GRUNDLEGENDE ANALOGE STROMVERSORGUNGSAUSFÜHRUNG

Es gibt das alte Sprichwort: "Du kannst einem Mann einen Fisch geben und er wird einen Tag lang essen oder du kannst einem Mann das Fischen beibringen und er wird für immer essen." Es gibt viele Artikel, die dem Leser ein spezifisches Design für den Bau einer Stromversorgung geben, und an diesen Kochbuchdesigns ist nichts auszusetzen. Sie haben oft sehr gute Leistungen. Sie bringen den Lesern jedoch nicht bei, wie man ein Netzteil selbst konstruiert. Dieser zweiteilige Artikel beginnt von vorne und erklärt jeden notwendigen Schritt, um ein einfaches analoges Netzteil aufzubauen. Das Design konzentriert sich auf den allgegenwärtigen Regler mit drei Anschlüssen und umfasst eine Reihe von Verbesserungen des Basisdesigns.

Es ist immer wichtig, sich daran zu erinnern, dass das Netzteil – entweder für ein bestimmtes Produkt oder als allgemeines Testgerät – das Potenzial hat, den Benutzer zu töten, einen Brand zu entfachen oder das Gerät, das es mit Strom versorgt, zu zerstören. Das sind natürlich keine guten Dinge. Aus diesem Grund ist es wichtig, dieses Design konservativ anzugehen. Geben Sie viel Spielraum für die Komponenten. Ein gut durchdachtes Netzteil fällt nie auf.

UMWANDLUNG DER EINGANGSLEISTUNG

Abbildung 1 zeigt den grundlegenden Aufbau einer typischen analogen Stromversorgung. Es besteht aus drei Hauptkomponenten: Eingangsleistungsumwandlung und -konditionierung; Berichtigung und Filterung; und Regulierung. Die Eingangsleistungswandlung ist typischerweise ein Leistungstransformator und ist die einzige hier in Betracht gezogene Methode. Es gibt jedoch ein paar Punkte, die wichtig zu erwähnen sind.

ABBILDUNG 1. Ein einfaches analoges Netzteil besteht aus drei Teilen. Die ersten beiden werden in diesem Artikel besprochen und die letzten in der nächsten Folge.

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Die erste ist, dass 117 VAC (Volts Alternating Current) wirklich eine RMS-Messung (Root Mean Square) ist. (Beachten Sie, dass ich einen normalen Haushaltsstrom von 110 VAC bis 125 VAC gesehen habe. Ich habe gerade meinen gemessen und festgestellt, dass er genau 120.0 VAC beträgt.) Eine RMS-Messung einer Sinuswelle ist viel niedriger als die tatsächliche Spitzenspannung und repräsentiert die äquivalente Gleichspannung (Gleichstrom), die benötigt wird, um die gleiche Leistung bereitzustellen.

Die RMS-Umrechnung variiert je nach Wellenform; für eine Sinuswelle beträgt der Wert 1.414. Dies bedeutet, dass die Abweichung um null Volt tatsächlich 169.7 Volt beträgt (für meine 120-VAC-Leistung). Die Leistung geht von -169.7 Volt bis +169.7 Volt pro Zyklus. Daher beträgt die Spitze-zu-Spitze-Spannung tatsächlich 339.4 Volt!

Diese Spannung wird besonders wichtig, wenn Bypass-Kondensatoren zu den Hauptstromleitungen hinzugefügt werden, um zu verhindern, dass Rauschen in die Stromversorgung eindringt oder sie verlässt (eine übliche Situation). Wenn Sie der Meinung sind, dass die tatsächliche Spannung 120 Volt beträgt, können Sie 150-Volt-Kondensatoren verwenden. Wie Sie sehen, ist dies nicht richtig. Die absolute Mindestbetriebsspannung für Ihre Kondensatoren beträgt 200 Volt (250 Volt sind besser). Vergessen Sie nicht, dass Sie, wenn Sie Rauschen / Spitzen auf der Leitung erwarten, diese Rausch- / Spitzenspannung zur Spitzenspannung hinzufügen müssen.

Die Eingangsfrequenz beträgt in den USA durchgängig 60 Hz. In Europa sind 50 Hz üblich. Transformatoren, die für 60 Hz ausgelegt sind, funktionieren im Allgemeinen gut bei 50 Hz und umgekehrt. Darüber hinaus ist die Frequenzstabilität der Stromleitung normalerweise ausgezeichnet und wird selten berücksichtigt. Gelegentlich finden Sie 400-Hz-Transformatoren. Dies sind typischerweise militärische oder luftfahrttechnische Geräte und im Allgemeinen nicht für den Einsatz mit 50/60 Hz-Strom (oder umgekehrt) geeignet.

