THIẾT KẾ CUNG CẤP ĐIỆN ANALOG CƠ BẢN

Có một câu nói cổ: "Bạn có thể cho một người đàn ông một con cá và anh ta sẽ ăn trong một ngày hoặc bạn có thể dạy một người đàn ông câu cá và anh ta sẽ ăn mãi mãi." Có rất nhiều bài báo cung cấp cho người đọc một thiết kế cụ thể để xây dựng một nguồn điện, và không có gì sai với những thiết kế sách dạy nấu ăn này. Họ thường có hiệu suất rất tốt. Tuy nhiên, họ không dạy người đọc cách tự thiết kế nguồn điện. Bài viết gồm hai phần này sẽ bắt đầu từ đầu và giải thích từng bước cần thiết để xây dựng một bộ nguồn analog cơ bản. Thiết kế sẽ tập trung vào bộ điều chỉnh ba đầu cuối phổ biến và bao gồm một số cải tiến cho thiết kế cơ bản.

Điều quan trọng cần nhớ là nguồn điện - đối với một sản phẩm cụ thể hoặc là một phần chung của thiết bị thử nghiệm - có khả năng gây điện giật cho người dùng, gây hỏa hoạn hoặc phá hủy thiết bị mà nó đang cấp nguồn. Rõ ràng, đây không phải là những điều tốt. Vì lý do đó, điều quan trọng là phải tiếp cận thiết kế này một cách thận trọng. Cung cấp nhiều lợi nhuận cho các thành phần. Nguồn điện được thiết kế tốt là điều không bao giờ được chú ý.

CHUYỂN ĐỔI NGUỒN ĐIỆN VÀO

Hình 1 cho thấy thiết kế cơ bản của một nguồn điện tương tự điển hình. Nó bao gồm ba thành phần chính: chuyển đổi nguồn điện đầu vào và điều hòa; chỉnh lưu và lọc; và quy định. Việc chuyển đổi công suất đầu vào thường là một máy biến áp và là phương pháp duy nhất được xem xét ở đây. Tuy nhiên, có một số điểm quan trọng cần đề cập.

HÌNH 1. Một bộ nguồn tương tự cơ bản bao gồm ba phần. Hai phần đầu được thảo luận trong bài viết này và phần cuối cùng trong phần tiếp theo.

---

Đầu tiên là 117 VAC (Volts xoay chiều) thực sự là một phép đo RMS (Root Mean Square). (Lưu ý rằng tôi đã thấy nguồn điện gia dụng thông thường được chỉ định ở bất kỳ đâu từ 110 VAC đến 125 VAC. Tôi vừa đo của mình và thấy nó chính xác là 120.0 VAC.) Một phép đo RMS của sóng hình sin thấp hơn nhiều so với điện áp đỉnh thực tế và đại diện điện áp DC (Dòng điện một chiều) tương đương cần thiết để cung cấp cùng một nguồn điện.

chuyển đổi RMS thay đổi tùy theo hình dạng sóng; đối với sóng hình sin, giá trị là 1.414. Điều này có nghĩa là độ lệch xung quanh 169.7 volt thực sự là 120 volt (đối với nguồn 169.7 VAC của tôi). Công suất đi từ -169.7 vôn đến +339.4 vôn mỗi chu kỳ. Do đó, điện áp đỉnh-đỉnh thực tế là XNUMX vôn!

Điện áp này trở nên đặc biệt quan trọng khi thêm các tụ điện rẽ nhánh vào đường dây điện chính để ngăn chặn nhiễu xâm nhập hoặc rời khỏi nguồn điện (một tình huống phổ biến). Nếu bạn nghĩ rằng điện áp thực tế là 120 vôn, bạn có thể sử dụng tụ điện 150 vôn. Như bạn có thể thấy, điều này không chính xác. Điện áp làm việc an toàn tối thiểu tuyệt đối cho tụ điện của bạn là 200 vôn (250 vôn thì tốt hơn). Đừng quên rằng nếu bạn muốn thấy nhiễu / tăng đột biến trên đường dây, bạn cần thêm điện áp nhiễu / tăng đột biến đó vào điện áp đỉnh.

