ANALOGTOITE PÕHILINE DISAIN

Seal on vana ütlus: "Võid anda mehele kala ja ta sööb ühe päeva või õpetada meest kala püüdma ja ta sööb igavesti." On palju artikleid, mis annavad lugejale konkreetse kujunduse toiteploki ehitamiseks ja nendel kokaraamatute kujundustel pole midagi halba. Sageli on neil väga hea jõudlus. Kuid nad ei õpeta lugejatele, kuidas toiteallikat ise kujundada. See kaheosaline artikkel algab algusest ja selgitab kõiki põhilise analoogtoiteallika ehitamiseks vajalikke samme. Disain keskendub üldlevinud kolme terminaliga regulaatorile ja sisaldab mitmeid põhidisaini täiustusi.

Alati on oluline meeles pidada, et toiteallikas – kas konkreetse toote või üldise katseseadmena – võib anda kasutajale elektrilöögi, põhjustada tulekahju või hävitada toiteallika. Ilmselgelt pole need head asjad. Sel põhjusel on oluline läheneda sellele disainile konservatiivselt. Jätke komponentidele piisavalt varu. Hästi läbimõeldud toiteplokk on selline, mida kunagi ei märgata.

SISENDVÕIME MUUNDAMINE

Joonis 1 näitab tüüpilise analoogtoiteallika põhikonstruktsiooni. See koosneb kolmest põhikomponendist: sisendvõimsuse muundamine ja konditsioneerimine; rektifikatsioon ja filtreerimine; ja reguleerimine. Sisendvõimsuse muundamine on tavaliselt toitetrafo ja see on ainus siin käsitletav meetod. Siiski on paar punkti, mida on oluline mainida.

JOONIS 1. Põhiline analoogtoiteallikas koosneb kolmest osast. Kahte esimest käsitletakse selles artiklis ja viimast järgmises osas.

---

Esimene on see, et 117 VAC (voltide vahelduvvool) on tegelikult RMS (keskmise ruutkeskmise) mõõt. (Pange tähele, et ma olen näinud tavalist majapidamisvõimsust vahemikus 110 VAC kuni 125 VAC. Mõõtsin just enda oma ja leidsin, et see on täpselt 120.0 VAC.) Siinuslaine RMS on palju madalam tegelikust tipppingest ja vastab sama võimsuse tagamiseks vajalik samaväärne alalisvool (alalisvool).

he RMS teisendus varieerub vastavalt lainekujule; siinuslaine puhul on väärtus 1.414. See tähendab, et hälve nullvoldi ümber on tegelikult 169.7 volti (minu 120 V vahelduvvoolu võimsuse puhul). Toide muutub iga tsükliga -169.7 voltilt +169.7 voltini. Seetõttu on tipust tipuni pinge tegelikult 339.4 volti!

See pinge muutub eriti oluliseks siis, kui lisatakse elektri põhiliinidele möödaviigukondensaatorid, et summutada müra toiteallikasse sisenemisel või sealt väljumisel (tavaline olukord). Kui arvate, et tegelik pinge on 120 volti, võite kasutada 150 volti kondensaatoreid. Nagu näete, pole see õige. Teie kondensaatorite absoluutne minimaalne ohutu tööpinge on 200 volti (250 volti on parem). Ärge unustage, et kui ootate liinil müra/piike, peate lisama selle müra/piike pinge tipppingele.

Sisendsagedus on USA-s üldiselt 60 Hz. Euroopas on levinud 50 Hz. 60 Hz sagedusega trafod töötavad üldiselt hästi sagedusel 50 Hz ja vastupidi. Lisaks on elektriliini sagedusstabiilsus tavaliselt suurepärane ja seda harva kaalutakse. Mõnikord võite leida 400 Hz trafosid. Need on tavaliselt sõjalised või lennundusseadmed ja üldiselt ei sobi kasutamiseks 50/60 Hz võimsusel (või vastupidi).

Trafo väljund on määratud ka RMS pingena. Lisaks on määratud pinge minimaalne täiskoormusel oodatav pinge. Tihti on tühikoormuse korral nimivõimsus umbes 10% suurem. (Minu 25.2 V/kaheamprise trafo mõõdab koormuseta 28.6 volti.) See tähendab, et minu 25.2 V trafo tegelik tühi-/tippväljundpinge on 40.4 volti! Nagu näete, on alati oluline meeles pidada, et vahelduvvoolu RMS-i nimipinged on oluliselt väiksemad tegelikest tipppingetest.

Joonisel 2 on toodud tüüpiline sisendvõimsuse muundamise ja konditsioneerimise kujundus. Eelistan kasutada kahepooluselist lülitit, kuigi see pole absoluutselt vajalik. See kaitseb valesti ühendatud pistikupesade eest (mis on tänapäeval haruldane) või valesti ühendatud toitejuhtmete eest toiteallikas endas (palju tavalisem). On oluline, et kui toitelüliti on välja lülitatud, oleks kuum juhe toiteallikast lahti ühendatud.