Die Leistung des Transformators wird auch als Effektivspannung angegeben. Außerdem ist die angegebene Spannung die unter Volllast zu erwartende Mindestspannung. Oft kommt es im Leerlauf zu einer Erhöhung der Nennleistung um ca. 10 %. (Mein 25.2 Volt/Zwei-Ampere-Transformator misst 28.6 Volt ohne Last.) Dies bedeutet, dass die tatsächliche Leerlauf-/Spitzenausgangsspannung für meinen 25.2 Volt-Transformator 40.4 Volt beträgt! Wie Sie sehen, ist es immer wichtig, sich daran zu erinnern, dass die Nenneffektivspannungen für Wechselstrom wesentlich niedriger sind als die tatsächlichen Spitzenspannungen.

Abbildung 2 zeigt ein typisches Design der Eingangsleistungswandlung und -konditionierung. Ich verwende lieber einen zweipoligen Schalter, obwohl dies nicht zwingend erforderlich ist. Es schützt vor falsch verdrahteten Steckdosen (was heute selten vorkommt) oder falsch verdrahteten Stromkabeln im Netzteil selbst (viel häufiger). Es ist wichtig, dass bei ausgeschaltetem Netzschalter das heiße Kabel von der Stromversorgung getrennt wird.

ABBILDUNG 2. Die Eingangskonditionierung ist ziemlich einfach, aber es muss daran erinnert werden, dass die Effektivspannung nicht mit der Spitzenspannung übereinstimmt. Die Spitzenspannung von 120 VAC RMS beträgt etwa 170 Volt.

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Die Sicherung (oder der Schutzschalter) ist erforderlich. Sein Hauptzweck besteht darin, Brände zu verhindern, da ohne ihn ein Transformator oder ein Kurzschluss im Primärkreis massive Ströme fließen lässt, die dazu führen, dass Metallteile rot oder sogar weiß heiß werden. Es ist normalerweise ein langsamer Typ mit einer Nennspannung von 250 Volt. Der Nennstrom sollte ungefähr das Doppelte dessen betragen, was der Transformator erwarten kann.

Zum Beispiel zieht der oben erwähnte 25.2-Volt-Zwei-Ampere-Transformator etwa 0.42 Ampere Primärstrom (25.2 Volt/120 Volt x zwei Ampere). Eine Sicherung mit einem Ampere ist also sinnvoll. Eine Sicherung in der Sekundärseite wird im nächsten Artikel besprochen.

Die Bypass-Kondensatoren helfen, Rauschen herauszufiltern und sind optional. Da die Spitzenspannung etwa 170 Volt beträgt, ist eine Nennspannung von 250 Volt besser als eine geringfügige Nennspannung von 200 Volt. Vielleicht möchten Sie einen "Power-Entry-Filter" verwenden. Es gibt viele Arten dieser Einheiten. Einige enthalten einen Standard-Netzanschluss, Schalter, Sicherungshalter und Filter in einem kleinen Paket. Andere haben möglicherweise nur einige dieser Komponenten. Normalerweise sind die mit allem ziemlich teuer, aber überschüssige Einheiten können normalerweise zu sehr günstigen Preisen gefunden werden.

Es ist wichtig, feststellen zu können, ob der Primärkreis mit Strom versorgt wird, daher wird eine Kontrolllampe verwendet. Es werden zwei typische Schaltungen gezeigt. Die Neonlampe wird seit Jahrzehnten verwendet. Es ist einfach und kostengünstig. Es hat den Nachteil, dass es etwas zerbrechlich ist (da es aus Glas besteht); kann flackern, wenn der Widerstand zu groß ist; und kann tatsächlich ein gewisses elektrisches Rauschen erzeugen (aufgrund des plötzlichen Ionenzusammenbruchs des Neongases).

Die LED-Schaltung benötigt auch einen Strombegrenzungswiderstand. Bei 10,000 hm werden etwa 12 mA Strom bereitgestellt. Die meisten LEDs sind für einen maximalen Strom von 20 mA ausgelegt, daher sind 12 mA angemessen. (Hocheffiziente LEDs können mit nur 1 oder 2 mA zufriedenstellend arbeiten, sodass der Widerstand nach Bedarf erhöht werden kann.)

