TEMEL ANALOG GÜÇ KAYNAĞI TASARIMI

Eski bir söz vardır: "Bir adama balık verirsen bir günlüğüne yer ya da bir adama balık tutmayı öğretirsin ve sonsuza kadar yer." Okuyucuya bir güç kaynağı oluşturmak için özel bir tasarım veren birçok makale var ve bu yemek kitabı tasarımlarında yanlış bir şey yok. Genellikle çok iyi performans gösterirler. Ancak okuyuculara kendi başlarına bir güç kaynağının nasıl tasarlanacağını öğretmezler. Bu iki bölümden oluşan makale, en baştan başlayacak ve temel bir analog güç kaynağı oluşturmak için gereken her adımı açıklayacaktır. Tasarım, her yerde bulunan üç terminalli regülatöre odaklanacak ve temel tasarımda bir dizi iyileştirme içerecek.

Güç kaynağının - belirli bir ürün için veya genel bir test ekipmanı parçası olarak - kullanıcıyı elektrik çarpması, yangın başlatma veya çalıştırdığı cihazı imha etme potansiyeline sahip olduğunu hatırlamak her zaman önemlidir. Açıkçası bunlar iyi şeyler değil. Bu nedenle, bu tasarıma ihtiyatlı yaklaşmak çok önemlidir. Bileşenler için bol miktarda marj sağlayın. İyi tasarlanmış bir güç kaynağı, asla fark edilmeyen bir güç kaynağıdır.

GİRİŞ GÜCÜ DÖNÜŞÜMÜ

Şekil 1, tipik bir analog güç kaynağı için temel tasarımı göstermektedir. Üç ana bileşenden oluşur: giriş gücü dönüştürme ve koşullandırma; düzeltme ve filtreleme; ve düzenleme. Giriş gücü dönüşümü tipik olarak bir güç transformatörüdür ve burada dikkate alınan tek yöntemdir. Ancak değinilmesi gereken önemli bir iki nokta var.

ŞEKİL 1. Temel bir analog güç kaynağı üç bölümden oluşur. İlk ikisi bu makalede ve sonuncusu bir sonraki bölümde tartışılmaktadır.

---

Birincisi, 117 VAC (Volt Alternatif Akım) gerçekten bir RMS (Kök Ortalama Kare) ölçümüdür. (110 VAC ile 125 VAC arasında herhangi bir yerde belirtilen sıradan ev gücü gördüğümü unutmayın. Az önce benimkini ölçtüm ve tam olarak 120.0 VAC olduğunu buldum.) Sinüs dalgasının RMS ölçümü, gerçek tepe voltajdan çok daha düşüktür ve temsil eder. aynı gücü sağlamak için gereken eşdeğer DC (Doğru Akım) voltajı.

RMS dönüşümü dalga şekline göre değişir; sinüs dalgası için değer 1.414'tür. Bu, sıfır volt civarındaki sapmanın aslında 169.7 volt olduğu anlamına gelir (120 VAC gücüm için). Güç, her döngüde -169.7 volttan +169.7 volta çıkar. Bu nedenle, tepeden tepeye voltaj aslında 339.4 volttur!

Bu voltaj, güç kaynağına giren veya çıkan gürültüyü bastırmak için ana güç hatlarına baypas kapasitörleri eklerken özellikle önemlidir (genel bir durum). Gerçek voltajın 120 volt olduğunu düşünüyorsanız 150 volt kapasitör kullanabilirsiniz. Gördüğünüz gibi, bu doğru değil. Kondansatörleriniz için mutlak minimum güvenli çalışma voltajı 200 volttur (250 volt daha iyidir). Hat üzerinde gürültü/ani yükselmeler görmeyi bekliyorsanız, o gürültü/ani gerilimini tepe gerilimine eklemeniz gerektiğini unutmayın.

Giriş frekansı ABD'de evrensel olarak 60 Hz'dir. Avrupa'da 50 Hz yaygındır. 60 Hz olarak derecelendirilen transformatörler genellikle 50 Hz'de iyi performans gösterir ve bunun tersi de geçerlidir. Ek olarak, güç hattının frekans kararlılığı genellikle mükemmeldir ve nadiren dikkate alınır. Bazen 400 Hz'lik transformatörler bulabilirsiniz. Bunlar tipik olarak askeri veya havacılık cihazlarıdır ve genellikle 50/60 Hz güçte (veya tam tersi) kullanım için uygun değildir.

