GRUNNLEGGENDE ANALOG STRØMFORSYNING DESIGN

Det er det gamle ordtaket: "Du kan gi en mann en fisk, og han vil spise for en dag, eller du kan lære en mann å fiske, og han vil spise for alltid." Det er mange artikler som gir leseren et spesifikt design for å bygge en strømforsyning, og det er ingenting galt med disse kokebokdesignene. De har ofte veldig gode prestasjoner. Imidlertid lærer de ikke leserne hvordan de skal designe en strømforsyning på egen hånd. Denne todelte artikkelen vil starte fra begynnelsen og forklare hvert trinn som er nødvendig for å bygge en grunnleggende analog strømforsyning. Designet vil fokusere på den allestedsnærværende tre-terminale regulatoren og inkludere en rekke forbedringer til den grunnleggende designen.

Det er alltid viktig å huske at strømforsyningen – enten for et bestemt produkt eller som et generelt testutstyr – har potensial til å elektrokutte brukeren, starte en brann eller ødelegge enheten den driver. Det er klart at dette ikke er gode ting. Av den grunn er det viktig å nærme seg dette designet konservativt. Gi rikelig med margin for komponenter. En godt designet strømforsyning er en som aldri blir lagt merke til.

KONVERTERING AV INGANGS STRØM

Figur 1 viser den grunnleggende designen for en typisk analog strømforsyning. Den består av tre hovedkomponenter: konvertering av inngangseffekt og kondisjonering; utbedring og filtrering; og regulering. Inngangseffektkonverteringen er vanligvis en krafttransformator og er den eneste metoden som vurderes her. Det er imidlertid et par punkter som er viktige å nevne.

FIGUR 1. En grunnleggende analog strømforsyning består av tre deler. De to første diskuteres i denne artikkelen og den siste i neste avdrag.

---

Den første er at 117 VAC (Volts Alternating Current) egentlig er en RMS (Root Mean Square) måling. (Merk at jeg har sett vanlig husholdningsstrøm spesifisert alt fra 110 VAC til 125 VAC. Jeg målte nettopp min og fant ut at den var nøyaktig 120.0 VAC.) En RMS-måling av en sinusbølge er mye lavere enn den faktiske toppspenningen og representerer den tilsvarende DC (Direct Current) spenningen som er nødvendig for å gi samme effekt.

RMS-konverteringen varierer i henhold til bølgeformen; for en sinusbølge er verdien 1.414. Dette betyr at avviket rundt null volt faktisk er 169.7 volt (for min 120 VAC strøm). Strømmen går fra -169.7 volt til +169.7 volt hver syklus. Derfor er topp-til-topp spenningen faktisk 339.4 volt!

Denne spenningen blir spesielt viktig når du legger til bypass-kondensatorer til hovedkraftledningene for å undertrykke støy fra å komme inn eller ut av strømforsyningen (en vanlig situasjon). Hvis du tror den faktiske spenningen er 120 volt, kan du bruke 150 volt kondensatorer. Som du ser er dette ikke riktig. Den absolutte minste sikre arbeidsspenningen for kondensatorene dine er 200 volt (250 volt er bedre). Ikke glem at hvis du forventer å se støy/spiker på linjen, må du legge til den støyen/spikespenningen til toppspenningen.

Inngangsfrekvensen er universelt 60 Hz i USA. I Europa er 50 Hz vanlig. Transformatorer vurdert for 60 Hz vil generelt fungere godt på 50 Hz og omvendt. I tillegg er frekvensstabiliteten til kraftledningen vanligvis utmerket og sjelden en vurdering. Noen ganger kan du finne 400 Hz transformatorer tilgjengelig. Disse er vanligvis militære eller luftfartsutstyr og er generelt ikke egnet for bruk på 50/60 Hz strøm (eller omvendt).

Utgangen til transformatoren er også spesifisert som en RMS-spenning. I tillegg er den spesifiserte spenningen minimumsspenningen som forventes under full belastning. Ofte er det omtrent 10 % økning i nominell effekt uten belastning. (Min 25.2 volt/to-ampere transformator måler 28.6 volt uten last.) Dette betyr at den faktiske tomgangs-/toppspenningen for min 25.2 volt transformator er 40.4 volt! Som du kan se, er det alltid viktig å huske at de nominelle RMS-spenningene for vekselstrøm er vesentlig mindre enn de faktiske toppspenningene.

