Можете да изтеглите pdf версията тук.

Целта на този текст е да предостави основната информация, необходима за проектиране на линейно захранване, без да се задълбочава (нищо повече от необходимото) в теорията за работата на всеки от компонентите. Текстът е разделен на следните точки:

Всяка електронна схема се нуждае от енергия, за да работи, тази енергия може да бъде получена от батерия или чрез електрическата мрежа. Напрежението, подавано от електрическата мрежа, е променливо (AC) и обикновено далеч надвишава напрежението, от което се нуждаем, така че трябва да вмъкнем електронна схема, която трансформира напрежението и вида на тока на мрежата (230v AC в Испания) към напрежението и тип ток (променлив или постоянен), който ни е необходим в нашата верига. Тази верига се нарича захранване

По принцип има два вида захранвания, линейните, които използват трансформатор, за да намалят нивото на напрежение в електрическата мрежа до необходимото ниво в нашата верига и включените източници, които използват вериги, базирани на транзистори и намотки, работещи при превключване, за да намалят напрежението .напрежение. Предимствата на линейното захранване са неговата простота и това, че генерират по-малко електромагнитни шумове, недостатъците са по-големият им размер и по-ниска ефективност (те разсейват повече енергия под формата на топлина, отколкото комутираните източници).

На следващата фигура можем да видим основната структура на линейно захранване:

захранвания

На схемата можем да видим, че захранването се състои от различни модули, които имат специфична функция. В следващите точки на темата ще изучим всеки от тези модули.

Той се формира от щепсела, клемите или всяко физическо устройство, което ни позволява да свържем нашето захранване към електрическата мрежа. Параметрите, които трябва да се вземат предвид при избора на щепсела, е, че той поддържа напрежението на мрежата (230v 50Hz) и тока, който веригата ще консумира. Ще използваме същите параметри, за да изберем захранващия кабел.

Ако нашето захранване е имало неизправност и е било на късо съединение, това ще доведе до много силно нарастване на текущото потребление, последиците от това покачване са непредсказуеми, тъй като ако е твърде високо, можем да направим автоматика на нашия дом и дори на сградата скок и ако беше относително малък, можеше да повиши температурата на нашата верига до степен да предизвика пожар. Предпазителят е устройство, което когато протичащият през него ток е по-голям от номиналния си ток, той се топи, прекъсвайки подаването на ток. Основният параметър, който трябва да изчислим, за да изберем нашия предпазител, е номиналният ток. В точка 6 от този документ е обяснено как да се изчисли номиналният ток на предпазителя.

Това устройство не е строго необходимо, тъй като неговата функция е да елиминира възможни електромагнитни смущения, които могат да достигнат до нашето захранване от електрическата мрежа, но използването му е от съществено значение, ако искаме да направим нашето оборудване имунизирано срещу подобни смущения. Въпреки че мрежовият филтър можем да направим сами, най-добре е да закупите търговски филтър, тъй като те са тествани, за да отговарят на стандартите EMI.

Трансформаторът е електронно устройство, което ни позволява да трансформираме променливо входно напрежение в променливо изходно напрежение с различна стойност. Основното предимство, което трансформаторите имат, е тяхната висока производителност. На фигура 2 можете да видите диаграма на трансформатор

Променливият ток, протичащ през първичната намотка, предизвиква магнитен поток, който циркулира през сърцевината, индуцирайки променливо напрежение във вторичната. Магнитният поток в намотките 1 и 2, ако приемем, че няма загуби, можем да го изразим според уравненията:

Тъй като потокът е еднакъв в двете намотки, ако разделим първото уравнение на второто, имаме:

Това уравнение ни казва, че връзката между входното и изходното напрежение се дава от връзката, която съществува между броя на завъртанията, които имат намотките. Тази релация r се нарича празна релация на трансформация.

Както казахме по-рано, трансформаторът е устройство с много малко загуби, така че можем да кажем, че мощността в първичната ще бъде равна на мощността във вторичната (ако те са загубили мощността на първичната, тя ще бъде равна на мощността на вторичния плюс силата на загубите). Това ни позволява да изравним потенциала на първичното и вторичното, съгласно следното уравнение:

Това уравнение е много полезно за изчисляване на номиналния ток на предпазителя на захранващото устройство, защото ако имаме например трансформатор с 230v в първичния и 9v във вторичния и консумираме 1А във вторичния, можем да изчислим интензитета в първичната, както следва:

Това означава, че в първичната би трябвало да поставим предпазител, по-голям от 39 mA, за да можем да издържим на този интензитет във вторичния. На пазара няма безкрайно разнообразие от предпазители, така че ще е необходимо да се намери стандартната стойност, която е най-близка до изчислената стойност.

