REKA BENTUK BEKALAN KUASA ANALOG ASAS

Ada pepatah lama: "Anda boleh memberi seorang lelaki ikan dan dia akan makan selama sehari atau anda boleh mengajar seorang lelaki memancing dan dia akan makan selama-lamanya." Terdapat banyak artikel yang memberikan pembaca reka bentuk khusus untuk membina bekalan kuasa, dan tidak ada yang salah dengan reka bentuk buku masakan ini. Mereka selalunya mempunyai prestasi yang sangat baik. Walau bagaimanapun, mereka tidak mengajar pembaca cara mereka bentuk bekalan kuasa sendiri. Artikel dua bahagian ini akan bermula dari awal dan menerangkan setiap langkah yang diperlukan untuk membina bekalan kuasa analog asas. Reka bentuk akan memberi tumpuan kepada pengawal selia tiga terminal yang ada di mana-mana dan termasuk beberapa penambahbaikan kepada reka bentuk asas.

Sentiasa penting untuk diingat bahawa bekalan kuasa — sama ada untuk produk tertentu atau sebagai peralatan ujian umum — berpotensi untuk mengejut pengguna, menyalakan api atau memusnahkan peranti yang dikuasakannya. Jelas sekali, ini bukan perkara yang baik. Atas sebab itu, adalah penting untuk mendekati reka bentuk ini secara konservatif. Sediakan banyak margin untuk komponen. Bekalan kuasa yang direka dengan baik adalah yang tidak pernah diperhatikan.

PENUKARAN KUASA INPUT

Rajah 1 menunjukkan reka bentuk asas untuk bekalan kuasa analog biasa. Ia terdiri daripada tiga komponen utama: penukaran kuasa input dan penyaman; pembetulan dan penapisan; dan peraturan. Penukaran kuasa input biasanya merupakan pengubah kuasa dan merupakan satu-satunya kaedah yang dipertimbangkan di sini. Walau bagaimanapun, terdapat beberapa perkara yang penting untuk disebutkan.

RAJAH 1. Bekalan kuasa analog asas terdiri daripada tiga bahagian. Dua yang pertama dibincangkan dalam artikel ini dan yang terakhir dalam ansuran seterusnya.

---

Yang pertama ialah 117 VAC (Volts Alternating Current) adalah benar-benar ukuran RMS (Root Mean Square). (Perhatikan bahawa saya telah melihat kuasa isi rumah biasa yang dinyatakan di mana-mana dari 110 VAC hingga 125 VAC. Saya baru saja mengukur kuasa saya dan mendapati ia tepat 120.0 VAC.) Pengukuran RMS bagi gelombang sinus adalah jauh lebih rendah daripada voltan puncak sebenar dan mewakili voltan DC (Arus Terus) setara yang diperlukan untuk memberikan kuasa yang sama.

penukaran RMS berbeza mengikut bentuk gelombang; untuk gelombang sinus, nilainya ialah 1.414. Ini bermakna sisihan sekitar sifar volt sebenarnya adalah 169.7 volt (untuk kuasa 120 VAC saya). Kuasa pergi dari -169.7 volt kepada +169.7 volt setiap kitaran. Oleh itu, voltan puncak ke puncak sebenarnya ialah 339.4 volt!

Voltan ini menjadi sangat penting apabila menambah kapasitor pintasan pada talian kuasa utama untuk menyekat bunyi daripada memasuki atau meninggalkan bekalan kuasa (situasi biasa). Jika anda fikir voltan sebenar ialah 120 volt, anda boleh menggunakan kapasitor 150 volt. Seperti yang anda lihat, ini tidak betul. Voltan kerja selamat minimum mutlak untuk kapasitor anda ialah 200 volt (250 volt lebih baik). Jangan lupa bahawa jika anda menjangkakan untuk melihat bunyi/pancang pada talian, anda perlu menambah voltan bunyi/pancang itu kepada voltan puncak.

Kekerapan input secara universal ialah 60 Hz di AS. Di Eropah, 50 Hz adalah perkara biasa. Transformer dinilai untuk 60 Hz biasanya akan berprestasi baik pada 50 Hz dan sebaliknya. Selain itu, kestabilan frekuensi talian kuasa biasanya sangat baik dan jarang dipertimbangkan. Kadangkala, anda mungkin mendapati pengubah 400 Hz tersedia. Ini biasanya peranti tentera atau aeronautik dan secara amnya tidak sesuai untuk digunakan pada kuasa 50/60 Hz (atau sebaliknya).