Beachten Sie, dass LEDs wirklich schlechte Rückwärtsdurchbruchspannungen haben (normalerweise 10 bis 20 Volt). Aus diesem Grund ist eine zweite Diode erforderlich. Dieser muss mit mindestens 170 Volt PIV (Peak Inverse Voltage) arbeiten können. Der Standard 1N4003 ist mit 200 PIV bewertet, was nicht viel Spielraum bietet. Der 1N4004 ist mit 400 PIV bewertet und kostet vielleicht einen Cent mehr. Durch die Reihenschaltung mit der LED beträgt der Gesamt-PIV 400 plus LED-PIV.

BERICHTIGUNG UND FILTERUNG

Die Abbildungen 3, 4 und 5 zeigen die typischsten Gleichrichterschaltungen mit der oben angezeigten Ausgangswellenform. (Der Filterkondensator wird nicht gezeigt, da sich die Wellenform durch das Hinzufügen zu einer Gleichspannung ändert.) Es ist nützlich, diese drei Grundschaltungen zu untersuchen, um ihre Stärken und Schwächen zu identifizieren.

Abbildung 3 zeigt den grundlegenden Einweggleichrichter. Die einzige erlösende Eigenschaft davon ist, dass es sehr einfach ist und nur einen einzigen Gleichrichter verwendet. Die schlechte Eigenschaft ist, dass es nur die Hälfte des Leistungszyklus benötigt, wodurch der theoretische Wirkungsgrad der Schaltung nur zum Starten weniger als 50% beträgt. Einweggleichrichter-Netzteile haben oft nur einen Wirkungsgrad von 30 %. Da Transformatoren teure Gegenstände sind, ist diese Ineffizienz sehr kostspielig. Zweitens ist die Wellenform sehr schwer zu filtern. Die Hälfte der Zeit kommt überhaupt kein Strom vom Transformator. Das Glätten der Ausgabe erfordert sehr hohe Kapazitätswerte. Es wird selten für eine analoge Stromversorgung verwendet.

ABBILDUNG 3. Die Einweggleichrichterschaltung ist einfach, erzeugt jedoch eine schlechte Ausgangswellenform, die sehr schwer zu filtern ist. Außerdem wird die Hälfte der Transformatorleistung verschwendet. (Beachten Sie, dass die Filterkondensatoren aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen wurden, da sie die Wellenform verändern.)

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Eine interessante und wichtige Sache passiert, wenn einer Einweggleichrichterschaltung ein Filterkondensator hinzugefügt wird. Die Leerlaufspannungsdifferenz verdoppelt sich. Dies liegt daran, dass der Kondensator Energie aus der ersten Hälfte (positiver Teil) des Zyklus speichert. Wenn die zweite Hälfte auftritt, hält der Kondensator die positive Spitzenspannung und die negative Spitzenspannung wird an den anderen Anschluss angelegt, wodurch eine volle Spitze-Spitze-Spannung vom Kondensator und dadurch von der Diode gesehen wird. Bei einem 25.2-Volt-Transformator oben kann die tatsächliche Spitzenspannung dieser Komponenten also über 80 Volt betragen!

Abbildung 4 (obere Schaltung) ist ein Beispiel für eine typische Vollwellen-/Mittelabgriffs-Gleichrichterschaltung. Wenn dies verwendet wird, sollte dies in den meisten Fällen wahrscheinlich nicht der Fall sein. Es liefert eine schöne Ausgabe, die vollständig gleichgerichtet ist. Dies macht das Filtern relativ einfach. Es verwendet nur zwei Gleichrichter und ist daher ziemlich kostengünstig. Sie ist jedoch nicht effizienter als die oben vorgestellte Halbwellenschaltung.

ABBILDUNG 4. Das Vollwellen-Design (oben) erzeugt eine schöne Ausgabe. Durch das Neuzeichnen der Schaltung (unten) ist zu erkennen, dass es sich in Wirklichkeit nur um zwei miteinander verbundene Einweggleichrichter handelt. Auch hier wird die Hälfte der Transformatorleistung verschwendet.

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Dies kann man erkennen, indem man die Schaltung mit zwei Transformatoren neu zeichnet (Abbildung 4 unten). Dabei wird deutlich, dass die Vollwelle eigentlich nur aus zwei miteinander verbundenen Halbwellenkreisen besteht. Die Hälfte jedes Transformator-Leistungszyklus wird nicht verwendet. Somit beträgt der maximale theoretische Wirkungsgrad 50 % mit realen Wirkungsgraden um 30 %.