JOONIS 2. Sisendtingimus on üsna lihtne, kuid tuleb meeles pidada, et RMS-pinge ei ole sama, mis tipppinge. 120 VAC RMS tipppinge on umbes 170 volti.

---

Kaitsme (või kaitselüliti) on vajalik. Selle peamine eesmärk on ära hoida tulekahjusid, sest ilma selleta laseb trafo või primaarahela lühis tohutul voolul voolata, mille tagajärjel muutuvad metallosad punaseks või isegi valgeks kuumaks. Tavaliselt on see aeglase puhumise tüüp, mille pinge on 250 volti. Praegune reiting peaks olema umbes kahekordne sellest, mida trafo võib oodata.

Näiteks ülalmainitud 25.2-voldine kaheamprine trafo võtab primaarvoolu umbes 0.42 amprit (25.2 volti / 120 volti x kaks amprit). Nii et ühe amprise kaitse on mõistlik. Sekundaarses kaitsmest käsitletakse järgmises artiklis.

Möödaviikkondensaatorid aitavad müra välja filtreerida ja on valikulised. Kuna tipppinge on umbes 170 volti, on 250 volti nimipinge parem kui marginaalne 200 volti. Võib-olla soovite kasutada "toitefiltrit". Neid üksusi on mitut tüüpi. Mõned sisaldavad standardset toitepistikut, lülitit, kaitsmehoidjat ja filtrit ühes väikeses pakendis. Teistel võib olla ainult osa neist komponentidest. Tavaliselt on need, kus kõik on, üsna kallid, kuid üleliigseid ühikuid saab tavaliselt väga soodsate hindadega.

On oluline, et oleks võimalik kindlaks teha, kas primaarahelal on toide, seetõttu kasutatakse märgutuli. Näidatud on kaks tüüpilist vooluringi. Neoonlampi on kasutatud aastakümneid. See on lihtne ja odav. Selle puuduseks on see, et see on mõnevõrra habras (valmistatud klaasist); võib vilkuda, kui takisti on liiga suur; ja võib tegelikult tekitada mõningast elektrilist müra (neoongaasi äkilise ioonide lagunemise tõttu).

LED-ahel vajab ka voolu piiravat takistit. 10,000 12 hms juures antakse umbes 20 mA voolu. Enamiku LED-ide maksimaalne voolutugevus on 12 mA, seega on 1 mA mõistlik. (Kõrge efektiivsusega LED-id võivad rahuldavalt töötada ainult 2 või XNUMX mA-ga, nii et takistit saab vastavalt vajadusele suurendada.)

Pange tähele, et LED-idel on väga kehv vastupidine läbilöögipinge (tavaliselt 10–20 volti). Sel põhjusel on vaja teist dioodi. See peab suutma töötada vähemalt 170 V PIV-ga (Peak Inverse Voltage). Standardne 1N4003 on hinnatud 200 PIV-ga, mis ei anna palju marginaali. 1N4004 on hinnatud 400 PIV-le ja see maksab võib-olla senti rohkem. Asetades selle LED-iga järjestikku, on üldine PIV 400 pluss LED PIV.

REKTIFIKATSIOON JA FILTER

Joonistel 3, 4 ja 5 on näidatud kõige tüüpilisemad alaldusahelad ülaltoodud väljundlainekujuga. (Filtri kondensaatorit ei kuvata, kuna selle lisamisel muutub lainekuju alalispingeks.) Kasulik on uurida neid kolme põhiahelat, et tuvastada nende tugevad ja nõrgad küljed.

Joonisel 3 on kujutatud poollaine põhialaldi. Selle ainus lunastamisomadus on see, et see on väga lihtne, kasutades ainult ühte alaldit. Halb omadus on see, et see kasutab ainult poole võimsustsüklist, muutes vooluahela teoreetilise efektiivsuse alla 50% lihtsalt käivitamiseks. Sageli on poollaine alaldi toiteallikad ainult 30% tõhusad. Kuna trafod on kallid esemed, on see ebatõhusus väga kulukas. Teiseks on lainekuju väga raske filtreerida. Pool ajast ei tule trafost üldse toidet. Väljundi silumiseks on vaja väga suuri mahtuvuse väärtusi. Seda kasutatakse analoogtoiteallika jaoks harva.

JOONIS 3. Poollaine alaldi vooluahel on lihtne, kuid see tekitab halva väljundlainekuju, mida on väga raske filtreerida. Lisaks läheb pool trafo võimsusest raisku. (Pange tähele, et filterkondensaatorid on selguse huvides välja jäetud, kuna need muudavad lainekuju.)