Transformatörün çıkışı da bir RMS gerilimi olarak belirtilir. Ayrıca belirtilen voltaj, tam yük altında beklenen minimum voltajdır. Sıklıkla, yüksüz durumda nominal çıktıda yaklaşık %10'luk bir artış olur. (25.2 volt/iki amperlik transformatörüm yüksüzken 28.6 volt ölçer.) Bu, 25.2 voltluk transformatörüm için gerçek yüksüz/tepe çıkış voltajının 40.4 volt olduğu anlamına gelir! Gördüğünüz gibi, AC gücü için nominal RMS voltajlarının gerçek tepe voltajlarından önemli ölçüde daha düşük olduğunu hatırlamak her zaman önemlidir.

Şekil 2, tipik bir giriş gücü dönüştürme ve koşullandırma tasarımı sağlar. Kesinlikle gerekli olmasa da çift kutuplu bir anahtar kullanmayı tercih ederim. Yanlış bağlanmış elektrik prizlerine (bu günümüzde nadirdir) veya güç kaynağının kendisindeki yanlış bağlanmış güç kablolarına (çok daha yaygın) karşı koruma sağlar. Güç anahtarı kapalıyken, sıcak kablonun güç kaynağıyla bağlantısının kesilmesi hayati önem taşır.

ŞEKİL 2. Giriş koşullandırma oldukça basittir, ancak RMS voltajının tepe voltajıyla aynı olmadığı unutulmamalıdır. 120 VAC RMS'nin tepe voltajı yaklaşık 170 volttur.

---

Sigorta (veya devre kesici) gereklidir. Ana amacı yangınları önlemektir, çünkü onsuz bir transformatör veya birincil devre kısa devresi, büyük akımların akmasına neden olarak metal parçaların kızarmasına ve hatta beyaz ısınmasına neden olur. Genellikle 250 volt olarak derecelendirilen yavaş üfleme tipidir. Mevcut derecelendirme, transformatörün çekmeyi bekleyebileceğinin yaklaşık iki katı olmalıdır.

Örneğin, yukarıda bahsedilen 25.2 voltluk iki amperlik transformatör yaklaşık 0.42 amper birincil akım çekecektir (25.2 volt/120 volt x iki amper). Yani, bir amperlik bir sigorta makul. İkincildeki bir sigorta bir sonraki makalede tartışılacaktır.

Baypas kapasitörleri gürültüyü filtrelemeye yardımcı olur ve isteğe bağlıdır. Tepe voltajı yaklaşık 170 volt olduğundan, 250 voltluk bir derecelendirme marjinal 200 voltluk bir derecelendirmeden daha iyidir. Bir "güç giriş filtresi" kullanmak isteyebilirsiniz. Bu birimlerin birçok çeşidi vardır. Bazıları küçük bir pakette standart bir güç konektörü, anahtar, sigorta tutucu ve filtre içerir. Diğerleri bu bileşenlerden yalnızca bazılarına sahip olabilir. Tipik olarak, her şeye sahip olanlar oldukça pahalıdır, ancak fazla birimler genellikle çok uygun fiyatlarla bulunabilir.

Birincil devreye güç verilip verilmediğini belirleyebilmek önemlidir, bu nedenle bir pilot ışık kullanılır. İki tipik devre gösterilmiştir. Neon lamba onlarca yıldır kullanılmaktadır. Bu basit ve ucuz. Biraz kırılgan olması (camdan yapılmış olması) dezavantajlarına sahiptir; direnç çok büyükse titreyebilir; ve aslında bir miktar elektrik gürültüsü üretebilir (neon gazının ani iyonik bozulmasından dolayı).

LED devresi ayrıca akım sınırlayıcı bir direnç gerektirir. 10,000 hms'de yaklaşık 12 mA akım sağlanır. Çoğu LED, maksimum 20 mA akım için derecelendirilmiştir, bu nedenle 12 mA makuldür. (Yüksek verimli LED'ler yalnızca 1 veya 2 mA ile tatmin edici bir şekilde çalışabilir, bu nedenle direnç gerektiği gibi artırılabilir.)

