BASIC ANALOG POWER SUPPLY DESIGN

Mayroong matandang kasabihan: "Maaari mong bigyan ang isang tao ng isda at kakain siya sa loob ng isang araw o maaari mong turuan ang isang tao na mangisda at kakain siya magpakailanman." Mayroong maraming mga artikulo na nagbibigay sa mambabasa ng isang tiyak na disenyo para sa pagbuo ng isang power supply, at walang mali sa mga disenyo ng cookbook na ito. Kadalasan ay mayroon silang napakahusay na pagganap. Gayunpaman, hindi nila tinuturuan ang mga mambabasa kung paano magdisenyo ng power supply nang mag-isa. Ang dalawang-bahaging artikulong ito ay magsisimula sa simula at ipaliwanag ang bawat hakbang na kinakailangan upang makabuo ng pangunahing analog power supply. Ang disenyo ay tututuon sa nasa lahat ng dako ng tatlong-terminal na regulator at magsasama ng ilang mga pagpapahusay sa pangunahing disenyo.

Palaging mahalagang tandaan na ang power supply — para sa isang partikular na produkto o bilang isang pangkalahatang piraso ng pansubok na kagamitan — ay may potensyal na makuryente ang user, magsimula ng sunog, o masira ang device na pinapagana nito. Malinaw, ang mga ito ay hindi magandang bagay. Para sa kadahilanang iyon, kritikal na lapitan ang disenyo na ito nang konserbatibo. Magbigay ng maraming margin para sa mga bahagi. Ang isang mahusay na dinisenyo na supply ng kuryente ay isa na hindi napapansin.

INPUT POWER CONVERSION

Ipinapakita ng Figure 1 ang pangunahing disenyo para sa isang tipikal na analog power supply. Ito ay binubuo ng tatlong pangunahing bahagi: input power conversion at conditioning; pagwawasto at pagsasala; at regulasyon. Ang input power conversion ay karaniwang isang power transformer at ang tanging paraan na isinasaalang-alang dito. Gayunpaman, mayroong ilang mga punto na mahalagang banggitin.

FIGURE 1. Ang pangunahing analog power supply ay binubuo ng tatlong bahagi. Ang unang dalawa ay tinalakay sa artikulong ito at ang huli sa susunod na yugto.

---

Ang una ay ang 117 VAC (Volts Alternating Current) ay talagang isang sukat na RMS (Root Mean Square). (Tandaan na nakakita ako ng ordinaryong kapangyarihan ng sambahayan na tinukoy kahit saan mula sa 110 VAC hanggang 125 VAC. Sinukat ko lang ang sa akin at nalaman kong ito ay eksaktong 120.0 VAC.) Ang isang RMS na pagsukat ng isang sine wave ay mas mababa kaysa sa aktwal na peak voltage at kumakatawan sa ang katumbas na boltahe ng DC (Direct Current) na kailangan upang magbigay ng parehong kapangyarihan.

ang RMS conversion ay nag-iiba ayon sa hugis ng alon; para sa isang sine wave, ang halaga ay 1.414. Nangangahulugan ito na ang paglihis sa paligid ng zero volts ay talagang 169.7 volts (para sa aking 120 VAC power). Ang kapangyarihan ay mula -169.7 volts hanggang +169.7 volts bawat cycle. Samakatuwid, ang peak-to-peak na boltahe ay talagang 339.4 volts!

Ang boltahe na ito ay nagiging lalong mahalaga kapag nagdaragdag ng mga bypass capacitor sa mga pangunahing linya ng kuryente upang pigilan ang ingay mula sa pagpasok o pag-alis ng power supply (isang karaniwang sitwasyon). Kung sa tingin mo ang aktwal na boltahe ay 120 volts, maaari kang gumamit ng 150 volt capacitor. Tulad ng nakikita mo, hindi ito tama. Ang absolute minimum safe working voltage para sa iyong mga capacitor ay 200 volts (250 volts ay mas mahusay). Huwag kalimutan na kung inaasahan mong makakita ng ingay/spike sa linya, kailangan mong idagdag ang ingay/spike na boltahe sa peak voltage.

