BASIESE ANALOGE KRAGVOORSIENING ONTWERP

Daar is die ou gesegde: "Jy kan 'n man 'n vis gee en hy sal vir 'n dag eet, of jy kan 'n man leer visvang en hy sal vir ewig eet." Daar is baie artikels wat die leser 'n spesifieke ontwerp gee om 'n kragtoevoer te bou, en daar is niks fout met hierdie kookboekontwerpe nie. Hulle het dikwels baie goeie prestasie. Hulle leer egter nie die lesers hoe om self 'n kragtoevoer te ontwerp nie. Hierdie tweedelige artikel sal van die begin af begin en elke stap verduidelik wat nodig is om 'n basiese analoog kragbron te bou. Die ontwerp sal op die alomteenwoordige drie-terminale reguleerder fokus en 'n aantal verbeterings aan die basiese ontwerp insluit.

Dit is altyd belangrik om te onthou dat die kragtoevoer - hetsy vir 'n spesifieke produk of as 'n algemene stuk toetstoerusting - die potensiaal het om die gebruiker te elektrosut, 'n brand te begin of die toestel wat dit aandryf, te vernietig. Dit is duidelik nie goeie dinge nie. Om hierdie rede is dit van kritieke belang om hierdie ontwerp konserwatief te benader. Verskaf baie marge vir komponente. ’n Goed ontwerpte kragbron is een wat nooit opgemerk word nie.

INVOERKRAG-OMSKEIDING

Figuur 1 toon die fundamentele ontwerp vir 'n tipiese analoog kragbron. Dit bestaan ​​uit drie hoofkomponente: insetkragomskakeling en kondisionering; regstelling en filtering; en regulasie. Die insetkragomskakeling is tipies 'n kragtransformator en is die enigste metode wat hier oorweeg word. Daar is egter 'n paar punte wat belangrik is om te noem.

FIGUUR 1. 'n Basiese analoog kragbron bestaan ​​uit drie dele. Die eerste twee word in hierdie artikel bespreek en die laaste in die volgende aflewering.

---

Die eerste is dat 117 VAC (Volts Wisselstroom) werklik 'n RMS (Root Mean Square) meting is. (Let daarop dat ek gewone huishoudelike krag op enige plek van 110 VAC tot 125 VAC gespesifiseer gesien het. Ek het sopas myne gemeet en gevind dat dit presies 120.0 VAC is.) 'n RMS-meting van 'n sinusgolf is baie laer as die werklike piekspanning en verteenwoordig die ekwivalente DC (Direct Current) spanning wat nodig is om dieselfde krag te verskaf.

die RMS-omskakeling wissel volgens die golfvorm; vir 'n sinusgolf is die waarde 1.414. Dit beteken dat die afwyking rondom nul volt eintlik 169.7 volt is (vir my 120 VAC krag). Die krag gaan van -169.7 volt tot +169.7 volt elke siklus. Daarom is die piek-tot-piek spanning eintlik 339.4 volt!

Hierdie spanning word veral belangrik wanneer verbyvloeikapasitors by die hoofkraglyne gevoeg word om geraas te onderdruk wat die kragtoevoer binnedring of verlaat ('n algemene situasie). As jy dink die werklike spanning is 120 volt, kan jy 150 volt kapasitors gebruik. Soos u kan sien, is dit nie korrek nie. Die absolute minimum veilige werkspanning vir jou kapasitors is 200 volt (250 volt is beter). Moenie vergeet dat as jy verwag om geraas/pieke op die lyn te sien, jy daardie geraas/piekspanning by die piekspanning moet voeg nie.

Die insetfrekwensie is universeel 60 Hz in die VSA. In Europa is 50 Hz algemeen. Transformators wat vir 60 Hz gegradeer is, sal oor die algemeen goed presteer op 50 Hz en omgekeerd. Daarbenewens is die frekwensiestabiliteit van die kraglyn gewoonlik uitstekend en selde 'n oorweging. Soms vind u 400 Hz-transformators beskikbaar. Dit is tipies militêre of lugvaarttoestelle en is oor die algemeen nie geskik vir gebruik op 50/60 Hz krag nie (of andersom).

