BASIS ANALOGE VOEDINGSONTWERP

Er is een oud gezegde: "Je kunt een man een vis geven en hij heeft een dag te eten of je kunt een man leren vissen en hij zal voor altijd eten." Er zijn veel artikelen die de lezer een specifiek ontwerp geven voor het bouwen van een voeding, en er is niets mis met deze kookboekontwerpen. Ze presteren vaak erg goed. Ze leren de lezers echter niet hoe ze zelf een voeding kunnen ontwerpen. Dit tweedelige artikel begint bij het begin en legt elke stap uit die nodig is om een ​​analoge basisvoeding te bouwen. Het ontwerp zal zich richten op de alomtegenwoordige drie-terminal regelaar en een aantal verbeteringen aan het basisontwerp bevatten.

Het is altijd belangrijk om te onthouden dat de voeding — hetzij voor een bepaald product of als algemene testapparatuur — de gebruiker kan elektrocuteren, brand kan veroorzaken of het apparaat dat het van stroom voorziet kan vernietigen. Het is duidelijk dat dit geen goede dingen zijn. Om die reden is het van cruciaal belang om dit ontwerp conservatief te benaderen. Zorg voor voldoende marge voor componenten. Een goed ontworpen voeding is er een die nooit wordt opgemerkt.

INGANGSVERMOGEN CONVERSIE

Afbeelding 1 toont het fundamentele ontwerp voor een typische analoge voeding. Het bestaat uit drie hoofdcomponenten: conversie en conditionering van het ingangsvermogen; rectificatie en filtering; en regelgeving. De conversie van het ingangsvermogen is meestal een stroomtransformator en is de enige methode die hier wordt overwogen. Er zijn echter een paar punten die belangrijk zijn om te vermelden.

AFBEELDING 1. Een analoge basisvoeding bestaat uit drie delen. De eerste twee worden in dit artikel besproken en de laatste in de volgende aflevering.

---

De eerste is dat 117 VAC (Volts Alternating Current) echt een RMS (Root Mean Square) meting is. (Merk op dat ik gewone huishoudelijke stroom heb gezien die ergens tussen 110 VAC en 125 VAC wordt gespecificeerd. Ik heb zojuist de mijne gemeten en ontdekte dat deze precies 120.0 VAC was.) Een RMS-meting van een sinusgolf is veel lager dan de werkelijke piekspanning en vertegenwoordigt de equivalente gelijkstroom (gelijkstroom) spanning die nodig is om hetzelfde vermogen te leveren.

De RMS-conversie varieert afhankelijk van de golfvorm; voor een sinusgolf is de waarde 1.414. Dit betekent dat de afwijking rond nul volt eigenlijk 169.7 volt is (voor mijn 120 VAC-vermogen). Het vermogen gaat elke cyclus van -169.7 volt naar +169.7 volt. Daarom is de piek-tot-piekspanning eigenlijk 339.4 volt!

Deze spanning wordt vooral belangrijk bij het toevoegen van bypass-condensatoren aan de hoofdstroomleidingen om ruis te onderdrukken die de voeding binnenkomt of verlaat (een veel voorkomende situatie). Als u denkt dat de werkelijke spanning 120 volt is, kunt u condensatoren van 150 volt gebruiken. Zoals u kunt zien, is dit niet correct. De absolute minimale veilige werkspanning voor uw condensatoren is 200 volt (250 volt is beter). Vergeet niet dat als u ruis/pieken op de lijn verwacht, u die ruis/piekspanning bij de piekspanning moet optellen.

De ingangsfrequentie is universeel 60 Hz in de VS. In Europa is 50 Hz gebruikelijk. Transformatoren die geschikt zijn voor 60 Hz zullen over het algemeen goed presteren op 50 Hz en vice versa. Bovendien is de frequentiestabiliteit van de stroomlijn meestal uitstekend en zelden een overweging. Soms vindt u 400 Hz-transformatoren beschikbaar. Dit zijn typisch militaire of luchtvaartapparatuur en zijn over het algemeen niet geschikt voor gebruik op 50/60 Hz stroom (of vice versa).