Figur 2 gir en typisk inngangseffektkonvertering og kondisjoneringsdesign. Jeg foretrekker å bruke en dobbeltpolet bryter selv om det ikke er absolutt nødvendig. Den beskytter mot feilkoblede stikkontakter (som er sjelden i dag) eller feilkoblede strømledninger i selve strømforsyningen (mye mer vanlig). Det er viktig at når strømbryteren er av, kobles den varme ledningen fra strømforsyningen.

FIGUR 2. Inngangskondisjoneringen er ganske grunnleggende, men det må huskes at RMS-spenningen ikke er den samme som toppspenningen. Toppspenningen på 120 VAC RMS er omtrent 170 volt.

---

Sikringen (eller strømbryteren) er nødvendig. Hovedformålet er å forhindre branner, fordi uten den vil en transformator eller en primærkretskort tillate massive strømmer å flyte, noe som får metalldeler til å bli røde eller til og med hvitvarme. Det er vanligvis en sakteslagstype vurdert til 250 volt. Den nåværende vurderingen bør være omtrent det dobbelte av hva transformatoren kan forvente å trekke.

For eksempel vil 25.2 volts to-ampere transformator nevnt ovenfor trekke omtrent 0.42 ampere med primærstrøm (25.2 volt/120 volt x to ampere). Så en én amp sikring er rimelig. En sikring i sekundæren vil bli diskutert i neste artikkel.

Bypass-kondensatorene hjelper til med å filtrere ut støy og er valgfrie. Siden toppspenningen er omtrent 170 volt, er en 250 volt vurdering bedre enn en marginal på 200 volt. Det kan være lurt å bruke et "strøminngangsfilter." Det finnes mange typer av disse enhetene. Noen inneholder en standard strømkontakt, bryter, sikringsholder og filter i en liten pakke. Andre har kanskje bare noen av disse komponentene. Vanligvis er de med alt ganske dyre, men overskuddsenheter kan vanligvis finnes til svært rimelige priser.

Å kunne avgjøre om primærkretsen er drevet er viktig, så et pilotlys brukes. To typiske kretser er vist. Neonlampen har vært brukt i flere tiår. Det er enkelt og rimelig. Den har ulempene at den er noe skjør (laget av glass); kan flimre hvis motstanden er for stor; og kan faktisk generere noe elektrisk støy (på grunn av den plutselige ioniske nedbrytningen av neongassen).

LED-kretsen krever også en strømbegrensende motstand. Ved 10,000 12 hms leveres omtrent 20 mA strøm. De fleste lysdioder er klassifisert for en maksimal strøm på 12 mA, så 1 mA er rimelig. (Høyeffektive LED-er kan fungere tilfredsstillende med bare 2 eller XNUMX mA, slik at motstanden kan økes etter behov.)

Legg merke til at lysdioder har veldig dårlige reverseringsspenninger (vanligvis 10 til 20 volt). Av den grunn er en andre diode nødvendig. Denne må kunne operere med minst 170 volt PIV (Peak Inverse Voltage). Standard 1N4003 er vurdert til 200 PIV som ikke gir mye margin. 1N4004 er vurdert til 400 PIV og koster kanskje en krone mer. Ved å plassere den i serie med LED, er den totale PIV 400 pluss LED PIV.

RETTELSE OG FILTRERING

Figurene 3, 4 og 5 viser de mest typiske likerettingskretsene med utgangsbølgeformen vist ovenfor. (Filterkondensatoren vises ikke fordi ved å legge den til, endres bølgeformen til noe som en likespenning.) Det er nyttig å undersøke disse tre grunnleggende kretsene for å identifisere styrker og svakheter ved dem.

Figur 3 viser den grunnleggende halvbølgelikeretteren. Det eneste forløsende kjennetegn ved dette er at det er veldig enkelt, med kun en enkelt likeretter. Den dårlige funksjonen er at den bruker bare halvparten av strømsyklusen, noe som gjør den teoretiske effektiviteten til kretsen mindre enn 50 % bare for å starte. Ofte er strømforsyninger med halvbølge likeretter bare 30 % effektive. Siden transformatorer er dyre gjenstander, er denne ineffektiviteten svært kostbar. For det andre er bølgeformen svært vanskelig å filtrere. Halvparten av tiden kommer det ingen strøm fra transformatoren. Utjevning av utgangen krever svært høye verdier av kapasitans. Den brukes sjelden til en analog strømforsyning.

