GRUNDLÄGGANDE ANALOG STRÖMFÖRSÖRNING DESIGN

Det finns det gamla talesättet: "Du kan ge en man en fisk och han kommer att äta för en dag eller så kan du lära en man att fiska och han kommer att äta för alltid." Det finns många artiklar som ger läsaren en specifik design för att bygga ett nätaggregat, och det är inget fel med dessa kokboksdesigner. De presterar ofta väldigt bra. Däremot lär de inte läsarna hur man designar ett nätaggregat på egen hand. Denna tvådelade artikel kommer att börja från början och förklara varje steg som krävs för att bygga en grundläggande analog strömförsörjning. Designen kommer att fokusera på den allestädes närvarande treterminalsregulatorn och inkluderar ett antal förbättringar av den grundläggande designen.

Det är alltid viktigt att komma ihåg att strömförsörjningen - antingen för en viss produkt eller som en allmän testutrustning - har potential att elektrocutera användaren, starta en brand eller förstöra enheten den driver. Uppenbarligen är det inte bra saker. Av den anledningen är det viktigt att närma sig denna design konservativt. Ge gott om marginal för komponenter. En väldesignad strömförsörjning är en som aldrig märks.

KONVERTERING AV INGÅNGS STRÖM

Figur 1 visar den grundläggande designen för en typisk analog strömförsörjning. Den består av tre huvudkomponenter: ineffektomvandling och konditionering; korrigering och filtrering; och reglering. Ingångseffektomvandlingen är vanligtvis en krafttransformator och är den enda metoden som övervägs här. Det finns dock ett par punkter som är viktiga att nämna.

FIGUR 1. En grundläggande analog strömförsörjning består av tre delar. De två första diskuteras i den här artikeln och den sista i nästa del.

---

Den första är att 117 VAC (Volts Alternating Current) verkligen är en RMS-mätning (Root Mean Square). (Observera att jag har sett vanlig hushållseffekt specificerad var som helst från 110 VAC till 125 VAC. Jag mätte precis min och fann att den var exakt 120.0 VAC.) En RMS-mätning av en sinusvåg är mycket lägre än den faktiska toppspänningen och representerar motsvarande DC-spänning (likström) som behövs för att ge samma effekt.

RMS-omvandlingen varierar beroende på vågformen; för en sinusvåg är värdet 1.414. Det betyder att avvikelsen runt noll volt faktiskt är 169.7 volt (för min 120 VAC-ström). Effekten går från -169.7 volt till +169.7 volt varje cykel. Därför är topp-till-topp-spänningen faktiskt 339.4 volt!

Denna spänning blir särskilt viktig när man lägger till bypass-kondensatorer till huvudströmledningarna för att dämpa brus från att komma in i eller lämna strömförsörjningen (en vanlig situation). Om du tror att den faktiska spänningen är 120 volt kan du använda 150 volt kondensatorer. Som du kan se är detta inte korrekt. Den absolut lägsta säkra arbetsspänningen för dina kondensatorer är 200 volt (250 volt är bättre). Glöm inte att om du förväntar dig att se brus/spikar på linjen, måste du lägga till det bruset/spikspänningen till toppspänningen.

Ingångsfrekvensen är universellt 60 Hz i USA. I Europa är 50 Hz vanligt. Transformatorer klassade för 60 Hz kommer i allmänhet att fungera bra på 50 Hz och vice versa. Dessutom är frekvensstabiliteten hos kraftledningen vanligtvis utmärkt och sällan ett övervägande. Ibland kan du hitta 400 Hz transformatorer tillgängliga. Dessa är vanligtvis militära eller flygtekniska anordningar och är i allmänhet inte lämpliga för användning på 50/60 Hz kraft (eller vice versa).

Transformatorns utgång är också specificerad som en RMS-spänning. Dessutom är den angivna spänningen den lägsta förväntade spänningen vid full belastning. Ofta ökar märkeffekten med cirka 10 % utan belastning. (Min 25.2 volt/två-ampere transformator mäter 28.6 volt utan belastning.) Detta betyder att den faktiska tomgångs-/toppspänningen för min 25.2 volts transformator är 40.4 volt! Som du kan se är det alltid viktigt att komma ihåg att de nominella RMS-spänningarna för växelström är betydligt lägre än de faktiska toppspänningarna.