De uitgang van de transformator wordt ook gespecificeerd als een RMS-spanning. Bovendien is de gespecificeerde spanning de minimale spanning die wordt verwacht onder volledige belasting. Vaak is er een toename van ongeveer 10% van het nominale vermogen zonder belasting. (Mijn 25.2 volt/twee ampère transformator meet 28.6 volt zonder belasting.) Dit betekent dat de werkelijke nullast/piek uitgangsspanning voor mijn 25.2 volt transformator 40.4 volt is! Zoals u kunt zien, is het altijd belangrijk om te onthouden dat de nominale RMS-spanningen voor wisselstroom aanzienlijk lager zijn dan de werkelijke piekspanningen.

Afbeelding 2 geeft een typisch ontwerp voor de conversie en conditionering van ingangsvermogen. Ik gebruik liever een dubbelpolige schakelaar, al is dat niet absoluut noodzakelijk. Het beschermt tegen verkeerd bekabelde stopcontacten (wat tegenwoordig zeldzaam is) of verkeerd bekabelde voedingskabels in de voeding zelf (veel gebruikelijker). Het is van vitaal belang dat wanneer de stroomschakelaar is uitgeschakeld, de hete kabel is losgekoppeld van de voeding.

AFBEELDING 2. De ingangsconditionering is vrij eenvoudig, maar er moet aan worden herinnerd dat de RMS-spanning niet hetzelfde is als de piekspanning. De piekspanning van 120 VAC RMS is ongeveer 170 volt.

---

De zekering (of stroomonderbreker) is noodzakelijk. Het belangrijkste doel is om brand te voorkomen, want zonder een transformator of kortsluiting in het primaire circuit kunnen er enorme stromen vloeien, waardoor metalen onderdelen rood of zelfs witgloeiend worden. Het is meestal een langzaam type met een vermogen van 250 volt. De huidige rating moet ongeveer het dubbele zijn van wat de transformator kan verwachten te trekken.

De hierboven genoemde 25.2 volt-transformator van twee ampère zal bijvoorbeeld ongeveer 0.42 ampère primaire stroom trekken (25.2 volt/120 volt x twee ampère). Een zekering van één ampère is dus redelijk. Een zekering in de secundaire zal in het volgende artikel worden besproken.

De bypass-condensatoren helpen ruis weg te filteren en zijn optioneel. Aangezien de piekspanning ongeveer 170 volt is, is een nominale spanning van 250 volt beter dan een marginale waarde van 200 volt. Misschien wilt u een "stroominvoerfilter" gebruiken. Er zijn veel soorten van deze eenheden. Sommige bevatten een standaard stroomconnector, schakelaar, zekeringhouder en filter in één klein pakket. Anderen hebben mogelijk slechts enkele van deze componenten. Meestal zijn degenen met alles vrij duur, maar overtollige eenheden zijn meestal tegen zeer redelijke prijzen te vinden.

Het is belangrijk om te kunnen bepalen of het primaire circuit wordt gevoed, dus een waakvlam wordt gebruikt. Er worden twee typische circuits getoond. De neonlamp wordt al tientallen jaren gebruikt. Het is eenvoudig en goedkoop. Het heeft de nadelen dat het enigszins breekbaar is (van glas gemaakt); kan flikkeren als de weerstand te groot is; en kan zelfs enige elektrische ruis genereren (vanwege de plotselinge ionische afbraak van het neongas).

De LED-schakeling vereist ook een stroombegrenzende weerstand. Bij 10,000 hms wordt ongeveer 12 mA stroom geleverd. De meeste LED's hebben een maximale stroom van 20 mA, dus 12 mA is redelijk. (Hoogrendement-LED's kunnen naar tevredenheid werken met slechts 1 of 2 mA, dus de weerstand kan naar behoefte worden verhoogd.)

