PERUSANALOGINEN VIRTALÄHTÖ

Vanha sanonta kuuluu: "Voit antaa miehelle kalan ja hän syö yhden päivän tai voit opettaa miehen kalastamaan ja hän syö ikuisesti." On monia artikkeleita, jotka antavat lukijalle erityisen suunnittelun virtalähteen rakentamiseen, eikä näissä keittokirjamalleissa ole mitään vikaa. Heillä on usein erittäin hyvä suorituskyky. He eivät kuitenkaan opeta lukijoita suunnittelemaan virtalähdettä itse. Tämä kaksiosainen artikkeli alkaa alusta ja selittää kaikki vaiheet, joita tarvitaan analogisen perusvirtalähteen rakentamiseen. Suunnittelussa keskitytään kaikkialla läsnä olevaan kolmen terminaalin säätimeen, ja se sisältää useita parannuksia perussuunnitteluun.

On aina tärkeää muistaa, että virtalähde – joko tietylle tuotteelle tai yleisenä testauslaitteena – voi aiheuttaa sähköiskun käyttäjälle, sytyttää tulipalon tai tuhota sen virtalähteen saaneen laitteen. On selvää, että nämä eivät ole hyviä asioita. Tästä syystä on tärkeää lähestyä tätä mallia konservatiivisesti. Jätä runsaasti marginaalia komponenteille. Hyvin suunniteltu virtalähde on sellainen, jota ei koskaan huomaa.

TULOTEHDON MUUNTO

Kuvassa 1 on esitetty tyypillisen analogisen virtalähteen perusrakenne. Se koostuu kolmesta pääkomponentista: syöttötehon muunnos ja ilmastointi; oikaisu ja suodatus; ja sääntely. Tulotehomuunnos on tyypillisesti tehomuuntaja ja se on ainoa tässä tarkasteltava menetelmä. On kuitenkin pari asiaa, jotka on tärkeää mainita.

KUVA 1. Analoginen perusvirtalähde koostuu kolmesta osasta. Kaksi ensimmäistä käsitellään tässä artikkelissa ja viimeinen seuraavassa osassa.

---

Ensimmäinen on, että 117 VAC (Volts Alternating Current) on todella RMS (Root Mean Square) -mitta. (Huomaa, että olen nähnyt tavallista kotitalouksien tehoa määritellyksi missä tahansa välillä 110 VAC - 125 VAC. Mittasin juuri omani ja huomasin sen olevan täsmälleen 120.0 VAC.) Siniaallon RMS-mitta on paljon pienempi kuin todellinen huippujännite ja edustaa vastaava DC (Direct Current) -jännite, joka tarvitaan saman tehon tuottamiseen.

RMS-muunnos vaihtelee aallon muodon mukaan; siniaallon arvo on 1.414. Tämä tarkoittaa, että poikkeama nolla voltin ympärillä on itse asiassa 169.7 volttia (minun 120 VAC tehollani). Teho vaihtelee -169.7 voltista +169.7 volttiin joka jakso. Siksi huipusta huippuun -jännite on itse asiassa 339.4 volttia!

Tästä jännitteestä tulee erityisen tärkeä, kun päävirtalinjoihin lisätään ohituskondensaattoreita vaimentamaan virransyöttöön tai sieltä poistuvaa melua (yleinen tilanne). Jos uskot, että todellinen jännite on 120 volttia, voit käyttää 150 voltin kondensaattoreita. Kuten näet, tämä ei ole oikein. Kondensaattorien absoluuttinen turvallinen käyttöjännite on 200 volttia (250 volttia on parempi). Älä unohda, että jos odotat näkeväsi kohinaa/piikkejä linjalla, sinun on lisättävä tämä kohina/piikkijännite huippujännitteeseen.

Tulotaajuus on yleisesti 60 Hz Yhdysvalloissa. Euroopassa 50 Hz on yleinen. 60 Hz:lle mitoitettu muuntaja toimii yleensä hyvin 50 Hz:llä ja päinvastoin. Lisäksi voimalinjan taajuuden vakaus on yleensä erinomainen ja harvoin huomioitava. Joskus saatat löytää 400 Hz muuntajia saatavilla. Nämä ovat tyypillisesti sotilas- tai ilmailulaitteita, eivätkä ne yleensä sovellu käytettäväksi 50/60 Hz teholla (tai päinvastoin).