Die uitset van die transformator word ook as 'n RMS-spanning gespesifiseer. Daarbenewens is die gespesifiseerde spanning die minimum spanning wat verwag word onder volle las. Dikwels is daar ongeveer 10% toename in die gegradeerde uitset met geen vrag. (My 25.2 volt/twee-ampere-transformator meet 28.6 volt met geen las.) Dit beteken dat die werklike geen-las/piek uitsetspanning vir my 25.2 volt transformator 40.4 volt is! Soos u kan sien, is dit altyd belangrik om te onthou dat die gegradeerde RMS-spannings vir WS-krag aansienlik minder is as die werklike piekspannings.

Figuur 2 verskaf 'n tipiese insetkragomskakeling en kondisioneringsontwerp. Ek verkies om 'n dubbelpoolskakelaar te gebruik, alhoewel dit nie absoluut noodsaaklik is nie. Dit beskerm teen verkeerd bedrade elektriese afsetpunte (wat vandag skaars is) of verkeerde kragdrade in die kragtoevoer self (baie meer algemeen). Dit is noodsaaklik dat wanneer die kragskakelaar af is, die warm draad van die kragtoevoer ontkoppel word.

FIGUUR 2. Die insetkondisionering is redelik basies, maar daar moet onthou word dat die RMS-spanning nie dieselfde is as die piekspanning nie. Die piekspanning van 120 VAC RMS is ongeveer 170 volt.

---

Die lont (of stroombreker) is nodig. Die hoofdoel daarvan is om brande te voorkom, want daarsonder sal 'n transformator of primêre stroombaan massiewe strome laat vloei wat veroorsaak dat metaaldele rooi of selfs witwarm word. Dit is gewoonlik 'n stadige blaastipe wat op 250 volt gegradeer word. Die huidige gradering moet omtrent dubbel wees van wat die transformator kan verwag om te trek.

Byvoorbeeld, die 25.2 volt twee-amp transformator wat hierbo genoem word, sal ongeveer 0.42 ampère van primêre stroom trek (25.2 volt/120 volt x twee ampère). Dus, 'n een amp lont is redelik. 'n Sit in die sekondêre sal in die volgende artikel bespreek word.

Die bypass-kapasitors help om geraas uit te filter en is opsioneel. Aangesien die piekspanning ongeveer 170 volt is, is 'n 250 volt-gradering beter as 'n marginale 200 volt-gradering. Miskien wil u 'n "kraginvoerfilter" gebruik. Daar is baie tipes van hierdie eenhede. Sommige bevat 'n standaard kragaansluiting, skakelaar, lonthouer en filter in een klein pakkie. Ander het dalk net sommige van hierdie komponente. Tipies is dié met alles redelik duur, maar oortollige eenhede kan gewoonlik teen baie billike pryse gevind word.

Dit is belangrik om te kan bepaal of die primêre stroombaan aangedryf word, daarom word 'n loodslig gebruik. Twee tipiese stroombane word getoon. Die neonlamp word al dekades lank gebruik. Dit is eenvoudig en goedkoop. Dit het die nadele dat dit ietwat broos is (van glas gemaak); kan flikker as die weerstand te groot is; en kan eintlik 'n mate van elektriese geraas genereer (as gevolg van die skielike ioniese afbreek van die neongas).

Die LED-stroombaan benodig ook 'n stroombeperkende weerstand. By 10,000 12 hms word ongeveer 20 mA stroom voorsien. Die meeste LED's is gegradeer vir 'n maksimum stroom van 12 mA, so 1 mA is redelik. (Hoë doeltreffendheid LED's kan bevredigend werk met slegs 2 of XNUMX mA, dus kan die weerstand verhoog word soos benodig.)