Keluaran pengubah juga dinyatakan sebagai voltan RMS. Selain itu, voltan yang dinyatakan ialah voltan minimum yang dijangkakan di bawah beban penuh. Selalunya terdapat kira-kira 10% peningkatan dalam output undian tanpa beban. (Pengubah 25.2 volt/dua amp saya mengukur 28.6 volt tanpa beban.) Ini bermakna voltan keluaran tanpa beban/puncak sebenar untuk pengubah 25.2 volt saya ialah 40.4 volt! Seperti yang anda boleh lihat, sentiasa penting untuk diingat bahawa voltan RMS yang dinilai untuk kuasa AC adalah jauh lebih rendah daripada voltan puncak sebenar.

Rajah 2 menyediakan reka bentuk penukaran kuasa dan penyaman input biasa. Saya lebih suka menggunakan suis dua kutub walaupun ia tidak semestinya diperlukan. Ia melindungi daripada salur keluar elektrik tersalah wayar (yang jarang berlaku pada hari ini) atau punca kuasa tersalah wayar dalam bekalan kuasa itu sendiri (lebih biasa). Adalah penting bahawa apabila suis kuasa dimatikan, plumbum panas diputuskan daripada bekalan kuasa.

RAJAH 2. Pengkondisian input agak asas, tetapi harus diingat bahawa voltan RMS tidak sama dengan voltan puncak. Voltan puncak 120 VAC RMS ialah kira-kira 170 volt.

---

Fius (atau pemutus litar) adalah perlu. Tujuan utamanya adalah untuk mengelakkan kebakaran kerana tanpanya, transformer atau pintasan litar primer akan membolehkan arus besar mengalir menyebabkan bahagian logam menjadi merah atau putih panas. Ia biasanya jenis pukulan perlahan dengan nilai 250 volt. Penarafan semasa sepatutnya kira-kira dua kali ganda daripada apa yang boleh dijangkakan oleh pengubah untuk lukis.

Sebagai contoh, pengubah dua amp 25.2 volt yang dinyatakan di atas akan menarik kira-kira 0.42 amp arus primer (25.2 volt/120 volt x dua amp). Jadi, fius satu amp adalah munasabah. Fius di bahagian menengah akan dibincangkan dalam artikel seterusnya.

Kapasitor pintasan membantu menapis bunyi dan adalah pilihan. Oleh kerana voltan puncak adalah kira-kira 170 volt, penarafan 250 volt adalah lebih baik daripada penarafan 200 volt marginal. Anda mungkin mahu menggunakan "penapis masuk kuasa." Terdapat banyak jenis unit ini. Sesetengahnya mengandungi penyambung kuasa standard, suis, pemegang fius dan penapis dalam satu pakej kecil. Yang lain mungkin hanya mempunyai sebahagian daripada komponen ini. Biasanya, yang mempunyai segala-galanya agak mahal, tetapi unit lebihan biasanya boleh didapati pada harga yang sangat berpatutan.

Keupayaan untuk menentukan sama ada litar utama dikuasakan adalah penting supaya lampu pandu digunakan. Dua litar biasa ditunjukkan. Lampu neon telah digunakan selama beberapa dekad. Ia mudah dan murah. Ia mempunyai kelemahan iaitu ia agak rapuh (diperbuat daripada kaca); boleh berkelip jika perintang terlalu besar; dan sebenarnya boleh menjana sedikit bunyi elektrik (disebabkan oleh pecahan ionik gas neon secara tiba-tiba).

Litar LED juga memerlukan perintang pengehad arus. Pada 10,000 hms, kira-kira 12 mA arus disediakan. Kebanyakan LED dinilai untuk arus maksimum 20 mA, jadi 12 mA adalah munasabah. (LED kecekapan tinggi mungkin berfungsi dengan memuaskan dengan hanya 1 atau 2 mA, jadi perintang boleh ditingkatkan mengikut keperluan.)

