ОСНОВНАЯ КОНСТРУКЦИЯ АНАЛОГОВОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

Есть старая поговорка: «Вы можете дать человеку рыбу, и он будет есть в течение дня, или вы можете научить человека ловить рыбу, и он будет есть вечно». Есть много статей, которые дают читателю конкретный дизайн для создания источника питания, и в этих конструкциях поваренных книг нет ничего плохого. Они часто имеют очень хорошую производительность. Однако они не учат читателей самостоятельно проектировать блок питания. Эта статья, состоящая из двух частей, начнется с самого начала и объяснит каждый шаг, необходимый для создания базового аналогового источника питания. Конструкция будет сосредоточена на вездесущем трехполюсном регуляторе и будет включать в себя ряд усовершенствований базовой конструкции.

Всегда важно помнить, что источник питания - либо для конкретного продукта, либо в качестве общего тестового оборудования - может убить пользователя электрическим током, вызвать пожар или разрушить устройство, на котором он питается. Очевидно, это нехорошие вещи. По этой причине очень важно подходить к этому дизайну консервативно. Обеспечьте достаточный запас компонентов. Хорошо спроектированный блок питания - это тот, на который никто не обращает внимания.

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ВХОДНОЙ МОЩНОСТИ

На рисунке 1 показана основная конструкция типичного аналогового источника питания. Он состоит из трех основных компонентов: преобразование и согласование входной мощности; ректификация и фильтрация; и регулирование. Преобразование входной мощности обычно осуществляется с помощью силового трансформатора, и это единственный метод, рассматриваемый здесь. Однако есть пара моментов, о которых важно упомянуть.

РИСУНОК 1. Базовый аналоговый блок питания состоит из трех частей. Первые два обсуждаются в этой статье, а последний — в следующем выпуске.

---

Во-первых, 117 В переменного тока (вольт переменного тока) на самом деле является среднеквадратичным измерением. (Обратите внимание, что я видел обычную бытовую мощность от 110 до 125 В переменного тока. Я только что измерил мою и обнаружил, что оно составляет точно 120.0 В переменного тока.) Измерение среднеквадратичного значения синусоидальной волны намного ниже, чем фактическое пиковое напряжение, и представляет эквивалентное напряжение постоянного тока (постоянного тока), необходимое для обеспечения такой же мощности.

Преобразование RMS зависит от формы волны; для синусоиды значение 1.414. Это означает, что отклонение около нуля вольт на самом деле составляет 169.7 вольт (для моей мощности 120 В переменного тока). Мощность изменяется от -169.7 до +169.7 вольт за каждый цикл. Следовательно, размах напряжения на самом деле составляет 339.4 вольт!

Это напряжение становится особенно важным при добавлении байпасных конденсаторов к основным линиям электропередачи для подавления шума от входа или выхода из источника питания (обычная ситуация). Если вы считаете, что фактическое напряжение составляет 120 вольт, вы можете использовать конденсаторы на 150 вольт. Как видите, это не так. Абсолютно минимальное безопасное рабочее напряжение для ваших конденсаторов составляет 200 вольт (лучше 250 вольт). Не забывайте, что если вы ожидаете увидеть шум / всплески на линии, вам нужно добавить это напряжение шума / всплеска к пиковому напряжению.

Входная частота обычно составляет 60 Гц в США. В Европе распространена частота 50 Гц. Трансформаторы, рассчитанные на 60 Гц, обычно хорошо работают на 50 Гц и наоборот. Кроме того, стабильность частоты линии электропередачи обычно превосходна и редко принимается во внимание. Иногда вы можете найти трансформаторы на 400 Гц. Обычно это военные или авиационные устройства, которые, как правило, не подходят для использования с питанием 50/60 Гц (или наоборот).

Выход трансформатора также указывается как среднеквадратичное значение напряжения. Кроме того, указанное напряжение является минимальным ожидаемым напряжением при полной нагрузке. Часто номинальная мощность на холостом ходу увеличивается примерно на 10%. (Мой трансформатор на 25.2 В/28.6 А измеряет 25.2 В без нагрузки.) Это означает, что фактическое выходное напряжение без нагрузки/пиковое выходное напряжение для моего трансформатора на 40.4 В составляет XNUMX В! Как видите, всегда важно помнить, что номинальное среднеквадратичное значение напряжения для сети переменного тока существенно меньше, чем фактическое пиковое напряжение.