---

Huvitav ja oluline asi juhtub siis, kui poollaine alaldi ahelasse lisatakse filtrikondensaator. Koormuseta pinge erinevus kahekordistub. Seda seetõttu, et kondensaator salvestab energiat tsükli esimesest poolest (positiivsest osast). Kui tekib teine ​​pool, hoiab kondensaator positiivset tipppinget ja negatiivne tipppinge rakendatakse teisele klemmile, mille tulemusena näeb kondensaator ja selle kaudu diood täielikku tipust tipuni pinget. Seega võib ülaltoodud 25.2-voldise trafo puhul nende komponentide tegelik tipppinge olla üle 80 volti!

Joonis 4 (ülemine ahel) on tüüpilise täislaine/keskkraani alaldi vooluringi näide. Kui seda kasutatakse, siis enamikul juhtudel ei tohiks see tõenäoliselt nii olla. See annab kena väljundi, mis on täielikult parandatud. See muudab filtreerimise suhteliselt lihtsaks. See kasutab ainult kahte alaldit, seega on see üsna odav. Kuid see ei ole tõhusam kui ülaltoodud poollaineahel.

JOONIS 4. Täislainekujundus (ülemine) annab kena väljundi. Ahelat ümber joonistades (alt) on näha, et tegelikult on tegemist vaid kahe omavahel ühendatud poollaine alaldiga. Jällegi läheb pool trafo võimsusest raisku.

---

Seda saab näha kahe trafoga ahela uuesti joonistamisel (joonis 4 all). Kui see on tehtud, saab selgeks, et täislaine on tegelikult vaid kaks omavahel ühendatud poollaineahelat. Pool igast trafo võimsustsüklist jääb kasutamata. Seega on maksimaalne teoreetiline kasutegur 50%, tegelik kasuteguriga umbes 30%.

Ahela PIV on poollaineahelast, kuna dioodide sisendpinge on pool trafo väljundist. Keskmine kraan annab poole pingest trafo mähiste kahele otsale. Seega on 25.2-voldise trafo näite puhul PIV 35.6 volti pluss tühikoormuse suurenemine, mis on umbes 10% rohkem.

Joonisel 5 on kujutatud sillaalaldi vooluring, mis peaks üldiselt olema esimene valik. Väljund on täielikult parandatud, nii et filtreerimine on üsna lihtne. Kõige tähtsam on aga see, et see kasutab võimsustsükli mõlemat poolt. See on kõige tõhusam konstruktsioon ja kasutab kallist trafost maksimumi. Kahe dioodi lisamine on palju odavam kui trafo nimivõimsuse kahekordistamine (mõõdetuna "volt-amprites" või VA).

JOONIS 5. Sillaalaldi lähenemine (ülemine) tagab trafo võimsuse täieliku ärakasutamise ja täislaine alalduse. Lisaks saab maandusreferentsi muutmisega (alt) saada kahe pingega toiteallika.

---

Selle konstruktsiooni ainsaks puuduseks on see, et toide peab läbima kahte dioodi, mille tulemuseks on pingelangus 1.4 volti, mitte 0.7 volti teiste konstruktsioonide puhul. Üldiselt on see probleem ainult madalpinge toiteallikate puhul, kus täiendav 0.7 volti moodustab olulise osa väljundist. (Sellistel juhtudel kasutatakse tavaliselt lülitustoiteallikat, mitte kumbagi ülaltoodud ahelatest.)

Kuna iga poolperioodi jaoks kasutatakse kahte dioodi, näeb igaüks ainult poolt trafo pingest. See muudab PIV-i võrdseks tipp-sisendpingega või 1.414-kordse trafo pingega, mis on sama, mis ülaltoodud täislaineahelas.

Sillalaldi väga tore omadus on see, et maandusreferentsi saab muuta positiivse ja negatiivse väljundpinge tekitamiseks. See on näidatud joonise 5 allosas.

FILTRIMINE

Peaaegu kogu analoogtoiteallika filtreerimine pärineb filtrikondensaatorist. Võimalik on kasutada väljundiga jadamisi induktiivpooli, kuid 60 Hz juures peavad need induktiivpoolid olema üsna suured ja kallid. Mõnikord kasutatakse neid kõrgepinge toiteallikate jaoks, kus sobivad kondensaatorid on kallid.

Filtri kondensaatori (C) arvutamise valem on üsna lihtne, kuid peate teadma vastuvõetavat tipp-tipu pulsatsioonipinget (V), pooltsükli aega (T) ja voolu (I). Valem on C=I*T/V, kus C on mikrofaradides, I milliamprites, T millisekundites ja V voltides. 60 Hz pooltsükli aeg on 8.3 millisekundit (viide: 1997. aasta raadioamatööride käsiraamat).