Въпреки че казахме, че производителността на трансформатора е много висока, тази стойност не е 100% и следователно винаги има загуби, които се увеличават, докато увеличаваме интензивността, консумирана във вторичния, това се превръща в намаляване на напрежението във вторичния и фазово изместване между входния и изходния сигнал. Във всеки случай, ако не надвишим тока на трансформатора, тези уравнения са напълно валидни.

Трансформаторите обикновено имат два входни клеми за първичната намотка, в които ще свържем 230v, а във вторичната обаче можем да намерим 3 основни конфигурации:

· Вторична намотка: В този случай има само два извода за вторичния, през които получаваме изходното напрежение. Пример за това може да бъде трансформатор от 230v/12v и 1A.

· Една намотка с междинен кран: Вторичният има 3 клеми, в които третият контакт е свързан в средата на вторичната намотка. Пример за това може да бъде трансформатор от 230v/12v + 12v и 1A.

· Две независими намотки: Вторичната е разделена на две независими намотки, за да можем да ги свържем по начина, по който желаем, по такъв начин, че да можем да получим две различни напрежения, напрежение, което ще бъде сумата от двете намотки или единична намотка с междинен кран. Ако се основаваме на схемата за свързване на капсулирания трансформатор на фигура 3 и използваме трансформатор 230v/12v + 12v и 1A като пример, бихме могли да получим 12v от всяка от бобините, ако ги използваме независимо или в случай на присъединяване крановете O и V ', бихме могли да получим 24v от крановете V и O'. Можем да използваме OV 'като междинен кран на полувълнов токоизправител (виж точка 7 Изправител).

На долния чертеж можем да видим две снимки на истински трансформатори, едната капсулирана и проектирана да бъде запоена директно върху печатната платка, а друга с клеми за запояване, подготвени за поставяне на панела.

Една подробност, която трябва да се вземе предвид, е разликата между ефективно напрежение Y. пиково напрежение. Когато използваме променлив ток, напреженията са дадени в тяхната ефективна стойност, т.е. стойността, която напрежението би имало, ако беше непрекъснато, но тъй като това не е, се появява друг параметър, който е пиковото напрежение Vpk, което можем да видим графично на фигура 4 и че се отнася до ефективното напрежение чрез следното уравнение:

Повечето от електронните вериги използват постоянен ток (DC) за работа, докато, както сме коментирали по-рано, напрежението, което пристига и напуска трансформатора, се променя (AC). За да трансформираме този променлив ток в постоянен ток, ние използваме схема, базирана на полупроводникови диоди, която наричаме токоизправител. На фигура 4 виждаме формата на променливото напрежение при напускане на трансформатора и как остава след изравняването му:

Има няколко конфигурации за изпълнение на тази функция, тук ще се съсредоточим върху монофизично коригиране на пълни вълни. На фигура 5 можете да видите две конфигурации за изправител с пълна вълна с трансформатор със и без междинен кран.

Конфигурацията на четирите диода се нарича токоизправителен мост и на пазара има токоизправителни мостове, които интегрират всичките 4 диода в една и съща опаковка. На фигура 6 виждаме някои от реалните компоненти.

Обикновено тези компоненти имат името на щифтовете, отпечатани с + и - като непрекъснатите изходи и

редуващи се входове. За да изберем токоизправителния мост (или диоди), от който се нуждаем, трябва да определим напрежението и максималния работен ток, които трябва да са достатъчни за нашата верига. Например, ако искаме да изградим 12v и 1A захранване във вторичния, ще ни е необходим токоизправителен мост (или 4 диода), който поддържа поне 1 усилвател и 12v, като винаги се опитваме да оставим марж от поне 30%, което означава, че ще ни трябва един от 1.3A и 15.6v (тази текуща стойност може да не намерим на пазара и ще трябва да преминем към една от 1.5A, тъй като за напрежението обикновено ще използваме 230v, така че ще има няма проблеми).

След като сигналът бъде коригиран, получаваме форма на вълната, която не е точно непрекъсната (вижте фигура 7). За да премахнем пулсациите и да оставим напрежението възможно най-продължително, ще филтрираме сигнала, като използваме паралелно един или повече кондензатори. На фигура 7 можете да видите как този сигнал изглежда след филтриране.

За да изчислим стойността на кондензатора, можем да използваме доста добро приближение със следното уравнение:

  • Vmax: Това е максималната стойност на входното напрежение, която е еквивалентна на пиковата стойност на вторичния трансформатор (Vpk).
  • Vmin: Минимално напрежение, което искаме да има входното напрежение и което определя пулсациите на източника.
  • Imax: Максимален интензитет във вторичния.
  • Т: Периодът на мрежовия сигнал за 50Hz и изправител с пълна вълна е 10 ms. На половин вълна ще бъде 20 ms.
  • ° С: Капацитет на филтриращия кондензатор във фарад.