FIGUR 3. Halvbølge likeretterkretsen er enkel, men den produserer en dårlig utgangsbølgeform som er svært vanskelig å filtrere. I tillegg er halvparten av transformatorkraften bortkastet. (Merk at filtreringskondensatorene er utelatt for klarhetens skyld fordi de endrer bølgeformen.)

---

En interessant og viktig ting skjer når en filterkondensator legges til en halvbølge likeretterkrets. Den ubelastede spenningsforskjellen dobles. Dette er fordi kondensatoren lagrer energi fra første halvdel (positive del) av syklusen. Når den andre halvdelen inntreffer, holder kondensatoren den positive toppspenningen og den negative toppspenningen tilføres den andre terminalen, noe som forårsaker at en full topp-til-toppspenning sees av kondensatoren og gjennom den dioden. For en 25.2 volt transformator over, kan den faktiske toppspenningen sett av disse komponentene være over 80 volt!

Figur 4 (øverste krets) er et eksempel på en typisk fullbølge/senter-uttak likeretterkrets. Når dette brukes, bør det i de fleste tilfeller sannsynligvis ikke være det. Det gir en fin utgang som er fullstendig utbedret. Dette gjør filtrering relativt enkelt. Den bruker bare to likerettere, så det er ganske rimelig. Imidlertid er den ikke mer effektiv enn halvbølgekretsen presentert ovenfor.

FIGUR 4. Fullbølgedesignet (øverst) gir en fin utgang. Ved å tegne om kretsen (nederst), kan man se at det egentlig bare er to halvbølgelikerettere koblet sammen. Igjen er halve transformatorkraften bortkastet.

---

Dette kan sees ved å tegne kretsen på nytt med to transformatorer (Figur 4 nederst). Når dette er gjort, blir det klart at fullbølgen egentlig bare er to halvbølgekretser koblet sammen. Halvparten av hver transformatorstrømsyklus brukes ikke. Dermed er den maksimale teoretiske effektiviteten 50 % med reelle effektiviteter rundt 30 %.

PIV av kretsen er den ene halvdelen av halvbølgekretsen fordi inngangsspenningen til diodene er halvparten av transformatorutgangen. Midtkranen gir halve spenningen til de to endene av transformatorviklingene. Så, for eksempelet på 25.2 volt transformator, er PIV 35.6 volt pluss tomgangsøkningen som er omtrent 10 % mer.

Figur 5 viser brolikeretterkretsen som generelt bør være førstevalget. Utgangen er fullstendig rettet slik at filtreringen er ganske enkel. Det viktigste er imidlertid at den bruker begge halvdelene av strømsyklusen. Dette er det mest effektive designet og får mest mulig ut av den kostbare transformatoren. Å legge til to dioder er mye rimeligere enn å doble transformatoreffekten (målt i "Volt-Amps" eller VA).

FIGUR 5. Brolikerettertilnærmingen (øverst) gir full utnyttelse av transformatorkraften og med en fullbølgelikeretting. I tillegg, ved å endre jordreferansen (nederst), kan en strømforsyning med dobbel spenning oppnås.

---

Den eneste ulempen med denne designen er at strømmen må passere gjennom to dioder med et resulterende spenningsfall på 1.4 volt i stedet for 0.7 volt for de andre designene. Generelt er dette bare et problem for lavspente strømforsyninger der de ekstra 0.7 volt representerer en betydelig brøkdel av utgangen. (I slike tilfeller brukes vanligvis en byttestrømforsyning i stedet for en av kretsene ovenfor.)

Siden det er to dioder som brukes for hver halvsyklus, blir bare halvparten av transformatorspenningen sett av hver. Dette gjør PIV lik toppinngangsspenningen eller 1.414 ganger transformatorspenningen, som er den samme som fullbølgekretsen ovenfor.

En veldig fin egenskap ved brolikeretteren er at jordreferansen kan endres for å skape en positiv og negativ utgangsspenning. Dette er vist nederst i figur 5.

FILTERER

Nesten all filtrering for en analog strømforsyning kommer fra en filterkondensator. Det er mulig å bruke en induktor i serie med utgangen, men ved 60 Hz må disse induktorene være ganske store og dyre. Noen ganger brukes de til høyspente strømforsyninger der egnede kondensatorer er dyre.

Formelen for beregning av filterkondensatoren (C) er ganske enkel, men du må vite den akseptable topp-til-topp rippelspenningen (V), halvsyklustid (T) og trukket strøm (I). Formelen er C=I*T/V, der C er i mikrofarader, I er i milliampere, T er i millisekunder og V er i volt. Halvsyklustiden for 60 Hz er 8.3 millisekunder (referanse: 1997 Radio Amateur's Handbook).