Der PIV der Schaltung ist eine Hälfte der Halbwellenschaltung, da die Eingangsspannung der Dioden die Hälfte der Transformatorausgabe beträgt. Der Mittelabgriff liefert die halbe Spannung an die beiden Enden der Transformatorwicklungen. Für das 25.2-Volt-Transformator-Beispiel beträgt der PIV also 35.6 Volt zuzüglich der Leerlauferhöhung, die etwa 10 % mehr beträgt.

Bild 5 zeigt die Brückengleichrichterschaltung, die generell die erste Wahl sein sollte. Die Ausgabe ist vollständig gleichgerichtet, sodass die Filterung ziemlich einfach ist. Am wichtigsten ist jedoch, dass beide Hälften des Energiezyklus verwendet werden. Dies ist das effizienteste Design und holt das Beste aus dem teuren Transformator heraus. Das Hinzufügen von zwei Dioden ist viel kostengünstiger als die Verdoppelung der Nennleistung des Transformators (gemessen in „Volt-Ampere“ oder VA).

ABBILDUNG 5. Der Ansatz des Brückengleichrichters (oben) bietet die volle Nutzung der Transformatorleistung und eine Vollweggleichrichtung. Außerdem kann durch Ändern des Massebezugs (unten) eine Doppelspannungsversorgung erhalten werden.

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Der einzige Nachteil dieses Designs besteht darin, dass der Strom durch zwei Dioden geleitet werden muss, was einen Spannungsabfall von 1.4 Volt anstelle von 0.7 Volt bei den anderen Designs ergibt. Im Allgemeinen ist dies nur bei Niederspannungsnetzteilen ein Problem, bei denen die zusätzlichen 0.7 Volt einen erheblichen Teil der Ausgangsleistung darstellen. (In solchen Fällen wird normalerweise ein Schaltnetzteil anstelle einer der oben genannten Schaltungen verwendet.)

Da für jede Halbwelle zwei Dioden verwendet werden, wird von jeder nur die Hälfte der Transformatorspannung gesehen. Dadurch entspricht der PIV der Spitzeneingangsspannung oder dem 1.414-fachen der Transformatorspannung, was der obigen Vollwellenschaltung entspricht.

Ein sehr schönes Feature des Brückengleichrichters ist, dass die Massereferenz geändert werden kann, um eine positive und negative Ausgangsspannung zu erzeugen. Dies ist unten in Abbildung 5 dargestellt.

FILTERUNG

Fast die gesamte Filterung für eine analoge Stromversorgung erfolgt über einen Filterkondensator. Es ist möglich, eine Induktivität in Reihe mit dem Ausgang zu verwenden, aber bei 60 Hz müssen diese Induktivitäten ziemlich groß und teuer sein. Gelegentlich werden sie für Hochspannungsnetzteile verwendet, bei denen geeignete Kondensatoren teuer sind.

Die Formel zur Berechnung des Filterkondensators (C) ist recht einfach, aber Sie müssen die akzeptable Spitze-Spitze-Welligkeitsspannung (V), die Halbzykluszeit (T) und den aufgenommenen Strom (I) kennen. Die Formel lautet C=I*T/V, wobei C in Mikrofarad, I in Milliampere, T in Millisekunden und V in Volt steht. Die Halbzykluszeit für 60 Hz beträgt 8.3 Millisekunden (Referenz: 1997 Radio Amateur's Handbook).

Aus der Formel geht klar hervor, dass die Filteranforderungen für Netzteile mit hohem Strom und/oder geringer Welligkeit erhöht werden, aber dies ist nur gesunder Menschenverstand. Ein leicht zu merkendes Beispiel ist, dass 3,000 Mikrofarad pro Ampere Strom eine Welligkeit von etwa drei Volt liefern. Sie können anhand dieses Beispiels verschiedene Verhältnisse berechnen, um relativ schnell vernünftige Schätzungen Ihres Bedarfs zu erhalten.

Eine wichtige Überlegung ist der Stromstoß beim Einschalten. Die Filterkondensatoren wirken als Totschlüsse, bis sie aufgeladen werden. Je größer die Kondensatoren, desto größer wird dieser Stoß sein. Je größer der Transformator, desto größer wird der Stoß sein. Bei den meisten analogen Niederspannungsnetzteilen (<50 Volt) hilft der Wicklungswiderstand des Transformators etwas. Der 25.2 Volt/0.6 Ampere Transformator hat einen gemessenen Sekundärwiderstand von 42 Ohm. Dies begrenzt den maximalen Einschaltstrom auf XNUMX Ampere. Außerdem verringert die Induktivität des Transformators dies etwas. Beim Einschalten besteht jedoch immer noch ein großer potenzieller Stromstoß.