Както виждаме на фигура 7, филтрираният изход представлява малка пулсация, за да се премахне тази пулсация и да се контролира напрежението, така че да не се променя при текущите промени в товара, използваме регулатор на напрежение. Най-добре е да използвате търговска интегрална схема като серията 78XX. Ще направим практически случай на захранване с изход 5v 0.5A, използвайки L7805.

Схемата на захранването е както следва:

Нека изчислим всеки от компонентите:

С всички тези параметри и прилагайки уравнение 3, изчисляваме, че C = 0,001344 F = 1344 m F. Ще използваме най-близката обща търговска стойност, над която е 2200 μF.

  • Регулатор: Това ще бъде L7805, който перфектно дава заявените стойности от 5V и 0.5A.
  • Други компоненти: L7805 се нуждае от малък 100nF кондензатор на входа и изхода и ние добавяме по-голям кондензатор (470 μF), за да стабилизира напрежението на изхода на веригата. Диод D3 се използва, за да се предотврати L7805 да се обърне и потенциално да се повреди.

Използвайки същата схема и замествайки L7805 с други от същата серия като 7812, 7815, 7824 и преизчислявайки стойността на всички компоненти, ще можем да получим захранвания с различни изходни напрежения.

Друг важен елемент от дизайна е радиатор на топлина това може да е необходимо или не в нашата верига. За да изчислим дали имаме нужда от радиатор, първо трябва да знаем мощността, която регулаторът на напрежението ще разсее в най-лошия случай (когато входното напрежение е максимално), за това ще използваме формулата P = VI, където V ще бъде напрежение, което пада върху нашия регулатор, чиято стойност ще бъде определена от максималното входно напрежение Vmax минус спада на напрежението, които се появяват извън регулатора, т.е. спада на напрежението на диода (0.7v) и спада на напрежението върху товара ( 5v изход на регулатора), така че имаме Vreg = Vmax-Vdiode-Voutput и ще го умножим по максималния интензитет, оставяйки в края мощността като Pmax = (Vmax-Vdiode-Vout) * Imax = 7.02 * 0.5 = 3, 51W.

Ако отидем до листа с данни L7805 и видим термичното съпротивление на пакета TO-220 между кръстовището и околната среда (Rthj-amb), то има стойност от 50 ° C/W, това означава, че за всеки ват, който разсейваме в опаковката, температурата на това ще се повиши с 50 ° C. С просто умножение изчисляваме, че ако мощността, разсейвана от L7805, е 3,51 W, температурата, която ще достигне, ще бъде 3,51 W * 50 ° C/W = 175,5 ° C, което е температура, която интегрираният не може да издържи (максималната температура на свързване е 150 єC), така че ще трябва да поставим радиатор. Нека го изчислим.

За да изчислим термична верига, използваме закона на ома, сякаш е електрическа верига, но замествайки (виж уравнение 4) интензивността на мощността, напрежението за температурата и съпротивлението за термичното съпротивление.

Термичната верига 7805 ще бъде:

Следвайки сравнението между електрическата верига и термичната верига, обяснено преди да имаме, че уравнението на тази схема ще бъде:

Нека да видим значението и стойността на всеки от термините:

  • TUnion: Това е максималната температура, която искаме да има интегрираният възел. В листа с данни на L7805 пише, че максималната температура на кръстовището е 150 ° C, така или иначе ще използваме максимална температура от 90 ° C, за да избегнем проблеми с отоплението в други близки вериги и да гарантираме дълъг живот на интегрираната.
  • Атмосфера: Средната температура, използвана за тази стойност, е 25 ° C, но това не е напълно вярно, тъй като средната температура на Северния полюс не е същата като в пустинята Сахара. Обикновено използвам стойността на 35є.
  • Rthj-случай: Това е термичното съпротивление между кръстовището и пакета. В листа с данни L7805 можем да видим, че за пакета TO-220 си струва 5 єC/W.
  • В: Мощността, която сме изчислили преди и е на стойност 3,51W.
  • RRadiator: Това е стойността, която трябва да се изчисли.

Ако изчистим радиатора от предишното уравнение, получаваме следното уравнение:

Ако заместим стойностите в това уравнение, получаваме стойност за RRadiator от 10,6 єC/W, така че ще търсим радиатор с термично съпротивление с тази стойност или по-малко.

На следващата страница можете да намерите повече информация:

MCBtec е компания, посветена на технологичното развитие.