GRUNDLÆGGENDE ANALOG STRØMFORSYNING DESIGN

Der er det gamle ordsprog: "Du kan give en mand en fisk, og han vil spise for en dag, eller du kan lære en mand at fiske, og han vil spise for evigt." Der er mange artikler, der giver læseren et specifikt design til at bygge en strømforsyning, og der er ikke noget galt med disse kogebogsdesign. De har ofte meget gode præstationer. De lærer dog ikke læserne, hvordan de selv designer en strømforsyning. Denne todelte artikel vil starte fra begyndelsen og forklare hvert trin, der er nødvendigt for at bygge en grundlæggende analog strømforsyning. Designet vil fokusere på den allestedsnærværende tre-terminal regulator og omfatte en række forbedringer til det grundlæggende design.

Det er altid vigtigt at huske, at strømforsyningen - enten til et bestemt produkt eller som et generelt testudstyr - har potentialet til at elektrocutere brugeren, starte en brand eller ødelægge den enhed, den forsyner med. Det er selvfølgelig ikke gode ting. Af den grund er det afgørende at gribe dette design konservativt an. Giv masser af margen til komponenter. En veldesignet strømforsyning er en, der aldrig bliver bemærket.

KONVERTERING AF INDGANGSEFFEKT

Figur 1 viser det grundlæggende design for en typisk analog strømforsyning. Den består af tre hovedkomponenter: indgangseffektkonvertering og konditionering; berigtigelse og filtrering; og regulering. Indgangseffektkonverteringen er typisk en krafttransformator og er den eneste metode, der overvejes her. Der er dog et par punkter, som er vigtige at nævne.

FIGUR 1. En grundlæggende analog strømforsyning består af tre dele. De to første diskuteres i denne artikel og de sidste i den næste del.

---

Den første er, at 117 VAC (Volts Alternating Current) virkelig er en RMS (Root Mean Square) måling. (Bemærk, at jeg har set almindelig husholdningsstrøm specificeret alt fra 110 VAC til 125 VAC. Jeg har lige målt min og fandt ud af, at den var præcis 120.0 VAC.) En RMS-måling af en sinusbølge er meget lavere end den faktiske spidsspænding og repræsenterer den tilsvarende DC (Direct Current) spænding, der er nødvendig for at levere den samme effekt.

RMS-konverteringen varierer afhængigt af bølgeformen; for en sinusbølge er værdien 1.414. Det betyder, at afvigelsen omkring nul volt faktisk er 169.7 volt (for min 120 VAC strøm). Strømmen går fra -169.7 volt til +169.7 volt hver cyklus. Derfor er peak-to-peak spændingen faktisk 339.4 volt!

Denne spænding bliver især vigtig, når der tilføjes bypass-kondensatorer til hovedstrømledningerne for at undertrykke støj fra at komme ind i eller forlade strømforsyningen (en almindelig situation). Hvis du tror, ​​at den faktiske spænding er 120 volt, kan du bruge 150 volt kondensatorer. Som du kan se, er dette ikke korrekt. Den absolutte mindste sikre arbejdsspænding for dine kondensatorer er 200 volt (250 volt er bedre). Glem ikke, at hvis du forventer at se støj/spidser på linjen, skal du tilføje den støj/spidsspænding til spidsspændingen.

Indgangsfrekvensen er universelt 60 Hz i USA. I Europa er 50 Hz almindeligt. Transformatorer vurderet til 60 Hz vil generelt fungere godt på 50 Hz og omvendt. Derudover er frekvensstabiliteten af ​​strømledningen normalt fremragende og sjældent en overvejelse. Nogle gange kan du finde 400 Hz transformere til rådighed. Disse er typisk militære eller aeronautiske enheder og er generelt ikke egnede til brug på 50/60 Hz strøm (eller omvendt).

Transformatorens output er også angivet som en RMS-spænding. Derudover er den angivne spænding den forventede minimumspænding under fuld belastning. Ofte er der en stigning på omkring 10 % i den nominelle effekt uden belastning. (Min 25.2 volt/to-amp transformer måler 28.6 volt uden belastning.) Det betyder, at den faktiske tomgangs-/spidsudgangsspænding for min 25.2 volt transformer er 40.4 volt! Som du kan se, er det altid vigtigt at huske, at de nominelle RMS-spændinger for vekselstrøm er væsentligt mindre end de faktiske spidsspændinger.