Ang dalas ng pag-input ay pangkalahatang 60 Hz sa USA. Sa Europa, karaniwan ang 50 Hz. Ang mga transformer na na-rate para sa 60 Hz ay ​​karaniwang gumaganap ng mahusay sa 50 Hz at vice versa. Bukod pa rito, ang katatagan ng dalas ng linya ng kuryente ay kadalasang mahusay at bihirang isaalang-alang. Paminsan-minsan, maaari kang makakita ng 400 Hz transformer na magagamit. Ang mga ito ay karaniwang pangmilitar o aeronautical na mga device at sa pangkalahatan ay hindi angkop para sa paggamit sa 50/60 Hz power (o vice versa).

Ang output ng transpormer ay tinukoy din bilang isang boltahe ng RMS. Bukod pa rito, ang tinukoy na boltahe ay ang pinakamababang boltahe na inaasahan sa ilalim ng buong pagkarga. Kadalasan mayroong humigit-kumulang 10% na pagtaas sa na-rate na output na walang load. (Ang aking 25.2 volt/two-amp transformer ay sumusukat ng 28.6 volts na walang load.) Nangangahulugan ito na ang aktwal na no-load/peak na output boltahe para sa aking 25.2 volt transformer ay 40.4 volts! Tulad ng nakikita mo, palaging mahalagang tandaan na ang mga na-rate na boltahe ng RMS para sa AC power ay mas mababa sa aktwal na mga peak na boltahe.

Ang Figure 2 ay nagbibigay ng tipikal na input power conversion at disenyo ng conditioning. Mas gusto kong gumamit ng double-pole switch kahit na hindi ito ganap na kinakailangan. Pinoprotektahan nito laban sa mga miswired electrical outlet (na bihira na ngayon) o miswired power lead sa mismong power supply (mas karaniwan). Mahalaga na kapag ang switch ng kuryente ay naka-off, ang mainit na lead ay madidiskonekta sa power supply.

FIGURE 2. Ang input conditioning ay medyo basic, ngunit dapat tandaan na ang RMS boltahe ay hindi katulad ng peak boltahe. Ang pinakamataas na boltahe ng 120 VAC RMS ay tungkol sa 170 volts.

---

Ang fuse (o circuit breaker) ay kinakailangan. Ang pangunahing layunin nito ay upang maiwasan ang mga sunog dahil kung wala ito, ang isang transpormer o pangunahing circuit short ay magbibigay-daan sa malalaking alon na dumaloy na nagiging sanhi ng mga bahagi ng metal na maging pula o maging puti. Ito ay karaniwang uri ng mabagal na suntok na may rate na 250 volts. Ang kasalukuyang rating ay dapat na halos doble ng kung ano ang maaaring asahan na iguguhit ng transpormer.

Halimbawa, ang 25.2 volt two-amp transformer na binanggit sa itaas ay kukuha ng humigit-kumulang 0.42 amps ng pangunahing kasalukuyang (25.2 volts/120 volts x dalawang amps). Kaya, ang isang one amp fuse ay makatwiran. Ang isang piyus sa sekondarya ay tatalakayin sa susunod na artikulo.

Ang mga bypass capacitor ay tumutulong na i-filter ang ingay at opsyonal. Dahil ang peak voltage ay humigit-kumulang 170 volts, ang 250 volt rating ay mas mahusay kaysa sa marginal na 200 volt rating. Baka gusto mong gumamit ng "power-entry filter." Mayroong maraming mga uri ng mga yunit na ito. Ang ilan ay naglalaman ng karaniwang power connector, switch, fuse holder, at filter sa isang maliit na pakete. Ang iba ay maaaring mayroon lamang ilan sa mga bahaging ito. Karaniwan, ang mga may lahat ay medyo mahal, ngunit ang mga surplus na yunit ay kadalasang matatagpuan sa napaka-makatwirang mga presyo.