Die gute Nachricht ist, dass moderne Siliziumgleichrichter oft über enorme Stoßstromfähigkeiten verfügen. Die Standard-Diodenfamilie 1N400x wird normalerweise mit einem Stoßstrom von 30 Ampere spezifiziert. Bei einer Brückenschaltung gibt es zwei Dioden, die dies tragen, so dass der schlimmste Fall jeweils 21 Ampere beträgt, was unter der Spezifikation von 30 Ampere liegt (unter der Annahme einer gleichen Stromverteilung, was nicht immer der Fall ist). Dies ist ein extremes Beispiel. Im Allgemeinen wird ein Faktor von etwa 10 anstelle von 21 verwendet.

Dennoch ist dieser aktuelle Anstieg nicht zu vernachlässigen. Ein paar Cent mehr auszugeben, um eine Drei-Ampere-Brücke anstelle einer Ein-Ampere-Brücke zu verwenden, kann gut angelegtes Geld sein.

PRAKTISCHES DESIGN

Wir können nun diese Regeln und Prinzipien anwenden und beginnen, eine grundlegende Stromversorgung zu entwerfen. Wir verwenden den 25.2-Volt-Transformator als Kern des Designs. Abbildung 6 kann als eine Zusammensetzung der vorherigen Abbildungen betrachtet werden, jedoch mit zusätzlichen praktischen Teilwerten. Eine zweite Kontrolllampe im Sekundärteil zeigt seinen Status an. Es zeigt auch, ob der Kondensator geladen ist. Bei einem so großen Wert ist dies ein wichtiger Sicherheitsaspekt. (Beachten Sie, dass die Sperrspannungsdiode 1N4004 nicht benötigt wird, da es sich um ein Gleichstromsignal handelt.)

ABBILDUNG 6. Endgültiges Design des Netzteils mit praktischen Teilespezifikationen. Die Regulierung der Leistung wird im nächsten Artikel behandelt.

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Es kann billiger sein, zwei kleinere Kondensatoren parallel zu verwenden als einen großen. Die Arbeitsspannung für den Kondensator muss mindestens 63 Volt betragen; 50 Volt reichen nicht für die 40-Volt-Spitze. Ein 50-Volt-Gerät bietet nur 25 % Spielraum. Dies mag für eine unkritische Anwendung in Ordnung sein, aber wenn der Kondensator hier versagt, können die Ergebnisse katastrophal sein. Ein 63-Volt-Kondensator bietet etwa 60 % Spielraum, während ein 100-Volt-Baustein einen Spielraum von 150 % bietet. Bei Netzteilen gilt als Faustregel zwischen 50 % und 100 % Spielraum für Gleichrichter und Kondensatoren. (Die Welligkeit sollte wie abgebildet etwa zwei Volt betragen.)

Der Brückengleichrichter muss in der Lage sein, den hohen anfänglichen Stromstoß zu bewältigen, daher lohnt es sich, ein oder zwei zusätzliche Cent für eine verbesserte Zuverlässigkeit auszugeben. Beachten Sie, dass die Brücke durch das spezifiziert wird, was der Transformator liefern kann, und nicht darauf, wofür das Netzteil schließlich spezifiziert ist. Dies geschieht für den Fall, dass ein Ausgangskurzschluss vorliegt. In einem solchen Fall wird der volle Strom des Transformators durch die Dioden geleitet. Denken Sie daran, dass ein Stromausfall eine schlechte Sache ist. Gestalten Sie es daher robust.

FAZIT

Details sind ein wichtiger Aspekt bei der Gestaltung eines Netzteils. Der Unterschied zwischen Effektivspannung und Spitzenspannung ist entscheidend für die Bestimmung der richtigen Arbeitsspannungen für die Stromversorgung. Darüber hinaus ist der anfängliche Stoßstrom etwas, das nicht ignoriert werden kann.

In Teil 2 werden wir dieses Projekt abschließen, indem wir einen Regler mit drei Anschlüssen hinzufügen. Wir entwickeln ein universelles, strombegrenztes Netzteil mit einstellbarer Spannung und Fernabschaltung. Darüber hinaus können die für dieses Design verwendeten Prinzipien auf jedes Netzteildesign angewendet werden. 

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