На рис. 2 представлена ​​типичная схема преобразования и кондиционирования входной мощности. Я предпочитаю использовать двухполюсный переключатель, хотя это и не обязательно. Он защищает от неправильного подключения электрических розеток (что сегодня редкость) или неправильного подключения силовых проводов в самом блоке питания (гораздо чаще). Крайне важно, чтобы при выключенном выключателе питания горячий провод отсоединялся от источника питания.

РИСУНОК 2. Настройка входа довольно проста, но следует помнить, что среднеквадратичное напряжение не совпадает с пиковым напряжением. Пиковое среднеквадратичное напряжение 120 В переменного тока составляет около 170 вольт.

---

Предохранитель (или автоматический выключатель) необходим. Его основная цель - предотвратить пожар, потому что без него короткое замыкание в трансформаторе или первичной цепи приведет к протеканию огромных токов, в результате чего металлические детали станут красными или даже белыми. Обычно это медленнодействующий тип, рассчитанный на 250 вольт. Номинальный ток должен быть примерно в два раза больше, чем может потреблять трансформатор.

Например, упомянутый выше двухамперный трансформатор на 25.2 В потребляет около 0.42 А первичного тока (25.2 В/120 В x два А). Так что предохранителя на XNUMX ампер вполне достаточно. Предохранитель во вторичной обмотке будет рассмотрен в следующей статье.

Шунтирующие конденсаторы помогают отфильтровывать шум и являются дополнительными. Поскольку пиковое напряжение составляет около 170 вольт, номинал 250 вольт лучше, чем предельный номинал 200 вольт. Возможно, вы захотите использовать «фильтр входной мощности». Существует множество типов этих агрегатов. Некоторые из них содержат стандартный разъем питания, переключатель, держатель предохранителя и фильтр в одном небольшом корпусе. Другие могут иметь только некоторые из этих компонентов. Как правило, те, в которых есть все, довольно дороги, но излишки обычно можно найти по очень разумным ценам.

Возможность определить, включена ли первичная цепь, важна, поэтому используется контрольная лампа. Показаны две типовые схемы. Неоновая лампа использовалась десятилетиями. Это просто и недорого. У него есть недостатки: он несколько хрупкий (сделан из стекла); может мерцать, если резистор слишком велик; и на самом деле может генерировать некоторый электрический шум (из-за внезапного ионного пробоя неона).

Для схемы светодиода также требуется токоограничивающий резистор. При частоте 10,000 12 Гц обеспечивается ток около 20 мА. Большинство светодиодов рассчитаны на максимальный ток 12 мА, поэтому 1 мА является разумным. (Высокоэффективные светодиоды могут удовлетворительно работать только при токе 2 или XNUMX мА, поэтому резистор можно увеличить по мере необходимости.)

Обратите внимание, что светодиоды имеют очень низкое напряжение обратного пробоя (обычно от 10 до 20 вольт). По этой причине необходим второй диод. Он должен работать с напряжением не менее 170 вольт PIV (пиковое обратное напряжение). Стандартный 1N4003 рассчитан на 200 PIV, что не обеспечивает большой маржи. 1N4004 рассчитан на 400 PIV и стоит, возможно, на копейки больше. Если разместить его последовательно со светодиодом, общий PIV составит 400 плюс PIV светодиода.

РЕКТИКАЦИЯ И ФИЛЬТРАЦИЯ

На рисунках 3, 4 и 5 показаны наиболее типичные схемы выпрямления с приведенной выше формой выходного сигнала. (Конденсатор фильтра не показан, потому что при его добавлении форма волны меняется на что-то вроде напряжения постоянного тока.) Полезно изучить эти три основные схемы, чтобы определить их сильные и слабые стороны.

На рисунке 3 показан основной однополупериодный выпрямитель. Единственная выгода от этого заключается в том, что это очень просто, используя только один выпрямитель. Плохая особенность состоит в том, что он использует только половину цикла мощности, что делает теоретический КПД схемы менее 50% только для запуска. Часто источники питания с однополупериодными выпрямителями имеют КПД только 30%. Поскольку трансформаторы - дорогие изделия, такая неэффективность обходится очень дорого. Во-вторых, очень сложно фильтровать форму волны. Половину времени от трансформатора совсем не поступает питание. Сглаживание выхода требует очень высоких значений емкости. Его редко используют для аналогового источника питания.