Muuntajan lähtö on myös määritelty RMS-jännitteeksi. Lisäksi määritetty jännite on minimijännite, jota odotetaan täydellä kuormituksella. Usein nimellisteho kasvaa noin 10 % tyhjäkäynnillä. (25.2 voltin/kahden ampeerin muuntajani on 28.6 volttia ilman kuormaa.) Tämä tarkoittaa, että 25.2 voltin muuntajani todellinen tyhjäkäynti/huippulähtöjännite on 40.4 volttia! Kuten näet, on aina tärkeää muistaa, että vaihtovirran nimelliset RMS-jännitteet ovat huomattavasti pienempiä kuin todelliset huippujännitteet.

Kuva 2 esittää tyypillisen syöttötehon muunnos- ja säätömallin. Käytän mieluummin kaksinapaista kytkintä, vaikka se ei ole ehdottoman välttämätöntä. Se suojaa väärin kytketyiltä pistorasioilta (mikä on nykyään harvinaista) tai itse virtalähteen vääristyneiltä virtajohdoilta (paljon yleisempää). On erittäin tärkeää, että kun virtakytkin on pois päältä, kuuma johto irrotetaan virtalähteestä.

KUVA 2. Tulon säätö on melko yksinkertainen, mutta on muistettava, että RMS-jännite ei ole sama kuin huippujännite. 120 VAC RMS:n huippujännite on noin 170 volttia.

---

Sulake (tai katkaisija) on välttämätön. Sen päätarkoitus on estää tulipalot, koska ilman sitä muuntajan tai ensiöpiirin oikosulku päästää valtavia virtoja, jolloin metalliosat kuumenevat punaisiksi tai jopa valkoisiksi. Se on yleensä hidaspuhallustyyppi, jonka nimellisjännite on 250 volttia. Nykyisen arvosanan tulisi olla noin kaksinkertainen verrattuna siihen, mitä muuntaja voi odottaa.

Esimerkiksi edellä mainittu 25.2 voltin kahden ampeerin muuntaja ottaa noin 0.42 ampeeria ensiövirtaa (25.2 volttia/120 volttia x kaksi ampeeria). Eli yhden ampeerin sulake on järkevä. Toissijaisessa sulakkeessa käsitellään seuraavassa artikkelissa.

Ohituskondensaattorit auttavat suodattamaan melua ja ovat valinnaisia. Koska huippujännite on noin 170 volttia, 250 voltin arvo on parempi kuin marginaalinen 200 voltin arvo. Voit halutessasi käyttää "virransyöttösuodatinta". Näitä yksiköitä on monenlaisia. Jotkut sisältävät tavallisen virtaliittimen, kytkimen, sulakkeenpitimen ja suodattimen yhdessä pienessä pakkauksessa. Toisissa saattaa olla vain osa näistä komponenteista. Tyypillisesti ne, joissa on kaikki, ovat melko kalliita, mutta ylimääräiset yksiköt löytyvät yleensä erittäin kohtuulliseen hintaan.

On tärkeää pystyä määrittämään, onko ensiöpiirissä virtaa, joten merkkivaloa käytetään. Kaksi tyypillistä piiriä esitetään. Neonlamppua on käytetty vuosikymmeniä. Se on yksinkertainen ja edullinen. Sillä on haittoja, että se on jokseenkin hauras (valmistettu lasista); voi välkkyä, jos vastus on liian suuri; ja voi itse asiassa tuottaa sähköistä kohinaa (johtuen äkillisestä neonkaasun ionien hajoamisesta).

LED-piiri vaatii myös virtaa rajoittavan vastuksen. 10,000 12 hms:lla saadaan noin 20 mA virtaa. Useimmat LEDit on mitoitettu maksimivirralle 12 mA, joten 1 mA on kohtuullinen. (Tehokkaat LEDit voivat toimia tyydyttävästi vain 2 tai XNUMX mA:lla, joten vastusta voidaan suurentaa tarpeen mukaan.)

