Ви можете завантажити версію у форматі PDF тут.
Завдання цього тексту - надати основну інформацію, необхідну для проектування лінійного джерела живлення, не заглиблюючись (не більше ніж необхідне) в теорію функціонування кожного з компонентів. Текст розділений на такі пункти:
Будь-яка електронна схема потребує енергії для роботи, ця енергія може бути отримана від батареї або через електричну мережу. Напруга, що подається електричною мережею, є змінною (змінного струму) і зазвичай набагато перевищує необхідну нам напругу, тому нам доводиться вставляти електронну схему, яка трансформує напругу та тип струму мережі (230 в змінного струму в Іспанії) до напруги і тип струму (змінного або постійного струму), який нам потрібен у нашій схемі. Ця схема називається джерелом живлення
В основному є два типи джерел живлення, лінійні, які використовують трансформатор для зниження рівня напруги в електричній мережі до рівня, необхідного в нашій схемі, і комутовані джерела, які використовують схеми на основі транзисторів і котушок, що працюють при перемиканні на зменшити напругу. Перевагами лінійного джерела живлення є його простота та те, що вони генерують менше електромагнітних шумів, недоліки - їх більший розмір та менша ефективність (вони розсіюють більше енергії у вигляді тепла, ніж комутовані джерела).
На наступному малюнку ми можемо побачити основну структуру лінійного джерела живлення:
На схемі ми бачимо, що джерело живлення складається з різних модулів, які мають певну функцію. У наступних пунктах теми ми вивчимо кожен із цих модулів.
Він складається з вилки, клем або будь-якого фізичного пристрою, що дозволяє нам підключити джерело живлення до електричної мережі. Параметри, які необхідно враховувати при виборі штекера, полягає в тому, що він підтримує напругу мережі (230 в 50 Гц) і струм, який споживатиме ланцюг. Ми будемо використовувати ті самі параметри для вибору кабелю живлення.
Якби наше джерело живлення мало несправності і мало коротке замикання, це призвело б до дуже сильного зростання поточного споживання, наслідки цього зростання непередбачувані, оскільки якби воно було занадто великим, ми могли б зробити автомат нашого будинку і навіть будівлі стрибок, і якби він був відносно невеликим, він міг би підняти температуру нашого контуру до того, щоб викликати пожежу. Запобіжник - це пристрій, який, коли струм, що протікає через нього, перевищує його номінальний струм, він плавиться, перериваючи подачу струму. Основним параметром, який нам потрібно розрахувати для вибору нашого запобіжника, є номінальний струм. У пункті 6 цього документа пояснюється, як розрахувати номінальний струм запобіжника.
Цей пристрій не є строго необхідним, оскільки його функція полягає у усуненні можливих електромагнітних порушень, які можуть потрапити до нашого джерела живлення від електричної мережі, але його використання є надзвичайно важливим, якщо ми хочемо зробити наше обладнання несприйнятливим до таких перешкод. Хоча ми можемо виготовити мережевий фільтр самостійно, найкраще придбати комерційний фільтр, оскільки він перевірений на відповідність стандартам EMI.
Трансформатор - це електронний пристрій, який дозволяє нам трансформувати змінну вхідну напругу в змінну вихідну напругу різного значення. Головною перевагою трансформаторів є їх висока продуктивність. На малюнку 2 ви можете побачити схему трансформатора
Змінний струм, що протікає через первинну обмотку, індукує магнітний потік, який циркулює через сердечник, індукуючи змінну напругу у вторинній. Магнітний потік в обмотках 1 і 2, припускаючи відсутність втрат, ми можемо виразити його згідно з рівняннями:
Оскільки потік однаковий у двох обмотках, якщо розділити перше рівняння на друге, ми отримаємо:
Це рівняння говорить нам, що залежність між вхідною та вихідною напругою задається відношенням, яке існує між кількістю витків, які мають обмотки. Це відношення r називається відношенням порожнього перетворення.
Як ми вже говорили раніше, трансформатор - це пристрій з дуже невеликими втратами, тому можна сказати, що потужність у первинній буде дорівнює потужності у вторинній (якби вони втратили потужність первинної, це було б дорівнює потужність вторинного плюс сила втрат). Це дозволяє зрівняти потенціал первинного та вторинного за наступним рівнянням:
Це рівняння є дуже корисним для розрахунку номінального струму запобіжника джерела живлення, тому що якщо у нас є, наприклад, трансформатор з 230 В у первинному та 9 В у вторинному і ми споживаємо 1 А у вторинному, ми можемо розрахувати інтенсивність у первинному наступним чином:
Це означає, що на первинній частині нам довелося б поставити запобіжник більше 39 мА, щоб мати можливість витримати цю інтенсивність у вторинній. На ринку немає нескінченного різноманіття запобіжників, тому потрібно буде шукати стандартне значення, яке є найближчим до розрахункового значення.