Ang kakayahang matukoy kung ang pangunahing circuit ay pinapagana ay mahalaga kaya ang isang pilot light ay ginagamit. Dalawang tipikal na circuit ang ipinapakita. Ang neon lamp ay ginamit sa loob ng ilang dekada. Ito ay simple at mura. Ito ay may mga kakulangan na ito ay medyo marupok (ginawa sa salamin); maaaring kumikislap kung ang risistor ay masyadong malaki; at maaari talagang makabuo ng ilang electrical noise (dahil sa biglaang pagkasira ng ionic ng neon gas).

Ang LED circuit ay nangangailangan din ng kasalukuyang-limitadong risistor. Sa 10,000 hms, humigit-kumulang 12 mA ng kasalukuyang ay ibinigay. Karamihan sa mga LED ay na-rate para sa isang maximum na kasalukuyang ng 20 mA, kaya 12 mA ay makatwiran. (Ang mga LED na may mataas na kahusayan ay maaaring gumana nang kasiya-siya sa 1 o 2 mA lamang, kaya maaaring tumaas ang risistor kung kinakailangan.)

Tandaan na ang mga LED ay may talagang mahinang reverse breakdown voltages (karaniwang 10 hanggang 20 volts). Para sa kadahilanang iyon, kinakailangan ang pangalawang diode. Dapat itong gumana nang hindi bababa sa 170 volts ng PIV (Peak Inverse Voltage). Ang karaniwang 1N4003 ay na-rate sa 200 PIV na hindi nagbibigay ng maraming margin. Ang 1N4004 ay na-rate sa 400 PIV at maaaring nagkakahalaga ng isang sentimos pa. Sa pamamagitan ng paglalagay nito sa serye kasama ang LED, ang kabuuang PIV ay 400 kasama ang LED PIV.

PAGTUTOS AT PAG-FILTER

Ipinapakita ng mga figure 3, 4, at 5 ang pinakakaraniwang rectification circuit na may output waveform na ipinapakita sa itaas. (Ang filter capacitor ay hindi ipinapakita dahil sa pagdaragdag nito, ang waveform ay nagbabago sa isang bagay tulad ng isang DC boltahe.) Ito ay kapaki-pakinabang upang suriin ang tatlong pangunahing mga circuit upang matukoy ang mga lakas at kahinaan ng mga ito.

Ipinapakita ng Figure 3 ang pangunahing half-wave rectifier. Ang tanging nakakapagtubos na katangian nito ay ang pagiging simple nito, gamit lamang ang isang solong rectifier. Ang masamang tampok ay gumagamit lamang ito ng kalahati ng ikot ng kuryente na ginagawang mas mababa sa 50% ang teoretikal na kahusayan ng circuit para lamang magsimula. Kadalasan, ang mga power supply ng half-wave rectifier ay 30% lamang ang episyente. Dahil ang mga transformer ay mga mamahaling bagay, ang kawalan ng kakayahan na ito ay napakamahal. Pangalawa, ang hugis ng alon ay napakahirap i-filter. Kalahati ng oras ay walang kapangyarihan na nagmumula sa transpormer. Ang pagpapakinis ng output ay nangangailangan ng napakataas na halaga ng capacitance. Ito ay bihirang ginagamit para sa isang analog power supply.

FIGURE 3. Ang half-wave rectifier circuit ay simple ngunit ito ay gumagawa ng mahinang output waveform na napakahirap i-filter. Bilang karagdagan, ang kalahati ng kapangyarihan ng transpormer ay nasayang. (Tandaan na ang mga filtering capacitor ay tinanggal para sa kalinawan dahil binabago nila ang waveform.)

