ОСНОВНИ ДИЗАЈН АНАЛОГНОГ НАПАЈАЊА

Постоји стара изрека: „Можеш човеку дати рибу и он ће јести један дан или можеш научити човека да пеца и он ће јести заувек. Постоји много чланака који читаоцу дају специфичан дизајн за изградњу напајања, и нема ништа лоше у овим дизајнима кувара. Често имају веома добре перформансе. Међутим, они не уче читаоце како да сами дизајнирају напајање. Овај чланак из два дела ће почети од почетка и објаснити сваки корак неопходан за изградњу основног аналогног напајања. Дизајн ће се фокусирати на свеприсутни регулатор са три терминала и укључити бројна побољшања основног дизајна.

Увек је важно запамтити да напајање — било за одређени производ или као општи део опреме за тестирање — има потенцијал да струји корисника, изазове пожар или уништи уређај који напаја. Очигледно, то нису добре ствари. Из тог разлога, кључно је приступити овом дизајну конзервативно. Обезбедите доста маргине за компоненте. Добро дизајнирано напајање је оно које се никада не примећује.

КОНВЕРЗИЈА УЛАЗНЕ СНАГЕ

Слика 1 приказује основни дизајн за типично аналогно напајање. Састоји се од три главне компоненте: конверзија улазне снаге и кондиционирање; ректификација и филтрирање; и регулација. Конверзија улазне снаге је типично енергетски трансформатор и једини је метод који се овде разматра. Међутим, постоји неколико тачака које је важно напоменути.

СЛИКА 1. Основно аналогно напајање се састоји од три дела. Прва два се разматрају у овом чланку, а последња у следећем делу.

---

Први је да је 117 ВАЦ (Волтс Алтернатинг Цуррент) заиста РМС (средњи квадратни корен) мерење. (Имајте на уму да сам видео да је уобичајена снага за домаћинство наведена негде од 110 ВАЦ до 125 ВАЦ. Управо сам измерио своју и открио да је тачно 120.0 ВАЦ.) РМС мерење синусног таласа је много ниже од стварног вршног напона и представља еквивалентни једносмерни напон (једносмерна струја) потребан за обезбеђивање исте снаге.

РМС конверзија варира у зависности од облика таласа; за синусни талас, вредност је 1.414. То значи да је одступање око нула волти заправо 169.7 волти (за моје напајање од 120 ВАЦ). Снага иде од -169.7 волти до +169.7 волти у сваком циклусу. Дакле, напон од врха до врха је заправо 339.4 волти!

Овај напон постаје посебно важан када се додају бајпас кондензатори на главне електричне водове за сузбијање буке од уласка или изласка из напајања (честа ситуација). Ако мислите да је стварни напон 120 волти, можете користити кондензаторе од 150 волти. Као што видите, ово није тачно. Апсолутни минимални безбедан радни напон за ваше кондензаторе је 200 волти (250 волти је боље). Не заборавите да ако очекујете да видите шум/шиљке на линији, морате да додате тај шум/спик напон вршном напону.

Улазна фреквенција је универзално 60 Хз у САД. У Европи је уобичајено 50 Хз. Трансформатори оцењени за 60 Хз ће генерално добро радити на 50 Хз и обрнуто. Поред тога, стабилност фреквенције далековода је обично одлична и ретко се узима у обзир. Повремено можете пронаћи трансформаторе од 400 Хз. То су типично војни или ваздухопловни уређаји и генерално нису погодни за употребу на 50/60 Хз (или обрнуто).

Излаз трансформатора је такође специфициран као РМС напон. Додатно, наведени напон је минимални напон који се очекује под пуним оптерећењем. Често постоји повећање од око 10% у називном излазу без оптерећења. (Мој трансформатор од 25.2 волти/два ампера мери 28.6 волти без оптерећења.) То значи да је стварни излазни напон без оптерећења/вршни напон за мој трансформатор од 25.2 волта 40.4 волта! Као што видите, увек је важно запамтити да су номинални РМС напони за напајање наизменичном струјом знатно мањи од стварних вршних напона.