Huomaa, että LEDeillä on todella huonot käänteisläpijännitteet (tyypillisesti 10-20 volttia). Tästä syystä tarvitaan toinen diodi. Tämän on kyettävä toimimaan vähintään 170 voltin PIV-jännitteellä (Peak Inverse Voltage). Standardin 1N4003:n arvo on 200 PIV, mikä ei tarjoa paljon marginaalia. 1N4004:n luokitus on 400 PIV ja se maksaa ehkä penniäkään enemmän. Kun se asetetaan sarjaan LEDin kanssa, yleinen PIV on 400 plus LED PIV.

OIKEUS JA SUODATUS

Kuvat 3, 4 ja 5 esittävät tyypillisimpiä tasasuuntauspiirejä, joiden lähtöaaltomuoto on esitetty yllä. (Suodatinkondensaattoria ei näytetä, koska sen lisäämisellä aaltomuoto muuttuu DC-jännitteen kaltaiseksi.) Näitä kolmea peruspiiriä kannattaa tutkia niiden vahvuuksien ja heikkouksien tunnistamiseksi.

Kuvassa 3 on peruspuoliaaltotasasuuntaaja. Ainoa lunastava ominaisuus tässä on, että se on hyvin yksinkertainen, ja siinä käytetään vain yhtä tasasuuntaajaa. Huono ominaisuus on, että se käyttää vain puolet tehojaksosta, mikä tekee piirin teoreettisesta hyötysuhteesta alle 50% vain käynnistykseen. Usein puoliaaltotasasuuntaajien teholähteet ovat vain 30 % tehokkaita. Koska muuntajat ovat kalliita kohteita, tämä tehottomuus on erittäin kallista. Toiseksi aallon muotoa on erittäin vaikea suodattaa. Puolet ajasta muuntajasta ei tule virtaa ollenkaan. Lähdön tasoitus vaatii erittäin suuria kapasitanssiarvoja. Sitä käytetään harvoin analogisena virtalähteenä.

KUVA 3. Puoliaallon tasasuuntaajapiiri on yksinkertainen, mutta se tuottaa huonon lähtöaaltomuodon, jota on erittäin vaikea suodattaa. Lisäksi puolet muuntajan tehosta menee hukkaan. (Huomaa, että suodatuskondensaattorit on jätetty pois selvyyden vuoksi, koska ne muuttavat aaltomuotoa.)

---

Mielenkiintoinen ja tärkeä asia tapahtuu, kun puoliaaltotasasuuntaajapiiriin lisätään suodatinkondensaattori. Tyhjäjännite-ero kaksinkertaistuu. Tämä johtuu siitä, että kondensaattori varastoi energiaa syklin ensimmäisestä puoliskosta (positiivisesta osasta). Kun toinen puolisko tapahtuu, kondensaattori pitää yllä positiivista huippujännitettä ja negatiivinen huippujännite syötetään toiseen napaan, jolloin kondensaattori ja sitä kautta diodi näkevät täyden huipusta huippuun -jännitteen. Siten yllä olevan 25.2 voltin muuntajan todellinen huippujännite, jonka nämä komponentit näkevät, voi olla yli 80 volttia!

Kuva 4 (yläpiiri) on esimerkki tyypillisestä täysaalto/keskitavoin tasasuuntaajapiiristä. Kun tätä käytetään, useimmissa tapauksissa sen ei pitäisi olla. Se tarjoaa mukavan tulosteen, joka on täysin korjattu. Tämä tekee suodattamisesta suhteellisen helppoa. Se käyttää vain kahta tasasuuntaajaa, joten se on melko edullinen. Se ei kuitenkaan ole tehokkaampi kuin yllä esitetty puoliaaltopiiri.

KUVA 4. Täysaaltorakenne (yläosa) tuottaa mukavan tuloksen. Piirrellä uudelleen (alhaalla) voidaan nähdä, että kyseessä on oikeastaan ​​vain kaksi puoliaaltotasasuuntaajaa, jotka on kytketty toisiinsa. Jälleen puolet muuntajan tehosta menee hukkaan.

---

Tämä voidaan nähdä piirtämällä piiri uudelleen kahdella muuntajalla (kuva 4 alhaalla). Kun tämä on tehty, käy selväksi, että täysi aalto on oikeastaan ​​vain kaksi puoliaaltopiiriä, jotka on yhdistetty toisiinsa. Puolet kustakin muuntajan tehojaksosta ei käytetä. Näin ollen suurin teoreettinen hyötysuhde on 50 % ja todelliset hyötysuhteet noin 30 %.