---

Ang isang kawili-wili at mahalagang bagay ay nangyayari kapag ang isang filter capacitor ay idinagdag sa isang half-wave rectifier circuit. Ang no-load na boltahe na kaugalian ay doble. Ito ay dahil ang kapasitor ay nag-iimbak ng enerhiya mula sa unang kalahati (positibong bahagi) ng cycle. Kapag nangyari ang ikalawang kalahati, ang kapasitor ay humahawak sa positibong peak boltahe at ang negatibong peak boltahe ay inilapat sa kabilang terminal na nagiging sanhi ng isang buong peak-to-peak na boltahe na makikita ng kapasitor at sa pamamagitan nito, ang diode. Kaya, para sa isang 25.2 volt transpormer sa itaas, ang aktwal na peak boltahe na nakikita ng mga bahaging ito ay maaaring higit sa 80 volts!

Ang Figure 4 (top circuit) ay isang halimbawa ng isang tipikal na full-wave/center-tap rectifier circuit. Kapag ginamit ito, sa karamihan ng mga kaso, malamang na hindi ito dapat. Nagbibigay ito ng magandang output na ganap na naituwid. Ginagawa nitong medyo madali ang pag-filter. Gumagamit lamang ito ng dalawang rectifier, kaya medyo mura ito. Gayunpaman, hindi ito mas mahusay kaysa sa half-wave circuit na ipinakita sa itaas.

FIGURE 4. Ang full-wave na disenyo (itaas) ay gumagawa ng magandang output. Sa pamamagitan ng pag-redrawing ng circuit (ibaba), makikita na ito ay talagang dalawang half-wave rectifiers na konektado nang magkasama. Muli, nasayang ang kalahati ng kapangyarihan ng transpormer.

---

Ito ay makikita sa pamamagitan ng muling pagguhit ng circuit na may dalawang mga transformer (Figure 4 sa ibaba). Kapag ito ay tapos na, nagiging malinaw na ang full-wave ay talagang dalawang half-wave circuits na konektado nang magkasama. Kalahati ng bawat ikot ng kapangyarihan ng transpormer ay hindi ginagamit. Kaya, ang pinakamataas na teoretikal na kahusayan ay 50% na may tunay na kahusayan sa paligid ng 30%.

Ang PIV ng circuit ay isang kalahati ng half-wave circuit dahil ang input boltahe sa mga diode ay kalahati ng output ng transpormer. Ang center tap ay nagbibigay ng kalahati ng boltahe sa dalawang dulo ng mga windings ng transformer. Kaya, para sa halimbawa ng 25.2 volt transformer, ang PIV ay 35.6 volts kasama ang pagtaas ng walang load na humigit-kumulang 10% pa.

Ipinapakita ng Figure 5 ang circuit rectifier ng tulay na sa pangkalahatan ay dapat ang unang pagpipilian. Ang output ay ganap na naayos kaya ang pag-filter ay medyo madali. Gayunpaman, ang pinakamahalaga, ginagamit nito ang parehong kalahati ng ikot ng kuryente. Ito ang pinaka mahusay na disenyo at nasusulit ang mamahaling transpormer. Ang pagdaragdag ng dalawang diode ay mas mura kaysa sa pagdodoble sa rating ng kapangyarihan ng transformer (sinusukat sa "Volt-Amps" o VA).

FIGURE 5. Ang bridge rectifier approach (itaas) ay nagbibigay ng buong paggamit ng transformer power at may full-wave rectification. Bukod pa rito, sa pamamagitan ng pagpapalit ng sanggunian sa lupa (ibaba), maaaring makuha ang dual voltage power supply.

---

Ang tanging disbentaha sa disenyo na ito ay ang kapangyarihan ay dapat dumaan sa dalawang diode na may resultang pagbaba ng boltahe na 1.4 volts sa halip na 0.7 volts para sa iba pang mga disenyo. Sa pangkalahatan, isa lamang itong alalahanin para sa mga supply ng kuryente na mababa ang boltahe kung saan ang karagdagang 0.7 volts ay kumakatawan sa isang malaking bahagi ng output. (Sa mga ganitong pagkakataon, kadalasang ginagamit ang switching power supply kaysa sa alinman sa mga circuit sa itaas.)

