Za druhé, tvar vlny se velmi obtížně filtruje. Polovinu času nepřichází z transformátoru vůbec žádná energie. Vyhlazení výstupu vyžaduje velmi vysoké hodnoty kapacity. Málokdy se používá pro analogové napájení.

OBRÁZEK ​​3. Obvod půlvlnného usměrňovače je jednoduchý, ale vytváří špatný výstupní tvar vlny, který je velmi obtížné filtrovat. Navíc je polovina výkonu transformátoru promarněna. (Všimněte si, že filtrační kondenzátory jsou pro přehlednost vynechány, protože mění tvar vlny.)

---

Zajímavá a důležitá věc se stane, když se do obvodu půlvlnného usměrňovače přidá filtrační kondenzátor. Rozdíl napětí naprázdno se zdvojnásobí. Kondenzátor totiž ukládá energii z první poloviny (kladné části) cyklu. Když nastane druhá polovina, kondenzátor drží kladné špičkové napětí a záporné špičkové napětí je aplikováno na druhou svorku, což způsobí, že kondenzátor a skrz něj dioda uvidí plné napětí mezi špičkami. U výše uvedeného transformátoru 25.2 V může být skutečné špičkové napětí pozorované těmito součástmi vyšší než 80 voltů!

Obrázek 4 (horní obvod) je příkladem typického celovlnného/středového usměrňovacího obvodu. Když je toto použito, ve většině případů by to pravděpodobně nemělo být. Poskytuje pěkný výstup, který je plně opraven. Díky tomu je filtrování relativně snadné. Používá pouze dva usměrňovače, takže je to docela levné. Není však o nic efektivnější než výše uvedený půlvlnný obvod.

OBRÁZEK ​​4. Design s plnou vlnou (nahoře) poskytuje pěkný výstup. Překreslením obvodu (dole) je vidět, že jde skutečně jen o dva půlvlnné usměrňovače spojené dohromady. Opět je polovina výkonu transformátoru promarněna.

---

To lze vidět překreslením obvodu se dvěma transformátory (obrázek 4 dole). Když je toto hotovo, je jasné, že celá vlna jsou ve skutečnosti jen dva půlvlnné obvody spojené dohromady. Polovina každého napájecího cyklu transformátoru není využita. Maximální teoretická účinnost je tedy 50 % s reálnou účinností kolem 30 %.

PIV obvodu je polovina půlvlnného obvodu, protože vstupní napětí do diod je polovina výstupu transformátoru. Střední odbočka poskytuje poloviční napětí na dva konce vinutí transformátoru. Takže pro příklad 25.2 voltového transformátoru je PIV 35.6 voltů plus zvýšení naprázdno, což je asi o 10 % více.

Obrázek 5 představuje obvod můstkového usměrňovače, který by měl být obecně první volbou. Výstup je plně usměrněný, takže filtrování je poměrně snadné. Nejdůležitější však je, že využívá obě poloviny energetického cyklu. Toto je nejúčinnější provedení a vytěží maximum z drahého transformátoru. Přidání dvou diod je mnohem levnější než zdvojnásobení jmenovitého výkonu transformátoru (měřeno ve „Volt-ampérech“ nebo VA).

OBRÁZEK ​​5. Přístup můstkového usměrňovače (nahoře) poskytuje plné využití výkonu transformátoru s celovlnným usměrněním. Kromě toho lze změnou referenční země (dole) získat napájení se dvěma napětími.

---

Jedinou nevýhodou této konstrukce je, že energie musí procházet dvěma diodami s výsledným poklesem napětí 1.4 voltu místo 0.7 voltu u ostatních konstrukcí. Obecně se to týká pouze nízkonapěťových napájecích zdrojů, kde dalších 0.7 voltů představuje podstatnou část výstupu. (V takových případech se obvykle používá spínaný napájecí zdroj namísto kteréhokoli z výše uvedených obvodů.)

Vzhledem k tomu, že pro každou polovinu cyklu jsou použity dvě diody, každá vidí pouze polovinu napětí transformátoru. Tím se PIV rovná špičkovému vstupnímu napětí nebo 1.414násobku napětí transformátoru, což je stejné jako u výše uvedeného celovlnného obvodu.

Velmi příjemnou vlastností můstkového usměrňovače je, že referenční zem lze změnit tak, aby se vytvořilo kladné a záporné výstupní napětí. To je znázorněno ve spodní části obrázku 5.

Filtrování

Téměř veškeré filtrování pro analogový napájecí zdroj pochází z filtračního kondenzátoru. Je možné použít induktor v sérii s výstupem, ale při 60 Hz musí být tyto induktory poměrně velké a jsou drahé. Příležitostně se používají pro vysokonapěťové napájecí zdroje, kde jsou vhodné kondenzátory drahé.