Let daarop dat LED's baie swak omgekeerde afbreekspannings het (tipies 10 tot 20 volt). Daarom is 'n tweede diode nodig. Dit moet met ten minste 170 volt PIV (Peak Inverse Voltage) kan werk. Die standaard 1N4003 is gegradeer teen 200 PIV wat nie veel marge bied nie. Die 1N4004 is gegradeer teen 400 PIV en kos miskien 'n sent meer. Deur dit in serie met die LED te plaas, is die algehele PIV 400 plus die LED PIV.

REGTIG EN FILTRERING

Figure 3, 4 en 5 toon die mees tipiese gelykrigkringe met die uitsetgolfvorm wat hierbo vertoon word. (Die filterkapasitor word nie gewys nie, want deur dit by te voeg, verander die golfvorm na iets soos 'n GS-spanning.) Dit is nuttig om hierdie drie basiese stroombane te ondersoek om die sterk- en swakpunte daarvan te identifiseer.

Figuur 3 toon die basiese halfgolf-gelykrigter. Die enigste verlossende kenmerk hiervan is dat dit baie eenvoudig is, met slegs 'n enkele gelykrigter. Die slegte kenmerk is dat dit net die helfte van die kragsiklus gebruik wat die teoretiese doeltreffendheid van die stroombaan minder as 50% maak net om te begin. Dikwels is halfgolf-gelykrigterkragbronne slegs 30% doeltreffend. Aangesien transformators duur items is, is hierdie ondoeltreffendheid baie duur. Tweedens is die golfvorm baie moeilik om te filtreer. Die helfte van die tyd kom daar glad nie krag van die transformator af nie. Om die uitset glad te maak, vereis baie hoë waardes van kapasitansie. Dit word selde vir 'n analoog kragbron gebruik.

FIGUUR 3. Die halfgolf-gelykrigterkring is eenvoudig maar dit produseer 'n swak uitsetgolfvorm wat baie moeilik is om te filtreer. Boonop word die helfte van die transformatorkrag vermors. (Let daarop dat die filterkapasitors weggelaat word vir duidelikheid omdat hulle die golfvorm verander.)

---

'n Interessante en belangrike ding gebeur wanneer 'n filterkapasitor by 'n halfgolf-gelykrigterkring gevoeg word. Die geenlasspanningsdifferensiaal verdubbel. Dit is omdat die kapasitor energie van die eerste helfte (positiewe deel) van die siklus stoor. Wanneer die tweede helfte plaasvind, hou die kapasitor die positiewe piekspanning en die negatiewe piekspanning word op die ander terminaal toegepas, wat veroorsaak dat 'n volle piek-tot-piek spanning deur die kapasitor en daardeur die diode gesien word. Dus, vir 'n 25.2 volt transformator hierbo, kan die werklike piekspanning wat deur hierdie komponente gesien word, meer as 80 volt wees!

Figuur 4 (boonste stroombaan) is 'n voorbeeld van 'n tipiese volgolf/middelkraan gelykrigterkring. Wanneer dit gebruik word, behoort dit in die meeste gevalle waarskynlik nie te wees nie. Dit bied 'n mooi uitset wat ten volle reggestel is. Dit maak filter relatief maklik. Dit gebruik slegs twee gelykrigters, so dit is redelik goedkoop. Dit is egter nie meer doeltreffend as die halfgolfbaan wat hierbo aangebied word nie.

FIGUUR 4. Die volgolf-ontwerp (bo) lewer 'n mooi uitset. Deur die stroombaan (onder) te herteken, kan gesien word dat dit eintlik net twee halfgolf-gelykrigters is wat aan mekaar gekoppel is. Weereens word die helfte van die transformatorkrag vermors.

---

Dit kan gesien word deur die stroombaan met twee transformators te herteken (Figuur 4 onder). Wanneer dit gedoen word, word dit duidelik dat die volgolf eintlik net twee halfgolfbane is wat met mekaar verbind is. Die helfte van elke transformatorkragsiklus word nie gebruik nie. Die maksimum teoretiese doeltreffendheid is dus 50% met werklike doeltreffendheid rondom 30%.