Ambil perhatian bahawa LED mempunyai voltan pecahan terbalik yang sangat lemah (biasanya 10 hingga 20 volt). Atas sebab itu, diod kedua diperlukan. Ini mesti boleh beroperasi dengan sekurang-kurangnya 170 volt PIV (Voltan Songsang Puncak). Standard 1N4003 dinilai pada 200 PIV yang tidak memberikan banyak margin. 1N4004 dinilai pada 400 PIV dan mungkin berharga satu sen lebih. Dengan meletakkannya secara bersiri dengan LED, PIV keseluruhan ialah 400 ditambah PIV LED.

PEMULIHAN DAN PENAPIS

Rajah 3, 4, dan 5 menunjukkan litar pembetulan yang paling tipikal dengan bentuk gelombang keluaran dipaparkan di atas. (Kapasitor penapis tidak ditunjukkan kerana dengan menambahnya, bentuk gelombang berubah kepada sesuatu seperti voltan DC.) Adalah berguna untuk memeriksa tiga litar asas ini untuk mengenal pasti kekuatan dan kelemahannya.

Rajah 3 menunjukkan penerus separuh gelombang asas. Satu-satunya ciri penebusan ini ialah ia sangat mudah, hanya menggunakan satu penerus. Ciri buruknya ialah ia hanya menggunakan separuh daripada kitaran kuasa menjadikan kecekapan teori litar kurang daripada 50% hanya untuk dimulakan. Selalunya, bekalan kuasa penerus separuh gelombang hanya 30% cekap. Memandangkan transformer adalah barang yang mahal, ketidakcekapan ini sangat mahal. Kedua, bentuk gelombang sangat sukar untuk ditapis. Separuh masa tiada kuasa langsung datang dari pengubah. Melicinkan keluaran memerlukan nilai kapasitansi yang sangat tinggi. Ia jarang digunakan untuk bekalan kuasa analog.

RAJAH 3. Litar penerus separuh gelombang adalah mudah tetapi ia menghasilkan bentuk gelombang keluaran yang lemah yang sangat sukar untuk ditapis. Selain itu, separuh daripada kuasa pengubah terbuang. (Perhatikan bahawa kapasitor penapisan diabaikan untuk kejelasan kerana ia mengubah bentuk gelombang.)

---

Perkara yang menarik dan penting berlaku apabila kapasitor penapis ditambah pada litar penerus separuh gelombang. Perbezaan voltan tanpa beban berganda. Ini kerana kapasitor menyimpan tenaga daripada separuh pertama (bahagian positif) kitaran. Apabila separuh masa kedua berlaku, kapasitor memegang voltan puncak positif dan voltan puncak negatif dikenakan pada terminal lain menyebabkan voltan puncak ke puncak penuh dapat dilihat oleh kapasitor dan melalui itu, diod. Oleh itu, untuk pengubah 25.2 volt di atas, voltan puncak sebenar yang dilihat oleh komponen ini boleh melebihi 80 volt!

Rajah 4 (litar atas) ialah contoh litar penerus gelombang penuh/ketuk tengah biasa. Apabila ini digunakan, dalam kebanyakan kes, ia mungkin tidak sepatutnya. Ia memberikan output bagus yang diperbetulkan sepenuhnya. Ini menjadikan penapisan agak mudah. Ia hanya menggunakan dua penerus, jadi ia agak murah. Walau bagaimanapun, ia tidak lebih cekap daripada litar separuh gelombang yang dibentangkan di atas.

RAJAH 4. Reka bentuk gelombang penuh (atas) menghasilkan output yang bagus. Dengan melukis semula litar (bawah), ia boleh dilihat bahawa ia hanya dua penerus separuh gelombang yang disambungkan bersama. Sekali lagi, separuh kuasa pengubah dibazirkan.

---

Ini dapat dilihat dengan melukis semula litar dengan dua transformer (Rajah 4 bawah). Apabila ini dilakukan, menjadi jelas bahawa gelombang penuh hanyalah dua litar separuh gelombang yang disambungkan bersama. Separuh daripada setiap kitaran kuasa pengubah tidak digunakan. Oleh itu, kecekapan teori maksimum ialah 50% dengan kecekapan sebenar sekitar 30%.