Слика 2 даје типичну конверзију улазне снаге и дизајн кондиционирања. Више волим да користим двополни прекидач иако то није апсолутно неопходно. Штити од погрешно ожичених електричних утичница (што је данас реткост) или погрешно ожичених каблова за напајање у самом извору напајања (много чешће). Од виталног је значаја да када је прекидач за напајање искључен, врући вод буде искључен из напајања.

СЛИКА 2. Улазно кондиционирање је прилично основно, али се мора имати на уму да РМС напон није исти као вршни напон. Врхунски напон од 120 ВАЦ РМС је око 170 волти.

---

Осигурач (или прекидач) је неопходан. Његова главна сврха је да спречи пожар јер ће без њега, кратки спој трансформатора или примарног кола омогућити да тече велике струје, узрокујући да метални делови постану црвени или чак бели. Обично је тип са спорим ударом на 250 волти. Тренутни рејтинг би требао бити двоструко већи од онога што трансформатор може очекивати да ће извући.

На пример, трансформатор са два ампера од 25.2 волти који је горе поменут ће повући око 0.42 ампера примарне струје (25.2 волти/120 волти к два ампера). Дакле, осигурач од једног ампера је разуман. О осигурачу у секундару биће речи у следећем чланку.

Бајпас кондензатори помажу у филтрирању буке и опциони су. Пошто је вршни напон око 170 волти, оцена од 250 волти је боља од граничне вредности од 200 волти. Можда ћете желети да користите „филтер за унос снаге“. Постоји много врста ових јединица. Неки садрже стандардни конектор за напајање, прекидач, држач осигурача и филтер у једном малом паковању. Други могу имати само неке од ових компоненти. Типично, они са свиме су прилично скупи, али вишак јединица се обично може наћи по веома разумним ценама.

Важно је да се утврди да ли је примарни круг напајан тако да се користи контролно светло. Приказана су два типична кола. Неонска лампа се користи деценијама. Једноставно је и јефтино. Има недостатака што је донекле ломљив (направљен од стакла); може треперити ако је отпорник превелик; и заправо може да генерише електричну буку (због изненадног јонског распада неонског гаса).

ЛЕД коло такође захтева отпорник који ограничава струју. На 10,000 хмс обезбеђује се око 12 мА струје. Већина ЛЕД диода има максималну струју од 20 мА, тако да је 12 мА разумно. (Високоефикасне ЛЕД диоде могу да раде задовољавајуће са само 1 или 2 мА, тако да се отпорник може повећати по потреби.)

Имајте на уму да ЛЕД диоде имају веома слаб напон повратног пробоја (обично 10 до 20 волти). Из тог разлога је неопходна друга диода. Ово мора бити у стању да ради са најмање 170 волти ПИВ (вршног инверзног напона). Стандардни 1Н4003 је оцењен на 200 ПИВ што не пружа велику маргину. 1Н4004 је оцењен на 400 ПИВ и кошта можда пени више. Постављањем у серију са ЛЕД, укупан ПИВ је 400 плус ЛЕД ПИВ.

РЕКТИФИКАЦИЈА И ФИЛТЕРИРАЊЕ

Слике 3, 4 и 5 приказују најтипичнија кола исправљања са излазним таласним обликом приказаним изнад. (Кондензатор филтера није приказан јер се његовим додавањем таласни облик мења у нешто попут једносмерног напона.) Корисно је испитати ова три основна кола да бисте идентификовали њихове предности и слабости.

На слици 3 приказан је основни полуталасни исправљач. Једина искупљујућа карактеристика овога је да је веома једноставан, користећи само један исправљач. Лоша карактеристика је што користи само половину циклуса напајања, чинећи теоријску ефикасност кола мањом од 50% само за почетак. Често су полуталасна исправљачка напајања ефикасна само 30%. Пошто су трансформатори скупи артикли, ова неефикасност је веома скупа. Друго, облик таласа је веома тешко филтрирати. Пола времена уопште нема струје из трансформатора. Уједначавање излаза захтева веома високе вредности капацитивности. Ретко се користи за аналогно напајање.

СЛИКА 3. Коло полуталасног исправљача је једноставно, али производи слаб излазни талас који је веома тешко филтрирати. Поред тога, половина снаге трансформатора се губи. (Имајте на уму да су кондензатори за филтрирање изостављени ради јасноће јер мењају таласни облик.)