Die PIV van die stroombaan is die helfte van die halfgolfbaan omdat die insetspanning na die diodes die helfte van die transformatoruitset is. Die middelkraan verskaf die helfte van die spanning aan die twee ente van die transformatorwikkelings. Dus, vir die 25.2 volt transformator voorbeeld, die PIV is 35.6 volt plus die geen-las toename wat ongeveer 10% meer is.

Figuur 5 bied die bruggelykrigterkring aan wat oor die algemeen die eerste keuse behoort te wees. Die uitset is ten volle reggestel, so filtering is redelik maklik. Die belangrikste is egter dat dit albei helftes van die kragsiklus gebruik. Dit is die doeltreffendste ontwerp en haal die meeste uit die duur transformator. Om twee diodes by te voeg, is baie goedkoper as om die transformator se kragaanslag te verdubbel (gemeet in "Volt-Amps" of VA).

FIGUUR 5. Die bruggelykrigter-benadering (bo) verskaf volle gebruik van die transformatorkrag en met 'n volgolf-gelykrig. Verder, deur die grondverwysing (onder) te verander, kan 'n dubbelspanningkragtoevoer verkry word.

---

Die enigste nadeel van hierdie ontwerp is dat die krag deur twee diodes moet gaan met 'n gevolglike spanningsval van 1.4 volt in plaas van 0.7 volt vir die ander ontwerpe. Oor die algemeen is dit slegs 'n bekommernis vir laespanning kragbronne waar die bykomende 0.7 volt 'n aansienlike fraksie van die uitset verteenwoordig. (In sulke gevalle word 'n skakelkragtoevoer gewoonlik eerder as enige van die bogenoemde stroombane gebruik.)

Aangesien daar twee diodes vir elke halfsiklus gebruik word, word slegs die helfte van die transformatorspanning deur elkeen gesien. Dit maak die PIV gelyk aan die piek-insetspanning of 1.414 keer die transformatorspanning, wat dieselfde is as die volgolfbaan hierbo.

'n Baie mooi kenmerk van die bruggelykrigter is dat die grondverwysing verander kan word om 'n positiewe en negatiewe uitsetspanning te skep. Dit word onderaan Figuur 5 getoon.

FILTER

Byna alle filtering vir 'n analoog kragbron kom van 'n filter kapasitor. Dit is moontlik om 'n induktor in serie met die uitset te gebruik, maar by 60 Hz moet hierdie induktors redelik groot wees en is duur. Soms word hulle gebruik vir hoëspanning kragbronne waar geskikte kapasitors duur is.

Die formule vir die berekening van die filterkapasitor (C) is redelik eenvoudig, maar jy moet die aanvaarbare piek-tot-piek rimpelspanning (V), halfsiklustyd (T) en stroom getrek (I) ken. Die formule is C=I*T/V, waar C in mikrofarads is, I is in milliampere, T is in millisekondes en V is in volts. Die halfsiklustyd vir 60 Hz is 8.3 millisekondes (verwysing: 1997 Radio Amateur's Handbook).

Dit is duidelik uit die formule dat die filtervereistes verhoog word vir hoë stroom en/of lae rimpel kragbronne, maar dit is net gesonde verstand. 'n Maklik om te onthou voorbeeld is 3,000 XNUMX mikrofarads per ampère stroom sal ongeveer drie volt rimpeling verskaf. U kan verskillende verhoudings uit hierdie voorbeeld werk om redelike ramings te gee van wat u redelik vinnig benodig.

Een belangrike oorweging is die oplewing van stroom by aanskakel. Die filterkapasitors dien as dooie kortbroeke totdat hulle opgelaai word. Hoe groter die kapasitors, hoe groter sal hierdie oplewing wees. Hoe groter die transformator, hoe groter sal die oplewing wees. Vir die meeste laespanning analoog kragbronne (<50 volt), help die transformator wikkelweerstand ietwat. Die 25.2 volt/twee amp transformator het 'n gemete sekondêre weerstand van 0.6 ohm. Dit beperk die maksimum inloop tot 42 ampère. Boonop verminder die induktansie van die transformator dit ietwat. Daar is egter steeds 'n groot potensiële stroomtoename by aanskakel.