Figur 2 tillhandahåller en typisk design för ineffektomvandling och konditionering. Jag föredrar att använda en dubbelpolig strömbrytare även om det inte är absolut nödvändigt. Den skyddar mot felkopplade eluttag (vilket är sällsynt idag) eller felkopplade strömkablar i själva nätaggregatet (mycket vanligare). Det är viktigt att när strömbrytaren är avstängd kopplas den heta kabeln från strömförsörjningen.

FIGUR 2. Ingångskonditioneringen är ganska grundläggande, men man måste komma ihåg att RMS-spänningen inte är densamma som toppspänningen. Toppspänningen på 120 VAC RMS är cirka 170 volt.

---

Säkringen (eller strömbrytaren) är nödvändig. Dess huvudsakliga syfte är att förhindra bränder, för utan den kommer en transformator eller primärkretskortslutning att tillåta massiva strömmar att flöda vilket gör att metalldelar blir röda eller till och med vitvarma. Det är vanligtvis en långsam-blås typ klassad till 250 volt. Strömvärdet bör vara ungefär det dubbla av vad transformatorn kan förvänta sig att dra.

Till exempel kommer 25.2 volts tvåampare transformator som nämns ovan att dra cirka 0.42 ampere primärström (25.2 volt/120 volt x två ampere). Så en en amp säkring är rimlig. En säkring i sekundären kommer att diskuteras i nästa artikel.

Bypass-kondensatorerna hjälper till att filtrera bort brus och är tillval. Eftersom toppspänningen är cirka 170 volt, är en 250 volts klassificering bättre än en marginal på 200 volt. Du kanske vill använda ett "power-entry filter". Det finns många typer av dessa enheter. Vissa innehåller en vanlig strömkontakt, strömbrytare, säkringshållare och filter i ett litet paket. Andra kanske bara har några av dessa komponenter. Vanligtvis är de med allt ganska dyra, men överskottsenheter kan oftast hittas till mycket rimliga priser.

Att kunna avgöra om den primära kretsen är strömförsörjd är viktigt så en pilotlampa används. Två typiska kretsar visas. Neonlampan har använts i decennier. Det är enkelt och billigt. Den har nackdelarna att den är något ömtålig (tillverkad av glas); kan flimra om motståndet är för stort; och kan faktiskt generera en del elektriskt brus (på grund av neongasens plötsliga joniska nedbrytning).

LED-kretsen kräver också ett strömbegränsande motstånd. Vid 10,000 12 hms tillhandahålls cirka 20 mA ström. De flesta lysdioder är klassade för en maximal ström på 12 mA, så 1 mA är rimligt. (Högeffektiva lysdioder kan fungera tillfredsställande med endast 2 eller XNUMX mA, så motståndet kan ökas efter behov.)

Observera att lysdioder har riktigt dåliga omvända genombrottsspänningar (vanligtvis 10 till 20 volt). Av den anledningen är en andra diod nödvändig. Denna måste kunna fungera med minst 170 volt PIV (Peak Inverse Voltage). Standarden 1N4003 är klassad till 200 PIV vilket inte ger mycket marginal. 1N4004 är betygsatt till 400 PIV och kostar kanske en slant mer. Genom att placera den i serie med LED är den totala PIV 400 plus LED PIV.

RIKTNING OCH FILTRERING

Figurerna 3, 4 och 5 visar de mest typiska likriktarkretsarna med den utgående vågformen som visas ovan. (Filterkondensatorn visas inte eftersom vågformen ändras till något som liknar en DC-spänning genom att lägga till den.) Det är användbart att undersöka dessa tre grundläggande kretsar för att identifiera styrkorna och svagheterna hos dem.

Figur 3 visar den grundläggande halvvågslikriktaren. Det enda förlösande kännetecknet för detta är att det är väldigt enkelt, med endast en enda likriktare. Den dåliga funktionen är att den bara använder hälften av strömcykeln vilket gör att kretsens teoretiska effektivitet är mindre än 50 % bara för att starta. Ofta är halvvågslikriktare strömförsörjningar endast 30 % effektiva. Eftersom transformatorer är dyra föremål är denna ineffektivitet mycket kostsam. För det andra är vågformen mycket svår att filtrera. Halva tiden kommer det ingen ström alls från transformatorn. Utjämning av utgången kräver mycket höga kapacitansvärden. Den används sällan för en analog strömförsörjning.