Piirin PIV on puolet puoliaaltopiiristä, koska diodien tulojännite on puolet muuntajan lähdöstä. Keskihana antaa puolet jännitteestä muuntajan käämien molempiin päihin. Joten 25.2 voltin muuntajaesimerkissä PIV on 35.6 volttia plus tyhjäkäynnin lisäys, joka on noin 10 % enemmän.

Kuvassa 5 on esitetty siltatasasuuntaajapiiri, jonka tulisi yleensä olla ensimmäinen valinta. Lähtö on täysin tasasuuntautunut, joten suodatus on melko helppoa. Tärkeintä kuitenkin on, että se käyttää tehosyklin molempia puolia. Tämä on tehokkain rakenne ja saa kaiken irti kalliista muuntajasta. Kahden diodin lisääminen on paljon halvempaa kuin muuntajan tehon kaksinkertaistaminen (mitattu "volttiampeereilla" tai VA).

KUVA 5. Siltatasasuuntaajan lähestymistapa (ylhäällä) mahdollistaa muuntajan tehon täyden käytön ja täysaaltotasasuuntauksen. Lisäksi muuttamalla maadoitusreferenssiä (alhaalla) voidaan saada kaksoisjännitevirtalähde.

---

Ainoa haittapuoli tässä mallissa on, että tehon täytyy kulkea kahden diodin läpi, jolloin jännitehäviö on 1.4 volttia muiden mallien 0.7 voltin sijaan. Yleensä tämä koskee vain pienjännitevirtalähteitä, joissa ylimääräinen 0.7 volttia edustaa huomattavaa osaa lähdöstä. (Tällaisissa tapauksissa käytetään yleensä hakkuriteholähdettä kummankaan edellä mainitun piirin sijaan.)

Koska jokaisessa puolijaksossa käytetään kahta diodia, kukin näkee vain puolet muuntajan jännitteestä. Tämä tekee PIV:stä yhtä suuren kuin huipputulojännite tai 1.414 kertaa muuntajan jännite, joka on sama kuin yllä oleva täysaaltopiiri.

Siltatasasuuntaajan erittäin mukava ominaisuus on, että maadoitusreferenssiä voidaan muuttaa positiivisen ja negatiivisen lähtöjännitteen luomiseksi. Tämä näkyy kuvan 5 alaosassa.

SUODATTAMINEN

Lähes kaikki analogisen virtalähteen suodatus tulee suodatinkondensaattorista. On mahdollista käyttää induktoria sarjassa lähdön kanssa, mutta 60 Hz:llä näiden kelojen on oltava melko suuria ja kalliita. Toisinaan niitä käytetään suurjännitevirtalähteissä, joissa sopivat kondensaattorit ovat kalliita.

Suodatinkondensaattorin (C) laskentakaava on melko yksinkertainen, mutta sinun on tiedettävä hyväksyttävä huipusta huippuun aaltoilujännite (V), puolijaksoaika (T) ja otettu virta (I). Kaava on C=I*T/V, jossa C on mikrofaradeina, I on milliampeereina, T on millisekunteina ja V on voltteina. Puolijaksoaika 60 Hz:lle on 8.3 millisekuntia (viite: 1997 Radioamatöörin käsikirja).

Kaavasta käy selvästi ilmi, että suodatusvaatimukset ovat korkeammat korkeavirta- ja/tai matalaaaltoisille virtalähteille, mutta tämä on vain maalaisjärkeä. Helposti muistettava esimerkki on, että 3,000 XNUMX mikrofaradia ampeeria kohti tuottaa noin kolme volttia aaltoilua. Voit käyttää erilaisia ​​suhteita tästä esimerkistä saadaksesi kohtuullisia arvioita tarvitsemastasi melko nopeasti.

Yksi tärkeä näkökohta on virran aalto käynnistettäessä. Suodatinkondensaattorit toimivat oikosulkuina, kunnes ne latautuvat. Mitä suuremmat kondensaattorit ovat, sitä suurempi tämä ylijännite on. Mitä suurempi muuntaja, sitä suurempi on ylijännite. Useimmille matalajännitteisille analogisille teholähteille (<50 volttia) muuntajan käämin vastus auttaa jonkin verran. 25.2 voltin/kaksi ampeerin muuntajan mitattu toisioresistanssi on 0.6 ohmia. Tämä rajoittaa enimmäissyötön 42 ampeeriin. Lisäksi muuntajan induktanssi pienentää tätä jonkin verran. Käynnistyksen yhteydessä on kuitenkin edelleen suuri mahdollinen virtapiikki.