Dahil mayroong dalawang diode na ginagamit para sa bawat kalahating ikot, kalahati lamang ng boltahe ng transpormer ang nakikita ng bawat isa. Ginagawa nitong katumbas ang PIV sa peak input boltahe o 1.414 beses ang boltahe ng transpormer, na kapareho ng full-wave circuit sa itaas.

Ang isang napakagandang tampok ng bridge rectifier ay ang ground reference ay maaaring baguhin upang lumikha ng isang positibo at negatibong output boltahe. Ito ay ipinapakita sa ibaba ng Figure 5.

PAG-FILTER

Halos lahat ng pag-filter para sa isang analog power supply ay nagmumula sa isang filter capacitor. Posibleng gumamit ng inductor sa serye na may output, ngunit sa 60 Hz, ang mga inductor na ito ay dapat na medyo malaki at mahal. Paminsan-minsan, ginagamit ang mga ito para sa mga supply ng kuryente na may mataas na boltahe kung saan mahal ang mga angkop na capacitor.

Ang formula para sa pagkalkula ng filter capacitor (C) ay medyo simple, ngunit kailangan mong malaman ang katanggap-tanggap na peak-to-peak ripple voltage (V), half-cycle time (T), at kasalukuyang iginuhit (I). Ang formula ay C=I*T/V, kung saan ang C ay nasa microfarads, I ay nasa milliamps, T ay nasa millisecond, at ang V ay nasa volts. Ang kalahating cycle na oras para sa 60 Hz ay ​​8.3 milliseconds (reference: 1997 Radio Amateur's Handbook).

Malinaw sa formula na ang mga kinakailangan sa pag-filter ay tinataasan para sa mataas na kasalukuyang at/o mababang ripple power supply, ngunit ito ay sentido komun lamang. Ang isang madaling tandaan na halimbawa ay 3,000 microfarads bawat ampere ng kasalukuyang ay magbibigay ng humigit-kumulang tatlong volts ng ripple. Maaari kang gumawa ng iba't ibang mga ratio mula sa halimbawang ito upang makapagbigay ng mga makatwirang pagtatantya ng kung ano ang kailangan mo nang medyo mabilis.

Ang isang mahalagang pagsasaalang-alang ay ang paggulong ng kasalukuyang sa turn-on. Ang mga filter capacitor ay kumikilos bilang mga patay na shorts hanggang sa ma-charge ang mga ito. Kung mas malaki ang mga capacitor, mas malaki ang surge na ito. Kung mas malaki ang transpormer, mas malaki ang surge. Para sa karamihan ng mababang boltahe na analog power supply (<50 volts), medyo nakakatulong ang transformer winding resistance. Ang 25.2 volt/two amp transformer ay may sinusukat na pangalawang paglaban na 0.6 ohms. Nililimitahan nito ang maximum na inrush sa 42 amps. Bilang karagdagan, ang inductance ng transpormer ay medyo binabawasan ito. Gayunpaman, mayroon pa ring malaking potensyal na kasalukuyang surge sa turn-on.

Ang mabuting balita ay ang mga modernong silicon rectifier ay kadalasang may malaking kasalukuyang kakayahan sa pag-akyat. Ang karaniwang 1N400x na pamilya ng mga diode ay karaniwang tinutukoy na may 30 amps ng surge current. Sa isang bridge circuit, mayroong dalawang diode na nagdadala nito, kaya ang pinakamasamang kaso ay 21 amps bawat isa na mas mababa sa 30 amp na detalye (ipagpalagay na pantay ang kasalukuyang pagbabahagi, na hindi palaging nangyayari). Ito ay isang matinding halimbawa. Sa pangkalahatan, isang salik na humigit-kumulang 10 ang ginagamit, sa halip na 21.