LED'lerin gerçekten zayıf ters arıza voltajlarına sahip olduğunu unutmayın (tipik olarak 10 ila 20 volt). Bu nedenle ikinci bir diyot gereklidir. Bu, en az 170 volt PIV (Tepe Ters Voltaj) ile çalışabilmelidir. Standart 1N4003, fazla marj sağlamayan 200 PIV olarak derecelendirilmiştir. 1N4004, 400 PIV olarak derecelendirilmiştir ve belki bir kuruş daha pahalıdır. LED ile seri olarak yerleştirildiğinde, toplam PIV, 400 artı LED PIV'dir.

DÜZELTME VE FİLTRELEME

Şekil 3, 4 ve 5, yukarıda görüntülenen çıkış dalga formu ile en tipik düzeltme devrelerini göstermektedir. (Filtre kondansatörü gösterilmemiştir, çünkü eklendiğinde dalga biçimi DC voltajı gibi bir şeye dönüşür.) Güçlü ve zayıf yönlerini belirlemek için bu üç temel devreyi incelemek yararlıdır.

Şekil 3, temel yarım dalga doğrultucuyu göstermektedir. Bunun tek kurtarıcı özelliği, sadece tek bir doğrultucu kullanarak çok basit olmasıdır. Kötü özellik, güç döngüsünün sadece yarısını kullanması ve devrenin teorik verimliliğini sadece başlamak için %50'den daha az yapmasıdır. Çoğu zaman, yarım dalga doğrultucu güç kaynakları yalnızca %30 verimlidir. Transformatörler pahalı ürünler olduğu için bu verimsizlik çok maliyetlidir. İkincisi, dalga şeklini filtrelemek çok zordur. Zamanın yarısında transformatörden hiç güç gelmiyor. Çıktıyı yumuşatmak çok yüksek kapasitans değerleri gerektirir. Analog güç kaynağı için nadiren kullanılır.

ŞEKİL 3. Yarım dalga doğrultucu devresi basittir ancak filtrelenmesi çok zor olan zayıf bir çıkış dalga biçimi üretir. Ek olarak, transformatör gücünün yarısı boşa harcanır. (Filtreleme kapasitörlerinin, dalga biçimini değiştirdikleri için açıklık amacıyla kullanılmadığına dikkat edin.)

---

Yarım dalga doğrultucu devresine bir filtre kondansatörü eklendiğinde ilginç ve önemli bir şey olur. Yüksüz voltaj farkı iki katına çıkar. Bunun nedeni, kapasitörün çevrimin ilk yarısından (pozitif kısım) gelen enerjiyi depolamasıdır. İkinci yarı meydana geldiğinde, kapasitör pozitif tepe voltajını tutar ve diğer terminale negatif tepe voltajı uygulanır ve kapasitör ve bunun aracılığıyla diyot tarafından tam bir tepeden tepeye voltajın görülmesine neden olur. Bu nedenle, yukarıdaki 25.2 voltluk bir transformatör için, bu bileşenlerin gördüğü gerçek tepe voltajı 80 voltun üzerinde olabilir!

Şekil 4 (üst devre), tipik bir tam dalga/merkez kademe doğrultucu devresinin bir örneğidir. Bu kullanıldığında, çoğu durumda, muhtemelen olmamalıdır. Tamamen düzeltilmiş güzel bir çıktı sağlar. Bu, filtrelemeyi nispeten kolaylaştırır. Yalnızca iki doğrultucu kullanır, bu nedenle oldukça ucuzdur. Ancak, yukarıda sunulan yarım dalga devresinden daha verimli değildir.

ŞEKİL 4. Tam dalga tasarımı (üstte) güzel bir çıktı üretir. Devreyi (altta) yeniden çizerek, gerçekten birbirine bağlı sadece iki yarım dalga doğrultucu olduğu görülebilir. Yine, trafo gücünün yarısı boşa gidiyor.

---

Bu, iki transformatörlü devrenin yeniden çizilmesiyle görülebilir (Şekil 4 alt). Bu yapıldığında, tam dalganın gerçekten sadece birbirine bağlı iki yarım dalga devresi olduğu açıkça ortaya çıkıyor. Her trafo güç döngüsünün yarısı kullanılmaz. Böylece maksimum teorik verim %50, gerçek verimler %30 civarındadır.