Merk op dat LED's echt slechte doorslagspanningen hebben (meestal 10 tot 20 volt). Om die reden is een tweede diode noodzakelijk. Deze moet kunnen werken met minimaal 170 volt PIV (Peak Inverse Voltage). De standaard 1N4003 heeft een rating van 200 PIV, wat niet veel marge biedt. De 1N4004 heeft een rating van 400 PIV en kost misschien een cent meer. Door het in serie te plaatsen met de LED, is de totale PIV 400 plus de LED PIV.

RECTIFICATIE EN FILTERING

Figuren 3, 4 en 5 tonen de meest typische rectificatiecircuits met de hierboven weergegeven uitgangsgolfvorm. (De filtercondensator wordt niet getoond, omdat door deze toe te voegen de golfvorm verandert in iets als een gelijkspanning.) Het is nuttig om deze drie basiscircuits te onderzoeken om de sterke en zwakke punten ervan te identificeren.

Figuur 3 toont de standaard halfgolfgelijkrichter. Het enige verlossende kenmerk hiervan is dat het heel eenvoudig is, met slechts een enkele gelijkrichter. Het slechte kenmerk is dat het slechts de helft van de vermogenscyclus gebruikt, waardoor de theoretische efficiëntie van het circuit minder dan 50% is om te starten. Vaak zijn halfgolfgelijkrichtervoedingen slechts 30% efficiënt. Omdat transformatoren dure items zijn, is deze inefficiëntie erg kostbaar. Ten tweede is de golfvorm erg moeilijk te filteren. De helft van de tijd komt er helemaal geen stroom uit de transformator. Het afvlakken van de output vereist zeer hoge capaciteitswaarden. Het wordt zelden gebruikt voor een analoge voeding.

AFBEELDING 3. De halfgolfgelijkrichterschakeling is eenvoudig, maar produceert een slechte uitgangsgolfvorm die zeer moeilijk te filteren is. Bovendien gaat de helft van het transformatorvermogen verloren. (Merk op dat de filtercondensatoren voor de duidelijkheid zijn weggelaten omdat ze de golfvorm veranderen.)

---

Een interessant en belangrijk ding gebeurt wanneer een filtercondensator wordt toegevoegd aan een halfgolfgelijkrichtercircuit. Het nullastspanningsverschil verdubbelt. Dit komt omdat de condensator energie opslaat uit de eerste helft (positief deel) van de cyclus. Wanneer de tweede helft plaatsvindt, houdt de condensator de positieve piekspanning vast en wordt de negatieve piekspanning toegepast op de andere klem, waardoor een volledige piek-tot-piekspanning wordt gezien door de condensator en daardoor de diode. Dus voor een transformator van 25.2 volt hierboven, kan de werkelijke piekspanning die door deze componenten wordt gezien, meer dan 80 volt zijn!

Afbeelding 4 (bovenste circuit) is een voorbeeld van een typisch full-wave / center-tap gelijkrichtercircuit. Wanneer dit wordt gebruikt, zou het in de meeste gevallen waarschijnlijk niet zo moeten zijn. Het zorgt voor een mooie output die volledig wordt gecorrigeerd. Dit maakt filteren relatief eenvoudig. Het gebruikt slechts twee gelijkrichters, dus het is vrij goedkoop. Het is echter niet efficiënter dan het hierboven gepresenteerde halfgolfcircuit.

FIGUUR 4. Het full-wave ontwerp (boven) geeft een mooie output. Door het circuit (onderaan) opnieuw te tekenen, kan worden gezien dat het eigenlijk slechts twee halfgolfgelijkrichters zijn die met elkaar zijn verbonden. Nogmaals, de helft van het transformatorvermogen wordt verspild.

---

Dit is te zien door het circuit opnieuw te tekenen met twee transformatoren (Figuur 4 onderaan). Wanneer dit is gebeurd, wordt het duidelijk dat de volledige golf eigenlijk slechts twee halve golfcircuits is die met elkaar zijn verbonden. De helft van elke stroomcyclus van de transformator wordt niet gebruikt. Het maximale theoretische rendement is dus 50% met een reëel rendement rond de 30%.