FIGUR 3. Halvvågslikriktarkretsen är enkel men den producerar en dålig utgående vågform som är mycket svår att filtrera. Dessutom går hälften av transformatorkraften till spillo. (Observera att filtreringskondensatorerna utelämnas för tydlighetens skull eftersom de ändrar vågformen.)

---

En intressant och viktig sak händer när en filterkondensator läggs till en halvvågslikriktarkrets. Tomgångsspänningsskillnaden fördubblas. Detta beror på att kondensatorn lagrar energi från den första halvan (positiva delen) av cykeln. När den andra halvan inträffar håller kondensatorn den positiva toppspänningen och den negativa toppspänningen appliceras på den andra terminalen vilket gör att en full topp-till-topp-spänning ses av kondensatorn och genom den dioden. Således, för en 25.2 volt transformator ovan, kan den faktiska toppspänningen som ses av dessa komponenter vara över 80 volt!

Figur 4 (toppkretsen) är ett exempel på en typisk helvågs-/centrumuttagslikriktarkrets. När detta används, i de flesta fall, borde det förmodligen inte vara det. Det ger en fin utgång som är helt rättad. Detta gör filtreringen relativt enkel. Den använder bara två likriktare, så det är ganska billigt. Den är dock inte mer effektiv än halvvågskretsen som presenteras ovan.

FIGUR 4. Helvågsdesignen (överst) ger en fin uteffekt. Genom att rita om kretsen (nederst) kan man se att det egentligen bara är två halvvågslikriktare sammankopplade. Återigen är halva transformatorkraften bortkastad.

---

Detta kan ses genom att rita om kretsen med två transformatorer (Figur 4 längst ner). När detta är gjort blir det tydligt att helvågen egentligen bara är två halvvågskretsar sammankopplade. Hälften av varje transformatoreffektcykel används inte. Den maximala teoretiska verkningsgraden är alltså 50 % med verkliga verkningsgrader runt 30 %.

Kretsens PIV är hälften av halvvågskretsen eftersom inspänningen till dioderna är hälften av transformatorns utgång. Mittkranen ger halva spänningen till de två ändarna av transformatorlindningarna. Så för 25.2 volts transformatorexemplet är PIV 35.6 volt plus tomgångsökningen som är cirka 10% mer.

Figur 5 visar brygglikriktarkretsen som i allmänhet bör vara förstahandsvalet. Utgången är helt likriktad så filtreringen är ganska enkel. Det viktigaste är dock att den använder båda halvorna av strömcykeln. Detta är den mest effektiva designen och får ut det mesta av den dyra transformatorn. Att lägga till två dioder är mycket billigare än att fördubbla transformatoreffekten (mätt i "Volt-Amps" eller VA).

FIGUR 5. Brolikriktartillvägagångssättet (överst) ger full användning av transformatoreffekten och med en helvågslikriktning. Dessutom, genom att ändra jordreferensen (botten), kan en dubbelspänningsförsörjning erhållas.

---

Den enda nackdelen med denna design är att strömmen måste passera genom två dioder med ett resulterande spänningsfall på 1.4 volt istället för 0.7 volt för de andra designerna. I allmänhet är detta bara ett problem för lågspänningsaggregat där de ytterligare 0.7 volt representerar en väsentlig del av uteffekten. (I sådana fall används vanligtvis en switchande strömkälla istället för någon av ovanstående kretsar.)

Eftersom det finns två dioder som används för varje halvcykel, ses endast hälften av transformatorspänningen av var och en. Detta gör PIV lika med toppinspänningen eller 1.414 gånger transformatorspänningen, vilket är samma som helvågskretsen ovan.

En mycket trevlig egenskap hos brygglikriktaren är att jordreferensen kan ändras för att skapa en positiv och negativ utspänning. Detta visas längst ner i figur 5.

FILTERERAR

Nästan all filtrering för en analog strömförsörjning kommer från en filterkondensator. Det är möjligt att använda en induktor i serie med utgången, men vid 60 Hz måste dessa induktorer vara ganska stora och dyra. Ibland används de för högspänningsaggregat där lämpliga kondensatorer är dyra.

Formeln för att beräkna filterkondensatorn (C) är ganska enkel, men du måste känna till den acceptabla topp-till-topp-rippelspänningen (V), halvcykeltiden (T) och strömdragen (I). Formeln är C=I*T/V, där C är i mikrofarader, I är i milliampere, T är i millisekunder och V är i volt. Halvcykeltiden för 60 Hz är 8.3 millisekunder (referens: 1997 Radio Amateur's Handbook).