PIV litar adalah separuh daripada litar separuh gelombang kerana voltan masukan ke diod adalah separuh daripada keluaran pengubah. Paip tengah menyediakan separuh voltan ke dua hujung belitan pengubah. Jadi, untuk contoh pengubah 25.2 volt, PIV ialah 35.6 volt ditambah peningkatan tanpa beban iaitu kira-kira 10% lebih.

Rajah 5 menunjukkan litar penerus jambatan yang sepatutnya menjadi pilihan pertama. Output diperbetulkan sepenuhnya jadi penapisan agak mudah. Walau bagaimanapun, yang paling penting, ia menggunakan kedua-dua bahagian kitaran kuasa. Ini adalah reka bentuk yang paling cekap dan mendapat yang terbaik daripada pengubah yang mahal. Menambah dua diod jauh lebih murah daripada menggandakan penarafan kuasa pengubah (diukur dalam "Volt-Amps" atau VA).

RAJAH 5. Pendekatan penerus jambatan (atas) menyediakan penggunaan sepenuhnya kuasa pengubah dan dengan pembetulan gelombang penuh. Selain itu, dengan menukar rujukan tanah (bawah), bekalan kuasa voltan dwi boleh diperolehi.

---

Satu-satunya kelemahan reka bentuk ini ialah kuasa mesti melalui dua diod dengan penurunan voltan yang terhasil sebanyak 1.4 volt dan bukannya 0.7 volt untuk reka bentuk lain. Secara amnya, ini hanya kebimbangan untuk bekalan kuasa voltan rendah di mana tambahan 0.7 volt mewakili sebahagian besar daripada output. (Dalam keadaan sedemikian, bekalan kuasa pensuisan biasanya digunakan dan bukannya salah satu daripada litar di atas.)

Oleh kerana terdapat dua diod yang digunakan untuk setiap separuh kitaran, hanya separuh daripada voltan pengubah dilihat oleh setiap satu. Ini menjadikan PIV sama dengan voltan masukan puncak atau 1.414 kali voltan pengubah, yang sama dengan litar gelombang penuh di atas.

Satu ciri yang sangat bagus bagi penerus jambatan ialah rujukan tanah boleh ditukar untuk menghasilkan voltan keluaran positif dan negatif. Ini ditunjukkan di bahagian bawah Rajah 5.

PENAPISAN

Hampir semua penapisan untuk bekalan kuasa analog datang daripada kapasitor penapis. Anda boleh menggunakan induktor secara bersiri dengan output, tetapi pada 60 Hz, induktor ini mestilah agak besar dan mahal. Kadangkala, ia digunakan untuk bekalan kuasa voltan tinggi di mana kapasitor yang sesuai adalah mahal.

Formula untuk mengira kapasitor penapis (C) agak mudah, tetapi anda perlu mengetahui voltan riak puncak-ke-puncak (V), masa separuh kitaran (T) dan arus (I) yang boleh diterima. Formulanya ialah C=I*T/V, di mana C dalam mikrofarad, I dalam miliamp, T dalam milisaat, dan V dalam volt. Masa separuh kitaran untuk 60 Hz ialah 8.3 milisaat (rujukan: Buku Panduan Amatur Radio 1997).

Jelas daripada formula bahawa keperluan penapisan ditingkatkan untuk bekalan kuasa arus tinggi dan/atau riak rendah, tetapi ini hanya akal. Contoh yang mudah diingat ialah 3,000 mikrofarad per ampere arus akan memberikan kira-kira tiga volt riak. Anda boleh menggunakan pelbagai nisbah daripada contoh ini untuk memberikan anggaran munasabah tentang perkara yang anda perlukan dengan agak cepat.

Satu pertimbangan penting ialah lonjakan arus semasa menghidupkan. Kapasitor penapis bertindak sebagai seluar pendek mati sehingga ia dicas. Lebih besar kapasitor, lebih besar lonjakan ini akan berlaku. Lebih besar transformer, lebih besar lonjakan akan berlaku. Untuk kebanyakan bekalan kuasa analog voltan rendah (<50 volt), rintangan belitan pengubah agak membantu. Pengubah 25.2 volt/dua amp mempunyai rintangan sekunder yang diukur sebanyak 0.6 ohm. Ini mengehadkan kemasukan maksimum kepada 42 amp. Di samping itu, kearuhan pengubah mengurangkan ini sedikit. Walau bagaimanapun, masih terdapat potensi lonjakan arus yang besar semasa menghidupkan.