Figur 2 giver et typisk inputeffektkonverterings- og konditioneringsdesign. Jeg foretrækker at bruge en dobbeltpolet kontakt, selvom det ikke er absolut nødvendigt. Den beskytter mod forkerte stikkontakter (hvilket er sjældent i dag) eller forkerte strømledninger i selve strømforsyningen (meget mere almindeligt). Det er vigtigt, at når strømafbryderen er slukket, er den varme ledning afbrudt fra strømforsyningen.

FIGUR 2. Indgangskonditioneringen er ret grundlæggende, men det skal huskes, at RMS-spændingen ikke er den samme som spidsspændingen. Spidsspændingen på 120 VAC RMS er omkring 170 volt.

---

Sikringen (eller afbryderen) er nødvendig. Dens hovedformål er at forhindre brande, fordi uden den vil en transformator eller et primært kredsløb tillade massive strømme at flyde, hvilket får metaldele til at blive røde eller endda hvidglødende. Det er normalt en slow-blow type vurderet til 250 volt. Den nuværende vurdering bør være omkring det dobbelte af, hvad transformeren kan forvente at trække.

For eksempel vil den ovenfor nævnte 25.2 volt to-amp transformer trække omkring 0.42 ampere primærstrøm (25.2 volt/120 volt x to ampere). Så en en amp sikring er rimelig. En sikring i den sekundære vil blive diskuteret i den næste artikel.

Bypass-kondensatorerne hjælper med at bortfiltrere støj og er ekstraudstyr. Da spidsspændingen er omkring 170 volt, er en 250 volt rating bedre end en marginal 200 volt rating. Du vil måske bruge et "strømindgangsfilter." Der er mange typer af disse enheder. Nogle indeholder et standard strømstik, afbryder, sikringsholder og filter i en lille pakke. Andre har muligvis kun nogle af disse komponenter. Typisk er dem med alt ret dyre, men overskydende enheder kan normalt findes til meget rimelige priser.

Det er vigtigt at kunne afgøre, om det primære kredsløb er strømforsynet, så der bruges et pilotlys. To typiske kredsløb er vist. Neonlampen har været brugt i årtier. Det er enkelt og billigt. Det har de ulemper, at det er noget skrøbeligt (der er lavet af glas); kan flimre, hvis modstanden er for stor; og kan faktisk generere noget elektrisk støj (på grund af den pludselige ioniske nedbrydning af neongassen).

LED-kredsløbet kræver også en strømbegrænsende modstand. Ved 10,000 hms leveres omkring 12 mA strøm. De fleste lysdioder er normeret til en maksimal strøm på 20 mA, så 12 mA er rimeligt. (Højeffektive LED'er kan fungere tilfredsstillende med kun 1 eller 2 mA, så modstanden kan øges efter behov.)

Bemærk, at LED'er har virkelig dårlige omvendte gennembrudsspændinger (typisk 10 til 20 volt). Af den grund er en anden diode nødvendig. Denne skal kunne fungere med mindst 170 volt PIV (Peak Inverse Voltage). Standard 1N4003 er vurderet til 200 PIV, hvilket ikke giver meget margin. 1N4004 er vurderet til 400 PIV og koster måske en øre mere. Ved at placere den i serie med LED'en er den samlede PIV 400 plus LED PIV.

RETIFIKATION OG FILTRERING

Figur 3, 4 og 5 viser de mest typiske ensretterkredsløb med udgangsbølgeformen vist ovenfor. (Filterkondensatoren er ikke vist, fordi bølgeformen ved at tilføje den ændres til noget som en jævnspænding.) Det er nyttigt at undersøge disse tre grundlæggende kredsløb for at identificere styrkerne og svaghederne ved dem.

Figur 3 viser den grundlæggende halvbølgeensretter. Det eneste forløsende kendetegn ved dette er, at det er meget enkelt, idet man kun bruger en enkelt ensretter. Den dårlige funktion er, at den kun bruger halvdelen af ​​strømcyklussen, hvilket gør den teoretiske effektivitet af kredsløbet mindre end 50% lige til at starte. Ofte er halvbølge ensretter strømforsyninger kun 30% effektive. Da transformere er dyre genstande, er denne ineffektivitet meget dyr. For det andet er bølgeformen meget svær at filtrere. Halvdelen af ​​tiden kommer der slet ingen strøm fra transformeren. Udjævning af output kræver meget høje værdier af kapacitans. Den bruges sjældent til en analog strømforsyning.

FIGUR 3. Halvbølgeensretterkredsløbet er enkelt, men det producerer en dårlig udgangsbølgeform, som er meget vanskelig at filtrere. Derudover er halvdelen af ​​transformatorstrømmen spildt. (Bemærk, at filtreringskondensatorerne er udeladt for klarhedens skyld, fordi de ændrer bølgeformen.)