Valemist on selge, et kõrge voolu ja/või madala pulsatsiooniga toiteallikate puhul on filtreerimisnõuded suuremad, kuid see on lihtsalt terve mõistus. Kergesti meeldejääv näide on 3,000 mikrofaradi voolu ampri kohta, mis annab umbes kolm volti pulsatsiooni. Selle näite põhjal saate kasutada erinevaid suhteid, et anda üsna kiiresti mõistlikke hinnanguid selle kohta, mida vajate.

Üks oluline kaalutlus on voolu tõus sisselülitamisel. Filtri kondensaatorid toimivad tühjade lühistena, kuni need laetakse. Mida suuremad on kondensaatorid, seda suurem on see liig. Mida suurem on trafo, seda suurem on liigpinge. Enamiku madalpinge analoogtoiteallikate (<50 volti) puhul aitab trafo mähise takistus mõnevõrra. 25.2 volti/kahe amprise trafo mõõdetud sekundaartakistus on 0.6 oomi. See piirab maksimaalse sisendvoolu 42 amprini. Lisaks vähendab trafo induktiivsus seda mõnevõrra. Siiski on sisselülitamisel endiselt suur potentsiaalne voolu tõus.

Hea uudis on see, et kaasaegsetel ränialalditel on sageli tohutu voolutugevus. Standardne 1N400x dioodiperekond on tavaliselt ette nähtud 30 amprise liigvooluga. Sildahelas on kaks dioodi, nii et halvimal juhul on 21 amprit, mis on alla 30 amprise spetsifikatsiooni (eeldusel, et voolu jagatakse võrdselt, mis ei ole alati nii). See on äärmuslik näide. Üldjuhul kasutatakse 10 asemel tegurit umbes 21.

Sellegipoolest ei saa seda praegust tõusu ignoreerida. Mõne senti rohkem kulutamine ühe amprise silla asemel kolmeamprise silla kasutamiseks võib olla hästi kulutatud raha.

PRAKTILINE KAVAND

Nüüd saame need reeglid ja põhimõtted kasutusele võtta ning hakata projekteerima põhitoiteallikat. Disaini tuumana kasutame 25.2-voldist trafot. Joonist 6 võib vaadelda eelmiste jooniste koondina, kuid lisatud on praktiliste osade väärtused. Teine märgutuli sekundaarsüsteemis näitab selle olekut. Samuti näitab see, kas kondensaatoril on laeng. Nii suure väärtuse puhul on see oluline ohutuskaalutlus. (Pange tähele, et kuna tegemist on alalisvoolu signaaliga, pole 1N4004 pöördpinge dioodi vaja.)

JOONIS 6. Toiteploki lõplik disain koos praktiliste osade spetsifikatsioonidega. Võimsuse reguleerimist käsitletakse järgmises artiklis.

---

Võib-olla on odavam kasutada paralleelselt kahte väiksemat kondensaatorit kui ühte suurt. Kondensaatori tööpinge peab olema vähemalt 63 volti; 50 volti ei ole 40 volti tipu jaoks piisav varu. 50-voldine seade annab ainult 25% varu. See võib olla hea mittekriitilise rakenduse jaoks, kuid kui kondensaator siin ebaõnnestub, võivad tulemused olla katastroofilised. 63-voldine kondensaator annab umbes 60% varu, samas kui 100-voldine seade annab 150% varu. Toiteallikate puhul on rusikareegel alaldite ja kondensaatorite puhul vahemikus 50% kuni 100%. (Pilinatsioon peaks olema umbes kaks volti, nagu näidatud.)

Sillalaldi peab suutma taluda suurt algvoolu tõusu, seega tasub töökindluse parandamiseks kulutada veel üks või kaks peenraha. Pange tähele, et silda määrab see, mida trafo suudab toita, mitte see, mille jaoks toiteallikas lõpuks määratud on. Seda tehakse väljundi lühise korral. Sellisel juhul juhitakse trafo täisvool läbi dioodide. Pidage meeles, et toiteallika rike on halb asi. Niisiis, kujundage see vastupidavaks.

JÄRELDUS

Üksikasjad on toiteallika projekteerimisel olulised. RMS-pinge ja tipppinge erinevuse märkimine on toite õige tööpinge määramisel kriitilise tähtsusega. Lisaks on esialgne liigvool midagi, mida ei saa ignoreerida.

2. osas lõpetame selle projekti kolme terminali regulaatori lisamisega. Projekteerime üldotstarbelise, voolupiiranguga reguleeritava pingega toiteallika kaugsulguriga. Lisaks saab selle konstruktsiooni jaoks kasutatud põhimõtteid rakendada mis tahes toiteallika konstruktsioonile. 

Jäta sõnum 

Sõnumite nimekiri