Det er tydelig fra formelen at filtreringskravene økes for strømforsyninger med høy strøm og/eller lav krusning, men dette er bare sunn fornuft. Et eksempel som er lett å huske er at 3,000 mikrofarad per ampere strøm vil gi omtrent tre volt krusning. Du kan bruke forskjellige forhold fra dette eksemplet for å gi rimelige estimater av hva du trenger ganske raskt.

En viktig faktor er strømmen av strøm ved tenning. Filterkondensatorene fungerer som døde kortslutninger til de blir ladet opp. Jo større kondensatorene er, desto større vil denne bølgen være. Jo større transformatoren er, desto større vil overspenningen være. For de fleste analoge lavspente strømforsyninger (<50 volt) hjelper transformatorviklingsmotstanden noe. Transformatoren på 25.2 volt/to ampere har en målt sekundær motstand på 0.6 ohm. Dette begrenser maksimal innstrømming til 42 ampere. I tillegg reduserer induktansen til transformatoren dette noe. Imidlertid er det fortsatt en stor potensiell strømstigning ved innkobling.

Den gode nyheten er at moderne silisiumlikerettere ofte har enorme overspenningsstrømegenskaper. Standard 1N400x-familien av dioder er vanligvis spesifisert med 30 ampere overspenningsstrøm. Med en brokrets er det to dioder som bærer dette, så i verste fall er 21 ampere hver som er under 30 amperes spesifikasjonen (forutsatt lik strømdeling, noe som ikke alltid er tilfelle). Dette er et ekstremt eksempel. Vanligvis brukes en faktor på omtrent 10, i stedet for 21.

Ikke desto mindre er ikke denne nåværende økningen noe å ignorere. Å bruke noen få øre mer for å bruke en tre-ampere bro i stedet for en en-amp bro kan være vel anvendte penger.

PRAKTISK DESIGN

Vi kan nå ta disse reglene og prinsippene i bruk og begynne å designe en grunnleggende strømforsyning. Vi vil bruke 25.2 volts transformator som kjernen i designet. Figur 6 kan sees som en sammensetning av de foregående figurene, men med praktiske delverdier lagt til. En annen kontrollampe i sekundæren indikerer statusen. Den viser også om det er en ladning på kondensatoren. Med en så stor verdi er dette et viktig sikkerhetshensyn. (Merk at siden dette er et DC-signal, er 1N4004 reversspenningsdiode ikke nødvendig.)

FIGUR 6. Endelig utforming av strømforsyningen med praktiske delespesifikasjoner. Regulering av kraften diskuteres i neste artikkel.

---

Det kan være billigere å bruke to mindre kondensatorer parallelt enn én stor. Arbeidsspenningen for kondensatoren må være minst 63 volt; 50 volt er ikke nok margin for 40 volt-toppen. En 50 volt enhet gir kun 25 % margin. Dette kan være greit for en ikke-kritisk applikasjon, men hvis kondensatoren svikter her, kan resultatene bli katastrofale. En 63 volt kondensator gir omtrent 60 % margin mens en 100 volt enhet gir 150 % margin. For strømforsyninger er en generell tommelfingerregel mellom 50 % og 100 % margin for likerettere og kondensatorer. (Rusningen skal være omtrent to volt, som vist.)

Brolikeretteren må være i stand til å håndtere den høye innledende strømstøtet, så det er verdt å bruke en ekstra krone eller to for forbedret pålitelighet. Merk at broen er spesifisert av hva transformatoren kan levere fremfor hva strømforsyningen til slutt er spesifisert for. Dette gjøres i tilfelle det er en kortslutning. I et slikt tilfelle vil transformatorens fulle strøm gå gjennom diodene. Husk at strømbrudd er en dårlig ting. Så design den for å være robust.

KONKLUSJON

Detaljer er en viktig faktor ved utforming av en strømforsyning. Å merke seg forskjellen mellom RMS-spenning og toppspenning er avgjørende for å bestemme riktig arbeidsspenning for forsyningen. I tillegg er den første overspenningsstrømmen noe som ikke kan ignoreres.

I del 2 vil vi fullføre dette prosjektet ved å legge til en tre-terminal regulator. Vi vil designe en generell, strømbegrenset, justerbar spenningsforsyning med fjernavstengning. I tillegg kan prinsippene som brukes for denne designen brukes på alle strømforsyningsdesign. 

Legg igjen en beskjed 

Meldingsliste