Die goeie nuus is dat moderne silikon-gelykrigters dikwels groot stroomstroomvermoëns het. Die standaard 1N400x-familie van diodes word gewoonlik gespesifiseer met 30 ampère se stuwingstroom. Met 'n brugstroombaan is daar twee diodes wat dit dra, so die ergste geval is 21 ampère elk wat onder die 30 amp-spesifikasie is (met die veronderstelling dat gelyke stroomdeling gedeel word, wat nie altyd die geval is nie). Dit is 'n uiterste voorbeeld. Oor die algemeen word 'n faktor van ongeveer 10 gebruik, in plaas van 21.

Nietemin, hierdie huidige oplewing is nie iets wat geïgnoreer moet word nie. Om 'n paar sent meer te spandeer om 'n drie-amp-brug in plaas van 'n een-amp-brug te gebruik, kan geld wees wat goed bestee word.

PRAKTIESE ONTWERP

Ons kan nou hierdie reëls en beginsels gebruik en begin om 'n basiese kragtoevoer te ontwerp. Ons sal die 25.2 volt transformator as die kern van die ontwerp gebruik. Figuur 6 kan gesien word as 'n samestelling van die vorige figure, maar met praktiese deelwaardes bygevoeg. ’n Tweede loodslig in die sekondêre dui sy status aan. Dit wys ook of daar 'n lading op die kapasitor is. Met so 'n groot waarde is dit 'n belangrike veiligheidsoorweging. (Let daarop dat aangesien dit 'n GS-sein is, is die 1N4004 omgekeerde spanningsdiode nie nodig nie.)

FIGUUR 6. Finale ontwerp van die kragtoevoer met praktiese onderdele spesifikasies. Die regulering van die krag word in die volgende artikel bespreek.

---

Dit kan goedkoper wees om twee kleiner kapasitors parallel te gebruik as een groot een. Die werkspanning vir die kapasitor moet ten minste 63 volt wees; 50 volt is nie genoeg marge vir die 40 volt piek nie. 'n 50 volt eenheid bied slegs 25% marge. Dit kan goed wees vir 'n nie-kritiese toepassing, maar as die kapasitor hier misluk, kan die resultate katastrofies wees. 'n 63 volt kapasitor bied ongeveer 'n 60% marge terwyl 'n 100 volt toestel 'n 150% marge gee. Vir kragbronne is 'n algemene reël tussen 50% en 100% marge vir die gelykrigters en kapasitors. (Die rimpeling moet ongeveer twee volt wees, soos getoon.)

Die bruggelykrigter moet die hoë aanvanklike stroomstuwing kan hanteer, so dit is die moeite werd om 'n bykomende sent of twee te spandeer vir verbeterde betroubaarheid. Let daarop dat die brug gespesifiseer word deur wat die transformator kan verskaf eerder as waarvoor die kragtoevoer uiteindelik gespesifiseer word. Dit word gedoen in geval daar 'n uitsetkort is. In so 'n geval sal die volle stroom van die transformator deur die diodes gevoer word. Onthou, 'n kragtoevoeronderbreking is 'n slegte ding. So, ontwerp dit om robuust te wees.

GEVOLGTREKKING

Besonderhede is 'n belangrike oorweging by die ontwerp van 'n kragbron. Let op die verskil tussen RMS spanning en piekspanning is van kritieke belang in die bepaling van die regte werkspannings vir die toevoer. Daarbenewens is die aanvanklike oplewingstroom iets wat nie geïgnoreer kan word nie.

In Deel 2 sal ons hierdie projek voltooi deur 'n drie-terminale reguleerder by te voeg. Ons sal 'n algemene doel, stroombeperkte, verstelbare spanningkragbron met afstandafskakeling ontwerp. Daarbenewens kan die beginsels wat vir hierdie ontwerp gebruik word op enige kragtoevoerontwerp toegepas word. 

Los 'n boodskap 

boodskap Lys