De PIV van het circuit is de helft van het halvegolfcircuit omdat de ingangsspanning naar de diodes de helft van de transformatoruitgang is. De middenaftakking levert de helft van de spanning aan de twee uiteinden van de transformatorwikkelingen. Dus voor het voorbeeld van de 25.2 volt transformator is de PIV 35.6 volt plus de nullasttoename die ongeveer 10% meer is.

Figuur 5 presenteert het bruggelijkrichtercircuit dat over het algemeen de eerste keuze zou moeten zijn. De output is volledig gelijkgericht, dus filteren is vrij eenvoudig. Het belangrijkste is echter dat het beide helften van de vermogenscyclus gebruikt. Dit is het meest efficiënte ontwerp en haalt het meeste uit de dure transformator. Het toevoegen van twee diodes is veel goedkoper dan het verdubbelen van het vermogen van de transformator (gemeten in "Volt-Amps" of VA).

AFBEELDING 5. De bruggelijkrichterbenadering (boven) zorgt voor volledig gebruik van het transformatorvermogen en met een tweezijdige gelijkrichting. Door de aardingsreferentie (onder) te wijzigen, kan bovendien een voeding met dubbele spanning worden verkregen.

---

Het enige nadeel van dit ontwerp is dat de stroom door twee diodes moet gaan met een resulterende spanningsval van 1.4 volt in plaats van 0.7 volt voor de andere ontwerpen. Over het algemeen is dit alleen een zorg voor laagspanningsvoedingen waarbij de extra 0.7 volt een aanzienlijk deel van de output vertegenwoordigt. (In dergelijke gevallen wordt meestal een schakelende voeding gebruikt in plaats van een van de bovenstaande circuits.)

Omdat er voor elke halve cyclus twee diodes worden gebruikt, wordt door elk slechts de helft van de transformatorspanning gezien. Dit maakt de PIV gelijk aan de piekingangsspanning of 1.414 keer de transformatorspanning, wat hetzelfde is als het bovenstaande full-wave circuit.

Een zeer mooie eigenschap van de bruggelijkrichter is dat de grondreferentie kan worden gewijzigd om een ​​positieve en negatieve uitgangsspanning te creëren. Dit is weergegeven in de onderkant van figuur 5.

FILTEREN

Bijna alle filtering voor een analoge voeding komt van een filtercondensator. Het is mogelijk om een ​​spoel in serie met de uitgang te gebruiken, maar bij 60 Hz moeten deze inductoren behoorlijk groot zijn en zijn ze duur. Af en toe worden ze gebruikt voor hoogspanningsvoedingen waar geschikte condensatoren duur zijn.

De formule voor het berekenen van de filtercondensator (C) is vrij eenvoudig, maar u moet de acceptabele piek-tot-piek rimpelspanning (V), halve cyclustijd (T) en opgenomen stroom (I) weten. De formule is C=I*T/V, waarbij C in microfarads is, I in milliampère, T in milliseconden en V in volt. De halve cyclustijd voor 60 Hz is 8.3 milliseconden (referentie: Radio Amateur's Handbook 1997).

Uit de formule blijkt duidelijk dat de filtervereisten worden verhoogd voor voedingen met een hoge stroomsterkte en/of een lage rimpelspanning, maar dit is gewoon gezond verstand. Een gemakkelijk te onthouden voorbeeld is dat 3,000 microfarads per ampère stroom ongeveer drie volt aan rimpeling geven. U kunt verschillende verhoudingen uit dit voorbeeld gebruiken om redelijk snel redelijke schattingen te maken van wat u nodig heeft.

Een belangrijke overweging is de stroomstoot bij het inschakelen. De filtercondensatoren fungeren als dode kortsluitingen totdat ze worden opgeladen. Hoe groter de condensatoren, hoe groter deze piek zal zijn. Hoe groter de transformator, hoe groter de piek zal zijn. Voor de meeste analoge laagspanningsvoedingen (<50 volt), helpt de weerstand van de transformatorwikkeling enigszins. De transformator van 25.2 volt/twee ampère heeft een gemeten secundaire weerstand van 0.6 ohm. Dit beperkt de maximale inschakelstroom tot 42 ampère. Bovendien vermindert de inductantie van de transformator dit enigszins. Er is echter nog steeds een grote potentiële stroomstoot bij het inschakelen.