---

Занимљива и важна ствар се дешава када се у коло полуталасног исправљача дода филтер кондензатор. Диференцијал напона без оптерећења се удвостручује. То је зато што кондензатор складишти енергију из прве половине (позитивног дела) циклуса. Када се догоди друга половина, кондензатор држи позитивни вршни напон, а негативни вршни напон се примењује на други терминал, што доводи до тога да се пуни напон од врха до врха види од стране кондензатора и кроз то диоде. Дакле, за трансформатор од 25.2 волти изнад, стварни вршни напон који виде ове компоненте може бити преко 80 волти!

Слика 4 (горње коло) је пример типичног пуноталасног/централног исправљачког кола. Када се ово користи, у већини случајева вероватно не би требало. Пружа добар излаз који је у потпуности исправљен. Ово чини филтрирање релативно лаким. Користи само два исправљача, тако да је прилично јефтин. Међутим, није ефикаснији од полуталасног кола представљеног горе.

СЛИКА 4. Дизајн пуног таласа (горе) даје добар излаз. Прецртавањем кола (доле) може се видети да су у ствари само два полуталасна исправљача повезана заједно. Опет, половина снаге трансформатора је изгубљена.

---

Ово се може видети поновним цртањем кола са два трансформатора (слика 4 доле). Када се ово уради, постаје јасно да су пуноталасни у ствари само два полуталасна кола повезана заједно. Половина сваког циклуса снаге трансформатора се не користи. Дакле, максимална теоријска ефикасност је 50%, а стварна ефикасност око 30%.

ПИВ кола је половина полуталасног кола јер је улазни напон на диоде половина излазног трансформатора. Централна славина обезбеђује половину напона на два краја намотаја трансформатора. Дакле, за пример трансформатора од 25.2 волти, ПИВ је 35.6 волти плус повећање празног хода што је око 10% више.

На слици 5 приказано је коло мостног исправљача које би генерално требало да буде први избор. Излаз је потпуно исправљен тако да је филтрирање прилично лако. Оно што је најважније, међутим, користи обе половине циклуса напајања. Ово је најефикаснији дизајн и извлачи максимум из скупог трансформатора. Додавање две диоде је много јефтиније од удвостручавања називне снаге трансформатора (мерено у „Волт-Амперима“ или ВА).

СЛИКА 5. Приступ мосног исправљача (горе) обезбеђује пуну употребу снаге трансформатора и са пуноталасним исправљањем. Додатно, променом референтне тачке уземљења (доле), може се добити двонапонско напајање.

---

Једина мана овог дизајна је то што снага мора проћи кроз две диоде са резултујућим падом напона од 1.4 волти уместо 0.7 волти за друге дизајне. Генерално, ово је само брига за нисконапонска напајања где додатних 0.7 волти представља значајан део излаза. (У таквим случајевима обично се користи прекидачки извор напајања уместо било којег од горе наведених кола.)

Пошто се за сваки полуциклус користе две диоде, свака се види само половина напона трансформатора. Ово чини ПИВ једнаким вршном улазном напону или 1.414 пута напону трансформатора, што је исто као и пуноталасно коло изнад.

Веома згодна карактеристика мосног исправљача је то што се референца уземљења може променити да би се створио позитиван и негативан излазни напон. Ово је приказано на дну слике 5.

ФИЛТИРАЊЕ

Скоро све филтрирање за аналогно напајање долази из филтерског кондензатора. Могуће је користити индуктор у серији са излазом, али на 60 Хз, ови индуктори морају бити прилично велики и скупи. Повремено се користе за високонапонска напајања где су одговарајући кондензатори скупи.

Формула за израчунавање кондензатора филтера (Ц) је прилично једноставна, али морате знати прихватљиви напон таласања од врха до врха (В), време полуциклуса (Т) и повучену струју (И). Формула је Ц=И*Т/В, где је Ц у микрофарадима, И је у милиамперима, Т је у милисекундама, а В је у волтима. Време полуциклуса за 60 Хз је 8.3 милисекунди (референца: Радио-аматерски приручник из 1997.).