РИСУНОК 3. Схема однополупериодного выпрямителя проста, но она дает плохую форму выходного сигнала, который очень трудно фильтровать. Кроме того, половина мощности трансформатора тратится впустую. (Обратите внимание, что фильтрующие конденсаторы опущены для ясности, потому что они изменяют форму волны.)

---

Интересная и важная вещь происходит, когда в схему однополупериодного выпрямителя добавляется фильтрующий конденсатор. Дифференциал напряжения холостого хода удваивается. Это связано с тем, что конденсатор накапливает энергию первой половины (положительной части) цикла. Когда происходит вторая половина, конденсатор удерживает положительное пиковое напряжение, а отрицательное пиковое напряжение подается на другую клемму, в результате чего полное размах напряжения отображается на конденсаторе и через него на диоде. Таким образом, для приведенного выше трансформатора на 25.2 вольт фактическое пиковое напряжение, наблюдаемое этими компонентами, может превышать 80 вольт!

На рисунке 4 (верхняя схема) показан пример типичной двухполупериодной схемы выпрямителя с центральным отводом. Когда это используется, в большинстве случаев, вероятно, не должно быть. Он обеспечивает хороший выходной сигнал, который полностью исправлен. Это делает фильтрацию относительно простой. В нем используются всего два выпрямителя, поэтому он довольно недорогой. Однако он не более эффективен, чем представленная выше полуволновая схема.

РИСУНОК 4. Двухполупериодная конструкция (вверху) дает хороший результат. Перерисовывая схему (внизу), можно увидеть, что на самом деле это всего лишь два однополупериодных выпрямителя, соединенных вместе. Опять же, половина мощности трансформатора тратится зря.

---

Это можно увидеть, перерисовав схему с двумя трансформаторами (рис. 4 внизу). Когда это сделано, становится ясно, что полная волна на самом деле представляет собой всего лишь два полуволновых контура, соединенных вместе. Половина цикла мощности каждого трансформатора не используется. Таким образом, максимальная теоретическая эффективность составляет 50%, а реальная эффективность составляет около 30%.

PIV схемы составляет половину полуволновой цепи, потому что входное напряжение на диоды составляет половину выходного напряжения трансформатора. Центральный отвод обеспечивает половину напряжения на двух концах обмоток трансформатора. Итак, для примера трансформатора на 25.2 В PIV составляет 35.6 В плюс увеличение холостого хода, что примерно на 10% больше.

На рисунке 5 представлена ​​схема мостового выпрямителя, который обычно должен быть первым выбором. Выходной сигнал полностью выпрямлен, поэтому фильтрация довольно проста. Однако наиболее важно то, что он использует обе половины цикла мощности. Это наиболее эффективная конструкция, позволяющая максимально использовать возможности дорогостоящего трансформатора. Добавление двух диодов обходится гораздо дешевле, чем удвоение номинальной мощности трансформатора (измеряется в «вольт-амперах» или ВА).

РИСУНОК 5. Мостовой выпрямитель (вверху) обеспечивает полное использование мощности трансформатора и двухполупериодное выпрямление. Кроме того, путем изменения опорного заземления (внизу) можно получить источник питания с двойным напряжением.

---

Единственным недостатком этой конструкции является то, что мощность должна проходить через два диода с результирующим падением напряжения 1.4 В вместо 0.7 В для других конструкций. Как правило, это проблема только для низковольтных источников питания, где дополнительные 0.7 В составляют значительную часть выходного напряжения. (В таких случаях обычно используется импульсный источник питания, а не любая из вышеперечисленных схем.)

Поскольку в каждом полупериоде используются два диода, каждый из них видит только половину напряжения трансформатора. Это делает PIV равным пиковому входному напряжению или в 1.414 раза превышающему напряжение трансформатора, что совпадает с двухполупериодной схемой выше.

Очень приятной особенностью мостового выпрямителя является то, что опорное заземление можно изменять для создания положительного и отрицательного выходного напряжения. Это показано в нижней части рисунка 5.

ФИЛЬТРАЦИЯ

Почти вся фильтрация аналогового источника питания осуществляется конденсатором фильтра. Можно использовать катушку индуктивности последовательно с выходом, но при частоте 60 Гц эти катушки индуктивности должны быть довольно большими и дорогими. Иногда они используются для высоковольтных источников питания, где подходящие конденсаторы дороги.

Формула для расчета конденсатора фильтра (C) довольно проста, но вам необходимо знать допустимую размах напряжения пульсаций (V), время полупериода (T) и потребляемый ток (I). Формула C=I*T/V, где C в микрофарадах, I в миллиамперах, T в миллисекундах и V в вольтах. Время полупериода для 60 Гц составляет 8.3 миллисекунды (ссылка: Справочник радиолюбителя 1997 г.).