Tần số đầu vào phổ biến là 60 Hz ở Hoa Kỳ. Ở Châu Âu, tần số 50 Hz là phổ biến. Máy biến áp được đánh giá ở 60 Hz nói chung sẽ hoạt động tốt trên 50 Hz và ngược lại. Ngoài ra, độ ổn định tần số của đường dây điện thường là tuyệt vời và hiếm khi được xem xét. Đôi khi, bạn có thể tìm thấy các máy biến áp 400 Hz có sẵn. Đây thường là các thiết bị quân sự hoặc hàng không và thường không thích hợp để sử dụng trên nguồn 50/60 Hz (hoặc ngược lại).

Đầu ra của máy biến áp cũng được xác định là điện áp RMS. Ngoài ra, điện áp được chỉ định là điện áp tối thiểu dự kiến ​​khi đầy tải. Thường thì công suất định mức tăng khoảng 10% khi không tải. (Máy biến áp 25.2 volt / hai amp của tôi đo được 28.6 volt khi không tải.) Điều này có nghĩa là điện áp đầu ra không tải / đỉnh thực tế cho máy biến áp 25.2 volt của tôi là 40.4 volt! Như bạn có thể thấy, điều quan trọng cần nhớ là điện áp RMS định mức cho nguồn AC về cơ bản nhỏ hơn đáng kể so với điện áp đỉnh thực tế.

Hình 2 cung cấp thiết kế điều hòa và chuyển đổi công suất đầu vào điển hình. Tôi thích sử dụng công tắc hai cực mặc dù nó không hoàn toàn cần thiết. Nó bảo vệ khỏi các ổ cắm điện bị nối dây sai (hiếm gặp ngày nay) hoặc các dây dẫn điện mắc sai trong chính nguồn điện (phổ biến hơn nhiều). Điều quan trọng là khi công tắc nguồn tắt, dây dẫn nóng sẽ được ngắt khỏi nguồn điện.

HÌNH 2. Điều hòa đầu vào là khá cơ bản, nhưng cần phải nhớ rằng điện áp RMS không giống với điện áp đỉnh. Điện áp đỉnh của 120 VAC RMS là khoảng 170 vôn.

---

Cầu chì (hoặc bộ ngắt mạch) là cần thiết. Mục đích chính của nó là để ngăn ngừa hỏa hoạn vì nếu không có nó, máy biến áp hoặc ngắn mạch sơ cấp sẽ cho phép dòng điện lớn chạy qua khiến các bộ phận kim loại nóng đỏ hoặc thậm chí trắng. Nó thường là loại thổi chậm được đánh giá ở 250 vôn. Đánh giá hiện tại phải bằng khoảng gấp đôi so với những gì máy biến áp có thể mong đợi để vẽ.

Ví dụ, máy biến áp hai amp 25.2 volt được đề cập ở trên sẽ tạo ra dòng điện sơ cấp khoảng 0.42 amps (25.2 volt / 120 volt x hai ampe). Vì vậy, một cầu chì một amp là hợp lý. Một cầu chì trong thứ cấp sẽ được thảo luận trong bài viết tiếp theo.

Các tụ điện bỏ qua giúp lọc tiếng ồn và là tùy chọn. Vì điện áp đỉnh khoảng 170 vôn, nên định mức 250 vôn tốt hơn định mức 200 vôn biên. Bạn có thể muốn sử dụng “bộ lọc đầu vào”. Có nhiều loại đơn vị này. Một số chứa đầu nối nguồn tiêu chuẩn, công tắc, giá đỡ cầu chì và bộ lọc trong một gói nhỏ. Những người khác có thể chỉ có một số thành phần này. Thông thường, những cái có tất cả mọi thứ đều khá đắt, nhưng những đơn vị dư thừa thường có thể được tìm thấy với giá rất hợp lý.