Devrenin PIV'si yarım dalga devresinin yarısıdır çünkü diyotlara gelen giriş voltajı trafo çıkışının yarısıdır. Merkez musluk, transformatör sargılarının iki ucuna voltajın yarısını sağlar. Bu nedenle, 25.2 voltluk transformatör örneği için, PIV 35.6 volt artı yüksüz artış, yani yaklaşık %10 daha fazladır.

Şekil 5, genellikle ilk tercih olması gereken köprü doğrultucu devresini göstermektedir. Çıktı tamamen düzeltilir, bu nedenle filtreleme oldukça kolaydır. Ancak en önemlisi, güç döngüsünün her iki yarısını da kullanır. Bu en verimli tasarımdır ve pahalı transformatörden en iyi şekilde yararlanır. İki diyot eklemek, transformatör güç derecesini iki katına çıkarmaktan çok daha ucuzdur (“Volt-Amper” veya VA olarak ölçülür).

ŞEKİL 5. Köprü doğrultucu yaklaşımı (üstte), trafo gücünün tam kullanımını ve tam dalga doğrultma ile sağlar. Ek olarak, toprak referansı (alt) değiştirilerek çift voltajlı bir güç kaynağı elde edilebilir.

---

Bu tasarımın tek dezavantajı, gücün diğer tasarımlar için 1.4 volt yerine 0.7 voltluk bir voltaj düşüşüyle ​​sonuçlanan iki diyottan geçmesi gerektiğidir. Genel olarak, bu yalnızca ek 0.7 voltun çıktının önemli bir bölümünü temsil ettiği düşük voltajlı güç kaynakları için bir endişe kaynağıdır. (Bu gibi durumlarda, yukarıdaki devrelerden herhangi biri yerine genellikle bir anahtarlamalı güç kaynağı kullanılır.)

Her yarım döngü için kullanılan iki diyot olduğundan, her biri transformatör voltajının sadece yarısını görür. Bu, PIV'yi tepe giriş voltajına veya yukarıdaki tam dalga devresiyle aynı olan trafo voltajının 1.414 katına eşit yapar.

Köprü doğrultucunun çok güzel bir özelliği, pozitif ve negatif çıkış voltajı oluşturmak için toprak referansının değiştirilebilmesidir. Bu, Şekil 5'in altında gösterilmiştir.

FİLTRELEME

Bir analog güç kaynağı için neredeyse tüm filtreleme, bir filtre kapasitöründen gelir. Çıkışla seri olarak bir indüktör kullanmak mümkündür, ancak 60 Hz'de bu indüktörler oldukça büyük ve pahalı olmalıdır. Bazen, uygun kapasitörlerin pahalı olduğu yüksek voltajlı güç kaynakları için kullanılırlar.

Filtre kapasitörünü (C) hesaplama formülü oldukça basittir, ancak kabul edilebilir tepeden tepeye dalgalanma voltajını (V), yarım döngü süresini (T) ve çekilen akımı (I) bilmeniz gerekir. Formül C=I*T/V'dir; burada C mikrofarad, I miliamper, T milisaniye ve V volttur. 60 Hz için yarım döngü süresi 8.3 milisaniyedir (referans: 1997 Radyo Amatörlerinin El Kitabı).

Formülden, yüksek akım ve/veya düşük dalgalı güç kaynakları için filtreleme gereksinimlerinin arttığı açıktır, ancak bu sadece sağduyudur. Hatırlanması kolay bir örnek, amper akım başına 3,000 mikrofaradın yaklaşık üç volt dalgalanma sağlayacağıdır. İhtiyacınız olan şeye oldukça hızlı bir şekilde makul tahminler sağlamak için bu örnekten çeşitli oranlar çalışabilirsiniz.

Önemli bir husus, açılıştaki akımın dalgalanmasıdır. Filtre kapasitörleri, şarj olana kadar ölü kısa devre görevi görür. Kondansatörler ne kadar büyük olursa, bu dalgalanma o kadar büyük olur. Transformatör ne kadar büyük olursa, dalgalanma o kadar büyük olur. Çoğu düşük voltajlı analog güç kaynağı için (<50 volt), transformatör sargı direnci bir şekilde yardımcı olur. 25.2 volt/iki amperlik transformatör 0.6 ohm'luk ölçülen bir ikincil dirence sahiptir. Bu, maksimum kalkışı 42 amper ile sınırlar. Ek olarak, transformatörün endüktansı bunu biraz azaltır. Bununla birlikte, açmada hala büyük bir potansiyel akım dalgalanması vardır.