---

En interessant og vigtig ting sker, når en filterkondensator føjes til et halvbølge ensretterkredsløb. Den ubelastede spændingsforskel fordobles. Dette skyldes, at kondensatoren lagrer energi fra den første halvdel (positive del) af cyklussen. Når den anden halvdel indtræffer, holder kondensatoren den positive spidsspænding, og den negative spidsspænding påføres den anden terminal, hvilket forårsager, at en fuld spids-til-spidsspænding ses af kondensatoren og derigennem dioden. For en 25.2 volt transformer ovenfor kan den faktiske spidsspænding set af disse komponenter være over 80 volt!

Figur 4 (øverste kredsløb) er et eksempel på et typisk fuldbølge-/centertap-ensretterkredsløb. Når dette bruges, burde det i de fleste tilfælde nok ikke være det. Det giver et flot output, der er fuldt udrettet. Dette gør filtrering relativt let. Den bruger kun to ensrettere, så den er ret billig. Det er dog ikke mere effektivt end halvbølgekredsløbet præsenteret ovenfor.

FIGUR 4. Full-wave-designet (øverst) giver et flot output. Ved at gentegne kredsløbet (nederst) kan det ses, at det i virkeligheden kun er to halvbølge-ensrettere forbundet med hinanden. Igen er halvdelen af ​​transformatorkraften spildt.

---

Dette kan ses ved at gentegne kredsløbet med to transformere (Figur 4 nederst). Når dette er gjort, bliver det klart, at fuldbølgen i virkeligheden kun er to halvbølgekredsløb forbundet med hinanden. Halvdelen af ​​hver transformatoreffektcyklus bruges ikke. Den maksimale teoretiske effektivitet er således 50 % med reelle effektiviteter omkring 30 %.

Kredsløbets PIV er halvdelen af ​​halvbølgekredsløbet, fordi indgangsspændingen til dioderne er halvdelen af ​​transformatorudgangen. Midterhanen giver halvdelen af ​​spændingen til de to ender af transformatorviklingerne. Så for eksemplet med 25.2 volt transformer er PIV 35.6 volt plus stigningen uden belastning, som er omkring 10 % mere.

Figur 5 viser broensretterkredsløbet, som generelt bør være det første valg. Outputtet er fuldt korrigeret, så filtrering er ret let. Vigtigst er det dog, at den bruger begge halvdele af strømcyklussen. Dette er det mest effektive design og får mest muligt ud af den dyre transformer. Tilføjelse af to dioder er meget billigere end at fordoble transformatoreffekten (målt i "Volt-Amps" eller VA).

FIGUR 5. Broensrettertilgangen (øverst) giver fuld udnyttelse af transformatoreffekten og med en fuldbølgeensretter. Ved at ændre jordreferencen (nederst) kan der desuden opnås en dobbeltspændingsstrømforsyning.

---

Den eneste ulempe ved dette design er, at strømmen skal passere gennem to dioder med et resulterende spændingsfald på 1.4 volt i stedet for 0.7 volt for de andre designs. Generelt er dette kun et problem for lavspændingsstrømforsyninger, hvor de yderligere 0.7 volt repræsenterer en væsentlig brøkdel af outputtet. (I sådanne tilfælde bruges der sædvanligvis en skiftende strømforsyning i stedet for et af ovenstående kredsløb.)

Da der er to dioder, der bruges til hver halvcyklus, ses kun halvdelen af ​​transformatorspændingen af ​​hver. Dette gør PIV lig med spidsindgangsspændingen eller 1.414 gange transformatorspændingen, hvilket er det samme som fuldbølgekredsløbet ovenfor.

En meget fin funktion ved broensretteren er, at jordreferencen kan ændres for at skabe en positiv og negativ udgangsspænding. Dette er vist i bunden af ​​figur 5.

Filtrering

Næsten al filtrering for en analog strømforsyning kommer fra en filterkondensator. Det er muligt at bruge en induktor i serie med udgangen, men ved 60 Hz skal disse induktorer være ret store og dyre. Lejlighedsvis bruges de til højspændingsstrømforsyninger, hvor passende kondensatorer er dyre.

Formlen til beregning af filterkondensatoren (C) er ret enkel, men du skal kende den acceptable peak-to-peak ripple-spænding (V), halvcyklustid (T) og trukket strøm (I). Formlen er C=I*T/V, hvor C er i mikrofarader, I er i milliampere, T er i millisekunder, og V er i volt. Halvcyklustiden for 60 Hz er 8.3 millisekunder (reference: 1997 Radio Amateur's Handbook).