Хоча ми вже говорили, що продуктивність трансформатора дуже висока, це значення не є 100%, і тому завжди є втрати, які збільшуються, коли ми збільшуємо інтенсивність, споживану у вторинній, це призводить до зменшення напруги на вторинній і фазовий зсув між вхідним та вихідним сигналом. У будь-якому випадку, якщо ми не перевищуємо струм трансформатора, ці рівняння цілком справедливі.
Трансформатори зазвичай мають дві вхідні клеми для первинної обмотки, до яких ми підключимо 230 В, а до вторинної, однак ми можемо знайти 3 базові конфігурації:
· Вторинна обмотка: У цьому випадку є лише два термінали для вторинного пристрою, через які ми отримуємо вихідну напругу. Прикладом може бути трансформатор 230 В/12 В та 1 А.
· Одна обмотка з проміжним краном: На вторинній є 3 клеми, в яких третя розетка підключена посередині вторинної котушки. Прикладом може бути трансформатор 230 В/12 В + 12 В і 1 А.
· Дві незалежні обмотки: Вторинна розділена на дві незалежні котушки, щоб мати можливість з’єднати їх так, як ми хочемо, таким чином, щоб ми могли отримати дві різні напруги, напругу, яка буде сумою двох обмоток, або одну обмотку з проміжним натисніть. Якщо ми базуємося на схемі підключення інкапсульованого трансформатора на малюнку 3 і використовуємо як приклад трансформатор 230v/12v + 12v та 1A, ми могли б отримати 12v від кожної котушки, якщо ми використовуємо їх самостійно або у випадку з'єднання крани O і V ', ми могли б отримати 24v від кранів V і O'. Ми також можемо використовувати OV 'як проміжний кран напівхвильового випрямляча (див. Пункт 7 Випрямляч).
На нижньому кресленні ми бачимо дві фотографії справжніх трансформаторів, одна з яких інкапсульована і призначена для пайки безпосередньо на друкованій платі, а інша - з паяльними клемами, підготовленими для розміщення на панелі.
Одну деталь, яку слід врахувати, - це різниця між ефективна напруга Y пікова напруга. Коли ми використовуємо змінний струм, напруги подаються в їх ефективному значенні, тобто значенні, яке мала б напруга, якби воно було безперервним, але оскільки це не так, з'являється інший параметр - це пікова напруга Vpk, яку ми можемо побачити графічно на малюнку 4, і що це відноситься до ефективної напруги за наступним рівнянням:
Більшість електронних схем використовують постійний струм (постійний струм) для роботи, тоді як, як ми вже зазначали раніше, напруга, яка надходить і залишає трансформатор, змінна (змінного струму). Для того, щоб перетворити цей змінний струм у постійний, ми використовуємо схему на основі напівпровідникових діодів, яку ми називаємо випрямляч. На малюнку 4 ми бачимо форму змінної напруги, коли вона залишає трансформатор, і те, як вона залишається після її випрямлення:
Існує декілька конфігурацій для виконання цієї функції, тут ми зосередимося на монофізичному випрямленні з повною хвилею. На малюнку 5 ви можете побачити дві конфігурації повноволнового випрямляча з трансформатором з проміжним краном і без нього.
Конфігурація чотирьох діодів називається випрямним мостом, і на ринку є випрямні мости, які інтегрують всі 4 діоди в одному пакеті. На рисунку 6 ми бачимо деякі реальні компоненти.
Зазвичай ці компоненти мають назву контактів, надрукованих знаками + та -, що є безперервними виходами та
змінні входи. Щоб вибрати випрямний міст (або діоди), який нам потрібен, нам потрібно визначити напругу та максимальний робочий струм, які повинні бути достатніми для нашої схеми. Наприклад, якщо ми хочемо побудувати джерело живлення 12 В та 1 А на вторинній, нам буде потрібно випрямний міст (або 4 діоди), що підтримує щонайменше 1 ампер та 12 В, завжди намагаючись залишити запас не менше 30%, Це означає, що нам знадобиться один із 1.3A та 15.6v (це поточне значення ми можемо не знайти на ринку, і нам доведеться перейти до одного з 1.5A, оскільки для напруги ми зазвичай використовуємо 230v, тому буде без проблем).
Після випрямлення сигналу ми отримуємо форму сигналу, яка не є абсолютно неперервною (див. Рисунок 7). Щоб усунути пульсації та залишити напругу якомога безперервнішою, ми будемо фільтрувати сигнал, використовуючи паралельно один або кілька конденсаторів. На малюнку 7 ви можете побачити, як цей сигнал виглядає після фільтрації.
Для обчислення значення конденсатора ми можемо використати досить хороше наближення з наступним рівнянням:
- Vmax: Це максимальне значення вхідної напруги, еквівалентне піковому значенню вторинного трансформатора (Vpk).
- Vmin: Мінімальна напруга, яку ми хочемо, щоб мала вхідна напруга, і яка визначає пульсації джерела.
- Imax: Максимальна інтенсивність у вторинній.