Det är tydligt från formeln att filtreringskraven är ökade för strömförsörjning med hög ström och/eller låg rippel, men detta är bara sunt förnuft. Ett lätt att komma ihåg exempel är att 3,000 XNUMX mikrofarads per ampere ström ger cirka tre volts rippel. Du kan använda olika nyckeltal från detta exempel för att ge rimliga uppskattningar av vad du behöver ganska snabbt.

En viktig faktor är ökningen av ström vid tillslag. Filterkondensatorerna fungerar som döda kortslutningar tills de laddas upp. Ju större kondensatorerna är, desto större blir denna ökning. Ju större transformatorn är, desto större blir överspänningen. För de flesta analoga lågspänningsaggregat (<50 volt) hjälper transformatorlindningsmotståndet något. Transformatorn på 25.2 volt/två ampere har en uppmätt sekundär resistans på 0.6 ohm. Detta begränsar den maximala inrushen till 42 ampere. Dessutom minskar transformatorns induktans detta något. Det finns dock fortfarande en stor potentiell strömökning vid start.

Den goda nyheten är att moderna kisellikriktare ofta har enorma strömstyrkor. Standard 1N400x-familjen av dioder specificeras vanligtvis med 30 ampere överspänningsström. Med en bryggkrets finns det två dioder som bär detta, så i värsta fall är 21 ampere vardera vilket är under 30 amp-specifikationen (förutsatt att strömdelningen är lika, vilket inte alltid är fallet). Det här är ett extremt exempel. I allmänhet används en faktor på cirka 10 istället för 21.

Ändå är denna nuvarande ökning inte något att ignorera. Att spendera några ören mer för att använda en treampers brygga istället för en enampersbrygga kan vara väl använda pengar.

PRAKTISK DESIGN

Vi kan nu använda dessa regler och principer och börja designa en grundläggande strömförsörjning. Vi kommer att använda 25.2 volts transformator som kärnan i designen. Figur 6 kan ses som en sammansättning av de tidigare figurerna men med praktiska delvärden tillagda. En andra kontrollampa i sekundären indikerar dess status. Den visar också om det finns en laddning på kondensatorn. Med ett så stort värde är detta en viktig säkerhetshänsyn. (Observera att eftersom detta är en DC-signal behövs inte 1N4004 omvänd spänningsdiod.)

FIGUR 6. Slutlig design av strömförsörjningen med praktiska delarspecifikationer. Reglering av kraften diskuteras i nästa artikel.

---

Det kan vara billigare att använda två mindre kondensatorer parallellt än en stor. Arbetsspänningen för kondensatorn måste vara minst 63 volt; 50 volt är inte tillräckligt med marginal för 40 volt-toppen. En 50 volts enhet ger endast 25 % marginal. Detta kan vara bra för en icke-kritisk applikation, men om kondensatorn misslyckas här kan resultaten bli katastrofala. En 63 volt kondensator ger cirka 60 % marginal medan en 100 volt enhet ger 150 % marginal. För nätaggregat är en generell tumregel mellan 50 % och 100 % marginal för likriktare och kondensatorer. (Rusningen bör vara cirka två volt, som visas.)

Bryggriktaren måste kunna hantera den höga initiala strömstöten, så att spendera en extra krona eller två för förbättrad tillförlitlighet är värt besväret. Observera att bryggan specificeras av vad transformatorn kan leverera snarare än vad strömförsörjningen så småningom specificeras för. Detta görs om det är en kortslutning. I ett sådant fall kommer transformatorns fulla ström att passera genom dioderna. Kom ihåg att ett strömavbrott är en dålig sak. Så designa den för att vara robust.

SLUTSATS

Detaljer är en viktig faktor vid utformningen av en strömförsörjning. Att notera skillnaden mellan RMS-spänning och toppspänning är avgörande för att bestämma de rätta arbetsspänningarna för matningen. Dessutom är den initiala överspänningsströmmen något som inte kan ignoreras.

I del 2 kommer vi att slutföra det här projektet genom att lägga till en treterminalsregulator. Vi kommer att designa en allmän, strömbegränsad, justerbar spänningskälla med fjärravstängning. Dessutom kan principerna som används för denna design tillämpas på vilken strömförsörjningsdesign som helst. 

Lämna ett meddelande 

meddelande~~POS=TRUNC