Berita baiknya ialah penerus silikon moden selalunya mempunyai keupayaan arus lonjakan yang besar. Keluarga diod 1N400x standard biasanya ditentukan dengan 30 amp arus lonjakan. Dengan litar jambatan, terdapat dua diod yang membawa ini, jadi kes terburuk ialah 21 amp setiap satu yang berada di bawah spesifikasi 30 amp (dengan mengandaikan perkongsian arus yang sama, yang tidak selalu berlaku). Ini adalah contoh yang melampau. Secara amnya, faktor kira-kira 10 digunakan, bukannya 21.

Namun begitu, lonjakan semasa ini bukanlah sesuatu yang boleh diabaikan. Membelanjakan beberapa sen lagi untuk menggunakan jambatan tiga amp dan bukannya jambatan satu amp mungkin merupakan wang yang dibelanjakan dengan baik.

REKA BENTUK PRAKTIKAL

Kami kini boleh menggunakan peraturan dan prinsip ini dan mula mereka bentuk bekalan kuasa asas. Kami akan menggunakan pengubah 25.2 volt sebagai teras reka bentuk. Rajah 6 boleh dilihat sebagai komposit daripada angka sebelumnya tetapi dengan nilai bahagian praktikal ditambah. Lampu pandu kedua di bahagian kedua menunjukkan statusnya. Ia juga menunjukkan jika terdapat cas pada kapasitor. Dengan nilai yang begitu besar, ini merupakan pertimbangan keselamatan yang penting. (Perhatikan bahawa kerana ini adalah isyarat DC, diod voltan terbalik 1N4004 tidak diperlukan.)

RAJAH 6. Reka bentuk akhir bekalan kuasa dengan spesifikasi bahagian praktikal. Mengawal selia kuasa dibincangkan dalam artikel seterusnya.

---

Ia mungkin lebih murah untuk menggunakan dua kapasitor yang lebih kecil secara selari daripada satu kapasitor besar. Voltan kerja untuk kapasitor mestilah sekurang-kurangnya 63 volt; 50 volt tidak cukup margin untuk puncak 40 volt. Unit 50 volt hanya memberikan margin 25%. Ini mungkin baik untuk aplikasi yang tidak kritikal, tetapi jika kapasitor gagal di sini, hasilnya boleh menjadi bencana. Kapasitor 63 volt memberikan margin kira-kira 60% manakala peranti 100 volt memberikan margin 150%. Untuk bekalan kuasa, peraturan am adalah antara 50% dan 100% margin untuk penerus dan kapasitor. (Riak hendaklah kira-kira dua volt, seperti yang ditunjukkan.)

Penerus jambatan mesti mampu menangani lonjakan arus awal yang tinggi, jadi membelanjakan satu atau dua sen tambahan untuk kebolehpercayaan yang lebih baik adalah berbaloi. Ambil perhatian bahawa jambatan ditentukan oleh apa yang boleh dibekalkan oleh pengubah dan bukannya untuk apa bekalan kuasa akhirnya ditentukan. Ini dilakukan sekiranya terdapat kekurangan output. Dalam kes sedemikian, arus penuh pengubah akan dilalui melalui diod. Ingat, kegagalan bekalan kuasa adalah perkara yang buruk. Jadi, reka bentuknya supaya mantap.

KESIMPULAN

Butiran adalah pertimbangan penting dalam mereka bentuk bekalan kuasa. Memperhatikan perbezaan antara voltan RMS dan voltan puncak adalah penting dalam menentukan voltan kerja yang sesuai untuk bekalan. Selain itu, arus lonjakan awal adalah sesuatu yang tidak boleh diabaikan.

Dalam Bahagian 2, kami akan melengkapkan projek ini dengan menambahkan pengawal selia tiga terminal. Kami akan mereka bentuk bekalan kuasa voltan boleh laras tujuan am, terhad semasa dengan penutupan jauh. Selain itu, prinsip yang digunakan untuk reka bentuk ini boleh digunakan pada sebarang reka bentuk bekalan kuasa. 

Tinggalkan pesanan 

Senarai mesej