Из формуле је јасно да су захтеви за филтрирање повећани за изворе напајања велике струје и/или ниске таласе, али ово је само здрав разум. Пример који се лако памти је 3,000 микрофарада по амперу струје даће око три волта таласа. Можете радити различите односе из овог примера да бисте прилично брзо пружили разумне процене онога што вам је потребно.

Једна важна ствар коју треба узети у обзир је пораст струје при укључивању. Филтерски кондензатори делују као мртви кратки спојеви док се не напуне. Што су већи кондензатори, већи ће бити овај пренапон. Што је већи трансформатор, већи ће бити пренапон. За већину нисконапонских аналогних извора напајања (<50 волти), отпор намотаја трансформатора донекле помаже. Трансформатор од 25.2 волта/два ампера има измерени секундарни отпор од 0.6 ома. Ово ограничава максимални напон на 42 ампера. Поред тога, индуктивност трансформатора ово донекле смањује. Међутим, и даље постоји велики потенцијални скок струје при укључивању.

Добра вест је да савремени силицијумски исправљачи често имају огромне могућности пренапонске струје. Стандардна 1Н400к фамилија диода је обично специфицирана са 30 ампера ударне струје. Са мосним колом, постоје две диоде које носе ово, тако да је најгори случај 21 ампер свака, што је испод спецификације од 30 ампера (под претпоставком једнаког дељења струје, што није увек случај). Ово је екстреман пример. Генерално, користи се фактор од око 10 уместо 21.

Ипак, овај тренутни пораст није нешто што треба занемарити. Потрошити неколико центи више на коришћење моста од три ампера уместо моста од једног ампера може бити добро потрошен новац.

ПРАКТИЧНИ ДИЗАЈН

Сада можемо применити ова правила и принципе и почети да дизајнирамо основно напајање. Користићемо трансформатор од 25.2 волти као језгро дизајна. Слика 6 се може посматрати као комбинација претходних слика, али са доданим практичним вредностима делова. Друго контролно светло у секундарном сигналу показује његов статус. Такође показује да ли постоји пуњење на кондензатору. Са тако великом вредношћу, ово је важно питање безбедности. (Имајте на уму да пошто је ово ДЦ сигнал, диода обрнутог напона 1Н4004 није потребна.)

СЛИКА 6. Коначни дизајн напајања са практичним спецификацијама делова. Регулисање снаге је разматрано у следећем чланку.

---

Можда је јефтиније користити два мања кондензатора паралелно од једног великог. Радни напон за кондензатор мора бити најмање 63 волта; 50 волти није довољна маргина за врх од 40 волти. Јединица од 50 волти пружа само 25% маргине. Ово може бити у реду за некритичну примену, али ако кондензатор овде поквари, резултати могу бити катастрофални. Кондензатор од 63 волти даје око 60% маргине, док уређај од 100 волти даје маргину од 150%. За изворе напајања, опште правило је између 50% и 100% маргине за исправљаче и кондензаторе. (Мребање би требало да буде око два волта, као што је приказано.)

Мостни исправљач мора бити у стању да издржи велики почетни напон струје, тако да је исплативо потрошити још пар центи или два за побољшану поузданост. Имајте на уму да је мост одређен оним што трансформатор може да обезбеди, а не за шта је на крају одређено напајање. Ово се ради у случају да постоји кратки спој. У том случају, пуна струја трансформатора ће бити пропуштена кроз диоде. Запамтите, квар напајања је лоша ствар. Дакле, дизајнирајте га тако да буде робустан.

ЗАКЉУЧАК

Детаљи су важан фактор у пројектовању напајања. Уочавање разлике између РМС напона и вршног напона је критично за одређивање одговарајућег радног напона за напајање. Поред тога, почетна струја пренапона је нешто што се не може занемарити.

У другом делу ћемо завршити овај пројекат додавањем регулатора са три терминала. Дизајнираћемо опће намјене, струјно ограничено напајање подесивог напона са даљинским искључивањем. Поред тога, принципи који се користе за овај дизајн могу се применити на било који дизајн напајања. 

Остави поруку 

Листа порука