Vzorec pro výpočet filtračního kondenzátoru (C) je poměrně jednoduchý, ale potřebujete znát přijatelné vrcholové zvlnění napětí (V), dobu poloviny cyklu (T) a odebíraný proud (I). Vzorec je C=I*T/V, kde C je v mikrofaradech, I je v miliampérech, T je v milisekundách a V je ve voltech. Doba půlcyklu pro 60 Hz je 8.3 milisekund (odkaz: 1997 Radio Amateur's Handbook).

Ze vzorce je jasné, že požadavky na filtrování jsou zvýšené pro napájecí zdroje s vysokým proudem a/nebo s nízkým zvlněním, ale to je jen zdravý rozum. Snadno zapamatovatelným příkladem je, že 3,000 XNUMX mikrofaradů na ampér proudu poskytne zvlnění asi tři volty. Z tohoto příkladu můžete pracovat s různými poměry, abyste poměrně rychle poskytli rozumné odhady toho, co potřebujete.

Jedním z důležitých aspektů je nárůst proudu při zapnutí. Filtrační kondenzátory fungují jako mrtvý zkrat, dokud se nenabijí. Čím větší kondenzátory, tím větší bude toto přepětí. Čím větší transformátor, tím větší bude přepětí. U většiny nízkonapěťových analogových napájecích zdrojů (<50 voltů) poněkud pomáhá odpor vinutí transformátoru. Transformátor 25.2 V/0.6 ampér má naměřený sekundární odpor 42 ohmu. To omezuje maximální náběh na XNUMX ampérů. Navíc indukčnost transformátoru toto poněkud snižuje. Stále však existuje velký potenciální proudový ráz při zapnutí.

Dobrou zprávou je, že moderní křemíkové usměrňovače mají často obrovské schopnosti rázového proudu. Standardní řada diod 1N400x je obvykle specifikována s 30 ampérem rázového proudu. U můstkového obvodu to přenášejí dvě diody, takže nejhorším případem je každá 21 ampér, což je pod 30 ampérovou specifikací (za předpokladu stejného sdílení proudu, což není vždy případ). Toto je extrémní příklad. Obecně se používá faktor asi 10 místo 21.

Nicméně tento současný nárůst nelze ignorovat. Utratit pár centů navíc za použití tříampérové ​​kobylky místo jednoampérové ​​kobylky mohou být dobře vynaložené peníze.

PRAKTICKÝ DESIGN

Nyní můžeme tato pravidla a principy použít a začít navrhovat základní napájecí zdroj. Jako jádro návrhu použijeme 25.2V transformátor. Obrázek 6 lze považovat za složený z předchozích obrázků, ale s přidanými hodnotami praktické části. Druhá kontrolka v sekundáru indikuje jeho stav. Také ukazuje, zda je na kondenzátoru náboj. Při tak vysoké hodnotě je to důležité bezpečnostní hledisko. (Všimněte si, že vzhledem k tomu, že se jedná o stejnosměrný signál, není dioda zpětného napětí 1N4004 potřeba.)

OBRÁZEK ​​6. Konečný návrh napájecího zdroje s praktickými specifikacemi dílů. O regulaci výkonu pojednává další článek.

---

Může být levnější použít dva menší kondenzátory paralelně než jeden velký. Pracovní napětí pro kondenzátor musí být alespoň 63 voltů; 50 voltů není dostatečná rezerva pro vrchol 40 voltů. 50voltová jednotka poskytuje pouze 25% marži. To může být v pořádku pro nekritickou aplikaci, ale pokud zde selže kondenzátor, výsledky mohou být katastrofální. 63voltový kondenzátor poskytuje asi 60% rezervu, zatímco 100voltové zařízení poskytuje 150% rezervu. U napájecích zdrojů platí obecné pravidlo mezi 50% a 100% rezervou pro usměrňovače a kondenzátory. (Zvlnění by mělo být asi dva volty, jak je znázorněno.)

Můstkový usměrňovač musí být schopen zvládnout vysoké počáteční proudové rázy, takže utratit další desetník nebo dva pro zvýšení spolehlivosti se vyplatí. Všimněte si, že můstek je specifikován tím, co může transformátor dodávat, spíše než tím, pro co je nakonec zdroj určen. To se provádí v případě, že dojde ke zkratu na výstupu. V takovém případě bude plný proud transformátoru procházet diodami. Pamatujte, že porucha napájení je špatná věc. Navrhněte jej tedy tak, aby byl robustní.

ZÁVĚR

Detaily jsou důležitým hlediskem při navrhování napájecího zdroje. Pozorování rozdílu mezi efektivním napětím a špičkovým napětím je zásadní pro určení správného pracovního napětí pro zdroj. Navíc počáteční rázový proud je něco, co nelze ignorovat.

V části 2 dokončíme tento projekt přidáním třísvorkového regulátoru. Navrhneme univerzální napájecí zdroj s omezeným proudem a nastavitelným napětím s dálkovým vypínáním. Kromě toho lze principy použité pro tento návrh aplikovat na jakýkoli návrh napájecího zdroje. 

Zanechat vzkaz 

Seznam zpráv