Het goede nieuws is dat moderne siliciumgelijkrichters vaak enorme piekstroommogelijkheden hebben. De standaard 1N400x-familie van diodes wordt meestal gespecificeerd met 30 ampère piekstroom. Met een brugcircuit zijn er twee diodes die dit dragen, dus in het slechtste geval is elk 21 ampère, wat onder de specificatie van 30 ampère ligt (uitgaande van een gelijke stroomverdeling, wat niet altijd het geval is). Dit is een extreem voorbeeld. Over het algemeen wordt een factor van ongeveer 10 gebruikt in plaats van 21.

Toch is deze stroomstoot niet iets om te negeren. Een paar cent meer uitgeven om een ​​brug van drie ampère te gebruiken in plaats van een brug van één ampère kan goed besteed geld zijn.

PRAKTISCH ONTWERP

We kunnen deze regels en principes nu toepassen en beginnen met het ontwerpen van een basisstroomvoorziening. We gebruiken de 25.2 volt transformator als de kern van het ontwerp. Figuur 6 kan worden gezien als een samenstelling van de vorige figuren, maar met toegevoegde praktische deelwaarden. Een tweede controlelampje in de secundaire geeft de status aan. Het geeft ook aan of er een lading op de condensator zit. Met zo'n grote waarde is dit een belangrijke veiligheidsoverweging. (Merk op dat aangezien dit een gelijkstroomsignaal is, de 1N4004 sperspanningsdiode niet nodig is.)

FIGUUR 6. Definitief ontwerp van de voeding met praktische onderdelenspecificaties. Het regelen van het vermogen wordt besproken in het volgende artikel.

---

Het kan goedkoper zijn om twee kleinere condensatoren parallel te gebruiken dan één grote. De werkspanning voor de condensator moet minimaal 63 volt zijn; 50 volt is niet genoeg marge voor de 40 volt piek. Een 50 volt unit geeft slechts 25% marge. Dit kan prima zijn voor een niet-kritieke toepassing, maar als de condensator hier uitvalt, kunnen de resultaten catastrofaal zijn. Een condensator van 63 volt biedt een marge van ongeveer 60%, terwijl een apparaat van 100 volt een marge van 150% geeft. Voor voedingen is een algemene vuistregel tussen 50% en 100% marge voor de gelijkrichters en condensatoren. (De rimpel moet ongeveer twee volt zijn, zoals weergegeven.)

De bruggelijkrichter moet de hoge initiële stroomstoot aankunnen, dus het is de moeite waard om een ​​of twee extra centen uit te geven voor een betere betrouwbaarheid. Merk op dat de brug wordt gespecificeerd door wat de transformator kan leveren in plaats van waarvoor de voeding uiteindelijk is gespecificeerd. Dit wordt gedaan in het geval er een output kortsluiting is. In een dergelijk geval zal de volledige stroom van de transformator door de diodes worden geleid. Onthoud dat een stroomstoring een slechte zaak is. Ontwerp het dus robuust.

CONCLUSIE

Details zijn een belangrijke overweging bij het ontwerpen van een voeding. Het verschil tussen RMS-spanning en piekspanning is van cruciaal belang bij het bepalen van de juiste werkspanningen voor de voeding. Bovendien is de initiële piekstroom iets dat niet kan worden genegeerd.

In deel 2 zullen we dit project voltooien door een regelaar met drie aansluitingen toe te voegen. We ontwerpen een stroombegrensde, instelbare spanningsvoeding voor algemeen gebruik met uitschakeling op afstand. Bovendien kunnen de principes die voor dit ontwerp worden gebruikt, worden toegepast op elk ontwerp van de voeding. 

Laat een bericht achter 

Message List