İyi haber şu ki, modern silikon doğrultucular genellikle büyük dalgalanma akımı yeteneklerine sahiptir. Standart 1N400x diyot ailesi genellikle 30 amperlik aşırı gerilim akımıyla belirtilir. Bir köprü devresinde, bunu taşıyan iki diyot vardır, bu nedenle en kötü durum, her biri 21 amperlik spesifikasyonun altında olan 30 amperdir (eşit akım paylaşımını varsayarsak, ki bu her zaman böyle değildir). Bu uç bir örnek. Genellikle, 10 yerine yaklaşık 21 faktörü kullanılır.

Yine de, bu mevcut dalgalanma göz ardı edilecek bir şey değil. Bir amperlik bir köprü yerine üç amperlik bir köprü kullanmak için birkaç sent daha harcamak, iyi harcanmış bir para olabilir.

PRATİK TASARIM

Artık bu kural ve ilkeleri uygulamaya koyabilir ve temel bir güç kaynağı tasarlamaya başlayabiliriz. Tasarımın çekirdeği olarak 25.2 voltluk transformatörü kullanacağız. Şekil 6, önceki şekillerin bir bileşimi olarak görülebilir, ancak pratik parça değerleri eklenmiştir. İkincildeki ikinci bir pilot ışığı, durumunu gösterir. Ayrıca kapasitörde şarj olup olmadığını da gösterir. Bu kadar büyük bir değerle, bu önemli bir güvenlik hususudur. (Bu bir DC sinyali olduğundan 1N4004 ters voltaj diyotuna gerek olmadığını unutmayın.)

ŞEKİL 6. Pratik parça özelliklerine sahip güç kaynağının nihai tasarımı. Gücün düzenlenmesi bir sonraki makalede tartışılmaktadır.

---

Bir büyük kapasitör yerine iki küçük kondansatörü paralel olarak kullanmak daha ucuz olabilir. Kondansatörün çalışma voltajı en az 63 volt olmalıdır; 50 volt tepe için 40 volt yeterli değildir. 50 voltluk bir ünite sadece %25 marj sağlar. Bu, kritik olmayan bir uygulama için iyi olabilir, ancak kapasitör burada arızalanırsa sonuçlar felaket olabilir. 63 voltluk bir kapasitör yaklaşık %60'lık bir marj sağlarken 100 voltluk bir cihaz %150'lik bir marj sağlar. Güç kaynakları için genel bir kural, doğrultucular ve kapasitörler için %50 ile %100 arasında bir marjdır. (Gösterildiği gibi dalgalanma yaklaşık iki volt olmalıdır.)

Köprü doğrultucu, yüksek ilk akım dalgalanmasını kaldırabilmelidir, bu nedenle daha fazla güvenilirlik için ek bir veya iki kuruş harcamaya değer. Köprünün, güç kaynağının sonunda ne için belirtildiğinden ziyade, transformatörün sağlayabileceğiyle belirlendiğini unutmayın. Bu, bir çıktının kısa olması durumunda yapılır. Böyle bir durumda transformatörün tam akımı diyotlardan geçirilecektir. Unutmayın, güç kaynağı arızası kötü bir şeydir. Bu nedenle, sağlam olacak şekilde tasarlayın.

SONUÇ

Ayrıntılar, bir güç kaynağı tasarlarken önemli bir husustur. RMS voltajı ile tepe voltajı arasındaki farkı not etmek, besleme için uygun çalışma voltajlarını belirlemede kritik öneme sahiptir. Ek olarak, ilk dalgalanma akımı göz ardı edilemeyecek bir şeydir.

Bölüm 2'de, üç terminalli bir regülatör ekleyerek bu projeyi tamamlayacağız. Uzaktan kapatmalı, genel amaçlı, akım sınırlı, ayarlanabilir voltajlı bir güç kaynağı tasarlayacağız. Ek olarak, bu tasarım için kullanılan ilkeler herhangi bir güç kaynağı tasarımına uygulanabilir. 

Mesaj bırakın 

İleti listesi