Hyvä uutinen on, että nykyaikaisilla piitasasuuntaajilla on usein valtavat ylijänniteominaisuudet. Tavallinen 1N400x-diodiperhe on yleensä määritelty 30 ampeerin ylijännitevirralla. Siltapiirissä on kaksi diodia, jotka kuljettavat tätä, joten pahin tapaus on 21 ampeeria, joka on alle 30 ampeerin spesifikaation (olettaen, että virta jakautuu tasaisesti, mikä ei aina pidä paikkaansa). Tämä on äärimmäinen esimerkki. Yleensä käytetään kerrointa noin 10 21:n sijaan.

Tätä nykyistä nousua ei kuitenkaan kannata jättää huomiotta. Muutaman sentin enemmän käyttäminen kolmen ampeerin sillan käyttämiseen yhden ampeerin sillan sijaan voi olla hyvin käytettyä rahaa.

KÄYTÄNNÖN SUUNNITTELU

Voimme nyt ottaa nämä säännöt ja periaatteet käyttöön ja alkaa suunnitella perusvirtalähdettä. Käytämme suunnittelun ytimenä 25.2 voltin muuntajaa. Kuvaa 6 voidaan pitää yhdistelmänä edellisistä kuvista, mutta käytännön osien arvot lisättynä. Toinen merkkivalo toissijaisessa osoittaa sen tilan. Se näyttää myös, onko kondensaattorissa varausta. Näin suurella arvolla tämä on tärkeä turvallisuusnäkökohta. (Huomaa, että koska tämä on DC-signaali, 1N4004-käänteisjännitediodia ei tarvita.)

KUVA 6. Virtalähteen lopullinen suunnittelu käytännön osien spesifikaatioineen. Tehon säätelyä käsitellään seuraavassa artikkelissa.

---

Voi olla halvempaa käyttää kahta pienempää kondensaattoria rinnakkain kuin yhtä suurta. Kondensaattorin käyttöjännitteen on oltava vähintään 63 volttia; 50 volttia ei riitä 40 voltin huipulle. 50 voltin yksikkö tarjoaa vain 25 % marginaalin. Tämä voi olla hyvä ei-kriittisissä sovelluksissa, mutta jos kondensaattori epäonnistuu tässä, tulokset voivat olla katastrofaalisia. 63 voltin kondensaattori tarjoaa noin 60 % marginaalin, kun taas 100 voltin laite antaa 150 % marginaalin. Teholähteiden osalta yleinen peukalosääntö on 50 % ja 100 % välillä tasasuuntaajien ja kondensaattoreiden marginaali. (Aaltoilun tulee olla noin kaksi volttia, kuten kuvassa.)

Siltatasasuuntaajan on kyettävä käsittelemään korkea alkuvirtapiikki, joten parin ylimääräisen sentin käyttäminen luotettavuuden parantamiseksi kannattaa. Huomaa, että silta määräytyy sen mukaan, mitä muuntaja voi syöttää, eikä sen mukaan, mitä teholähde on lopulta määritetty. Tämä tehdään, jos ulostulossa on oikosulku. Siinä tapauksessa muuntajan koko virta johdetaan diodien läpi. Muista, että virtalähteen vika on huono asia. Suunnittele se siis kestäväksi.

PÄÄTELMÄ

Yksityiskohdat ovat tärkeä näkökohta virtalähdettä suunniteltaessa. RMS-jännitteen ja huippujännitteen välisen eron huomioiminen on ratkaisevan tärkeää määritettäessä oikeat käyttöjännitteet syöttöä varten. Lisäksi alkuperäistä aaltovirtaa ei voida jättää huomiotta.

Osassa 2 viimeistelemme tämän projektin lisäämällä kolmen terminaalin säätimen. Suunnittelemme yleiskäyttöisen, virtarajoitetun, säädettävän jännitteisen virtalähteen, jossa on kaukosammutus. Lisäksi tässä suunnittelussa käytettyjä periaatteita voidaan soveltaa mihin tahansa virtalähdemalliin. 

Jätä viesti 

viestiluettelo