Из формулы ясно, что требования к фильтрации повышаются для источников питания с высоким током и / или с низким уровнем пульсаций, но это просто здравый смысл. Легко запомнить пример: 3,000 микрофарад на ампер тока обеспечат пульсацию около трех вольт. Вы можете использовать различные соотношения из этого примера, чтобы довольно быстро получить разумные оценки того, что вам нужно.

Одним из важных соображений является скачок тока при включении. Конденсаторы фильтра действуют как короткозамыкатели, пока не зарядятся. Чем больше конденсаторы, тем больше будет этот выброс. Чем больше трансформатор, тем больше будет выброс. Для большинства низковольтных аналоговых источников питания (<50 вольт) несколько помогает сопротивление обмотки трансформатора. Трансформатор на 25.2 В/0.6 А имеет измеренное вторичное сопротивление 42 Ом. Это ограничивает максимальный пусковой ток до XNUMX ампер. Кроме того, индуктивность трансформатора несколько уменьшает это. Тем не менее, при включении все еще существует большой потенциальный скачок тока.

Хорошей новостью является то, что современные кремниевые выпрямители часто обладают огромной способностью к импульсным токам. Стандартное семейство диодов 1N400x обычно рассчитано на импульсный ток 30 А. В мостовой схеме это два диода, поэтому в худшем случае каждый составляет 21 ампер, что ниже спецификации 30 ампер (при условии равного распределения тока, что не всегда так). Это крайний пример. Обычно используется коэффициент около 10 вместо 21.

Тем не менее, этот скачок тока нельзя игнорировать. Потратить несколько центов больше на использование моста на три ампера вместо моста на один усилитель может оказаться потраченным не зря.

ПРАКТИЧЕСКИЙ ДИЗАЙН

Теперь мы можем применить эти правила и принципы и приступить к разработке базового блока питания. Мы будем использовать трансформатор на 25.2 вольта в качестве ядра конструкции. Рис. 6 можно рассматривать как составную часть предыдущих рисунков, но с добавлением значений практических деталей. Второй контрольный свет во вторичном сигнале указывает на его статус. Он также показывает, есть ли заряд на конденсаторе. При таком большом значении это важное соображение безопасности. (Обратите внимание, что поскольку это сигнал постоянного тока, диод обратного напряжения 1N4004 не требуется.)

РИСУНОК 6. Окончательный проект блока питания с практическими характеристиками деталей. Регулировка мощности обсуждается в следующей статье.

---

Может быть дешевле использовать два конденсатора меньшего размера параллельно, чем один большой. Рабочее напряжение на конденсаторе должно быть не менее 63 вольт; 50 вольт недостаточно для пика 40 вольт. Блок на 50 В обеспечивает только 25% запаса. Это может быть хорошо для некритического приложения, но если конденсатор выйдет из строя здесь, результаты могут быть катастрофическими. Конденсатор на 63 В обеспечивает запас около 60%, а устройство на 100 В дает запас в 150%. Для источников питания общее практическое правило составляет от 50% до 100% запаса для выпрямителей и конденсаторов. (Пульсация должна быть около двух вольт, как показано на рисунке.)

Мостовой выпрямитель должен быть в состоянии справиться с высоким начальным броском тока, поэтому стоит потратить дополнительные десять центов на повышение надежности. Обратите внимание, что мост определяется тем, что может обеспечить трансформатор, а не тем, для чего в конечном итоге предназначен источник питания. Это делается на случай короткого замыкания на выходе. В таком случае через диоды будет проходить полный ток трансформатора. Помните, сбой в электроснабжении — это плохо. Итак, проектируйте его, чтобы он был надежным.

Заключение

Детали - важный фактор при проектировании источника питания. Заметка о разнице между среднеквадратичным напряжением и пиковым напряжением имеет решающее значение для определения правильного рабочего напряжения для источника питания. Кроме того, нельзя игнорировать начальный импульсный ток.

Во второй части мы завершим этот проект, добавив трехконтактный регулятор. Мы разработаем универсальный источник питания с ограничением по току, регулируемым напряжением с дистанционным отключением. Кроме того, принципы, использованные для этой конструкции, могут быть применены к любой конструкции источника питания. 

Оставить сообщение 

Список сообщений