- Т: Період мережевого сигналу для 50 Гц і повноволнового випрямляча становить 10 мс. На півхвилі це було б 20 мс.
- C: Ємність конденсатора фільтра у фарадах.
Як ми бачимо на рисунку 7, відфільтрований вихід представляє невелику пульсацію, щоб усунути цю пульсацію і контролювати напругу, щоб вона не змінювалася внаслідок змін струму навантаження, ми використовуємо регулятор напруги. Найкраще використовувати комерційну мікросхему, таку як серія 78XX. Ми збираємось зробити практичний випадок з джерелом живлення потужністю 5 В 0,5 А за допомогою L7805.
Принципова схема живлення така:
Розрахуємо кожен із компонентів:
З урахуванням усіх цих параметрів та застосовуючи рівняння 3, ми розраховуємо, що C = 0,001344 F = 1344 м F. Ми будемо використовувати найближче загальне комерційне значення, вище якого 2200 мкФ.
- Регулятор: Це буде L7805, який чудово подає необхідні значення 5 В та 0,5 А.
- Інші компоненти: L7805 потребує невеликого конденсатора 100 нФ на вході та виході, і ми додаємо більший конденсатор (470 мкФ) для стабілізації напруги на виході схеми. Діод D3 використовується, щоб запобігти зворотному зміщенню та потенційному пошкодженню L7805.
Використовуючи ту саму схему та замінивши L7805 на інші з тієї ж серії, такі як 7812, 7815, 7824 та перерахувавши вартість усіх компонентів, ми зможемо отримати джерела живлення з різними вихідними напругами.
Іншим важливим елементом дизайну є радіатор тепла що може знадобитися чи не знадобитися в нашій схемі. Щоб розрахувати, чи потрібен нам випромінювач, нам спочатку потрібно знати потужність, яку регулятор напруги буде розсіювати в гіршому випадку (коли вхідна напруга максимальна), для цього ми будемо використовувати формулу P = VI, де V буде напруга, що падає на наш регулятор, значення якого буде визначатися максимальною вхідною напругою Vmax мінус перепади напруги, що відбуваються поза регулятором, тобто падіння напруги на діоді (0,7 в) і падіння напруги на навантаженні ( 5v вихід регулятора), тож у нас є Vreg = Vmax-Vdiode-Voutput, і ми помножимо його на максимальну інтенсивність, залишивши в кінці потужність як Pmax = (Vmax-Vdiode-Voutput) * Imax = 7.02 * 0.5 = 3, 51 Вт.
Якщо ми перейдемо до таблиці даних L7805 і побачимо тепловий опір пакета TO-220 між переходом і навколишнім середовищем (Rthj-amb), воно має значення 50 єС/Вт, це означає, що на кожен ват, який ми розсіюємо в упаковці, температура цього зросте на 50 єС. За допомогою простого множення ми підраховуємо, що якщо потужність, що розсіюється L7805, дорівнює 3,51 Вт, температура, яку вона досягне, становитиме 3,51 Вт * 50 єС/Вт = 175,5 єС, що є температурою, яку інтеграл не витримує (максимальна температура переходу становить 150 єС), тож доведеться поставити радіатор. Давайте обчислимо.
Для розрахунку теплового контуру ми використовуємо закон Ома, ніби це електричний контур, але підставляючи (див. Рівняння 4) інтенсивність потужності, напругу для температури та опір для теплового опору.
Тепловий контур 7805 буде таким:
Після порівняння між електричним ланцюгом і тепловим ланцюгом, поясненим до того, як ми отримаємо, що рівняння цієї схеми буде таким:
Давайте подивимось на значення та значення кожного з термінів:
- TUnion: Це максимальна температура, яку ми хочемо мати в інтегрованому союзі. У таблиці даних L7805 сказано, що максимальна температура переходу становить 150 ° C, у будь-якому випадку ми будемо використовувати максимальну температуру 90 ° C, щоб уникнути проблем із нагріванням в інших сусідніх контурах і гарантувати тривалий термін служби вбудованого.
- Навколишнє середовище: Середня температура, яка використовується для цього значення, становить 25 ° С, але це не зовсім вірно, оскільки середня температура на Північному полюсі не така, як у пустелі Сахара. Я зазвичай використовую значення 35є.
- Rthj-випадок: Це тепловий опір між переходом і корпусом. У таблиці даних L7805 ми бачимо, що для пакету TO-220 це коштує 5 єC/W.
- З: Потужність, яку ми розрахували раніше, і коштує 3,51 Вт.
- RRadiator: Це значення, яке потрібно обчислити.
Якщо очистити радіатор від попереднього рівняння, ми отримаємо таке рівняння:
Якщо підставити значення в це рівняння, ми отримаємо значення для RRadiator 10,6 єС/Вт, тому будемо шукати випромінювач з тепловим опором цього значення або менше.
На наступній сторінці ви можете знайти більше інформації:
MCBtec - компанія, яка займається технологічним розвитком.