Det fremgår tydeligt af formlen, at filtreringskravene er øget for strømforsyninger med høj strøm og/eller lav bølgelængde, men dette er bare sund fornuft. Et let at huske eksempel er 3,000 mikrofarads pr. ampere strøm vil give omkring tre volt krusning. Du kan arbejde med forskellige forhold ud fra dette eksempel for at give rimelige skøn over, hvad du har brug for ret hurtigt.

En vigtig overvejelse er strømstigningen ved tænding. Filterkondensatorerne fungerer som døde kortslutninger, indtil de bliver ladet op. Jo større kondensatorerne er, jo større vil denne stigning være. Jo større transformatoren er, jo større vil stigningen være. For de fleste analoge lavspændingsstrømforsyninger (<50 volt) hjælper transformatorviklingsmodstanden noget. 25.2 volt/to amp transformatoren har en målt sekundær modstand på 0.6 ohm. Dette begrænser den maksimale indstrømning til 42 ampere. Derudover reducerer transformatorens induktans dette noget. Der er dog stadig en stor potentiel strømstigning ved tænding.

Den gode nyhed er, at moderne siliciumensrettere ofte har enorme overspændingsstrømkapaciteter. Standard 1N400x-familien af ​​dioder er normalt specificeret med 30 ampere overspændingsstrøm. Med et brokredsløb er der to dioder, der bærer dette, så i værste fald er 21 ampere hver, hvilket er under specifikationen på 30 ampere (forudsat lige strømdeling, hvilket ikke altid er tilfældet). Dette er et ekstremt eksempel. Generelt bruges en faktor på omkring 10 i stedet for 21.

Ikke desto mindre er denne strømstigning ikke noget, der skal ignoreres. At bruge et par øre mere på at bruge en tre-amp bro i stedet for en en-amp bro kan være godt givet ud.

PRAKTISK DESIGN

Vi kan nu tage disse regler og principper i brug og begynde at designe en grundlæggende strømforsyning. Vi vil bruge 25.2 volt transformeren som kernen i designet. Figur 6 kan ses som en sammensætning af de foregående figurer, men med praktiske delværdier tilføjet. Et andet pilotlys i den sekundære indikerer dens status. Det viser også, om der er en ladning på kondensatoren. Med så stor en værdi er dette et vigtigt sikkerhedshensyn. (Bemærk, at da dette er et DC-signal, er 1N4004 omvendt spændingsdiode ikke nødvendig.)

FIGUR 6. Endeligt design af strømforsyningen med praktiske delespecifikationer. Regulering af strømmen diskuteres i næste artikel.

---

Det kan være billigere at bruge to mindre kondensatorer parallelt end en stor. Arbejdsspændingen for kondensatoren skal være mindst 63 volt; 50 volt er ikke nok margin til 40 volt peak. En 50 volt enhed giver kun 25% margin. Dette kan være fint for en ikke-kritisk applikation, men hvis kondensatoren fejler her, kan resultaterne være katastrofale. En 63 volt kondensator giver omkring 60% margen, mens en 100 volt enhed giver en margin på 150%. For strømforsyninger er en generel tommelfingerregel mellem 50% og 100% margin for ensrettere og kondensatorer. (Rusningen skal være omkring to volt, som vist.)

Broensretteren skal være i stand til at håndtere den høje indledende strømstød, så det er umagen værd at bruge en ekstra krone eller to for at forbedre pålideligheden. Bemærk at broen er specificeret efter hvad transformeren kan levere frem for hvad strømforsyningen i sidste ende er specificeret til. Dette gøres i tilfælde af, at der er en udgangskortslutning. I et sådant tilfælde vil transformatorens fulde strøm blive ført gennem dioderne. Husk, at strømsvigt er en dårlig ting. Så design det, så det er robust.

KONKLUSION

Detaljer er en vigtig overvejelse ved design af en strømforsyning. At bemærke forskellen mellem RMS-spænding og spidsspænding er afgørende for at bestemme de korrekte arbejdsspændinger for forsyningen. Derudover er den indledende overspændingsstrøm noget, der ikke kan ignoreres.

I del 2 afslutter vi dette projekt ved at tilføje en tre-terminal regulator. Vi designer en generel, strømbegrænset, justerbar spændingsstrømforsyning med fjernafbrydelse. Derudover kan principperne, der anvendes til dette design, anvendes på ethvert strømforsyningsdesign. 

Læg en besked 

Message List