Gayunpaman, ang kasalukuyang pag-akyat na ito ay hindi isang bagay na dapat balewalain. Ang paggastos ng ilang sentimo pa upang gumamit ng three-amp bridge sa halip na isang one-amp bridge ay maaaring pera na ginastos nang maayos.

PRAKTIKAL NA DESIGN

Maaari na nating gamitin ang mga panuntunan at prinsipyong ito at magsimulang magdisenyo ng pangunahing supply ng kuryente. Gagamitin namin ang 25.2 volt transformer bilang core ng disenyo. Ang Figure 6 ay makikita bilang isang composite ng mga nakaraang figure ngunit may mga praktikal na bahagi na idinagdag. Ang pangalawang pilot light sa pangalawa ay nagpapahiwatig ng katayuan nito. Ipinapakita rin nito kung may singil sa kapasitor. Sa napakalaking halaga, ito ay isang mahalagang pagsasaalang-alang sa kaligtasan. (Tandaan na dahil ito ay isang DC signal, ang 1N4004 reverse voltage diode ay hindi kailangan.)

FIGURE 6. Panghuling disenyo ng power supply na may praktikal na mga detalye ng bahagi. Ang pagsasaayos ng kapangyarihan ay tinalakay sa susunod na artikulo.

---

Maaaring mas mura ang gumamit ng dalawang mas maliit na capacitor na magkatulad kaysa sa isang malaki. Ang gumaganang boltahe para sa kapasitor ay dapat na hindi bababa sa 63 volts; Ang 50 volts ay hindi sapat na margin para sa 40 volt peak. Ang isang 50 volt unit ay nagbibigay lamang ng 25% na margin. Ito ay maaaring mainam para sa isang hindi kritikal na aplikasyon, ngunit kung ang kapasitor ay nabigo dito, ang mga resulta ay maaaring maging sakuna. Ang 63 volt capacitor ay nagbibigay ng humigit-kumulang 60% na margin habang ang isang 100 volt na device ay nagbibigay ng 150% na margin. Para sa mga power supply, ang pangkalahatang tuntunin ng hinlalaki ay nasa pagitan ng 50% at 100% na margin para sa mga rectifier at capacitor. (Ang ripple ay dapat na mga dalawang volts, tulad ng ipinapakita.)

Ang bridge rectifier ay dapat na kayang hawakan ang mataas na paunang kasalukuyang surge, kaya ang paggastos ng karagdagang dime o dalawa para sa pinahusay na pagiging maaasahan ay sulit. Tandaan na ang tulay ay tinukoy sa pamamagitan ng kung ano ang maaaring ibigay ng transpormer sa halip na kung para saan ang power supply ay tinukoy sa kalaunan. Ginagawa ito kung sakaling may maiksing output. Sa ganitong kaso, ang buong kasalukuyang ng transpormer ay dadaan sa mga diode. Tandaan, ang pagkabigo ng power supply ay isang masamang bagay. Kaya, idisenyo ito upang maging matatag.

Konklusyon

Ang mga detalye ay isang mahalagang pagsasaalang-alang sa pagdidisenyo ng isang power supply. Ang pagpuna sa pagkakaiba sa pagitan ng RMS boltahe at peak boltahe ay kritikal sa pagtukoy ng tamang gumaganang boltahe para sa supply. Bukod pa rito, ang paunang surge current ay isang bagay na hindi maaaring balewalain.

Sa Bahagi 2, kukumpletuhin namin ang proyektong ito sa pamamagitan ng pagdaragdag ng tatlong-terminal na regulator. Magdidisenyo kami ng pangkalahatang layunin, kasalukuyang limitado, naaayos na supply ng boltahe na may remote shut-off. Bukod pa rito, ang mga prinsipyong ginamit para sa disenyong ito ay maaaring ilapat sa anumang disenyo ng power supply. 

Mag-iwan ng mensahe 

Listahan ng Mensahe