Việc có thể xác định xem mạch sơ cấp có được cấp nguồn hay không là điều quan trọng nên đèn hoa tiêu được sử dụng. Hai mạch điển hình được hiển thị. Đèn neon đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ. Nó đơn giản và không tốn kém. Nó có những hạn chế là nó hơi dễ vỡ (được làm bằng thủy tinh); có thể nhấp nháy nếu điện trở quá lớn; và thực sự có thể tạo ra một số tiếng ồn điện (do sự phân hủy ion đột ngột của khí neon).

Mạch LED cũng yêu cầu một điện trở hạn chế dòng điện. Ở tốc độ 10,000 hms, dòng điện khoảng 12 mA được cung cấp. Hầu hết các đèn LED được đánh giá cho dòng điện tối đa là 20 mA, vì vậy 12 mA là hợp lý. (Đèn LED hiệu suất cao có thể hoạt động tốt chỉ với 1 hoặc 2 mA, do đó, điện trở có thể được tăng lên theo yêu cầu.)

Lưu ý rằng đèn LED có điện áp đánh thủng ngược thực sự kém (thường là 10 đến 20 vôn). Vì lý do đó, một diode thứ hai là cần thiết. Điều này phải có thể hoạt động với ít nhất 170 volt của PIV (Điện áp nghịch đảo đỉnh). Tiêu chuẩn 1N4003 được đánh giá ở mức 200 PIV, không mang lại nhiều lợi nhuận. 1N4004 được đánh giá ở mức 400 PIV và có lẽ đắt hơn một xu. Bằng cách đặt nó nối tiếp với đèn LED, PIV tổng thể là 400 cộng với PIV LED.

CHỨNG MINH VÀ LỌC

Hình 3, 4 và 5 cho thấy các mạch chỉnh lưu điển hình nhất với dạng sóng đầu ra được hiển thị ở trên. (Tụ lọc không được hiển thị bởi vì khi thêm nó, dạng sóng sẽ thay đổi thành một thứ giống như điện áp một chiều.) Sẽ rất hữu ích khi kiểm tra ba mạch cơ bản này để xác định điểm mạnh và điểm yếu của chúng.

Hình 3 mô tả bộ chỉnh lưu nửa sóng cơ bản. Đặc điểm duy nhất của điều này là nó rất đơn giản, chỉ sử dụng một bộ chỉnh lưu duy nhất. Đặc điểm không tốt là nó chỉ sử dụng một nửa chu kỳ công suất làm cho hiệu suất lý thuyết của mạch thấp hơn 50% khi mới bắt đầu. Thường thì các bộ nguồn chỉnh lưu nửa sóng chỉ có hiệu suất 30%. Vì máy biến áp là vật dụng đắt tiền nên việc sử dụng không hiệu quả sẽ rất tốn kém. Thứ hai, dạng sóng rất khó lọc. Một nửa thời gian hoàn toàn không có điện đến từ máy biến áp. Làm mịn đầu ra yêu cầu các giá trị điện dung rất cao. Nó hiếm khi được sử dụng cho nguồn điện tương tự.

HÌNH 3. Mạch chỉnh lưu nửa sóng tuy đơn giản nhưng nó tạo ra dạng sóng đầu ra kém, rất khó lọc. Ngoài ra, một nửa công suất máy biến áp bị lãng phí. (Lưu ý rằng các tụ lọc được bỏ qua để rõ ràng vì chúng thay đổi dạng sóng.)

---

Một điều thú vị và quan trọng xảy ra khi một tụ lọc được thêm vào mạch chỉnh lưu nửa sóng. Sự chênh lệch điện áp không tải tăng gấp đôi. Điều này là do tụ điện tích trữ năng lượng từ nửa đầu (phần dương) của chu kỳ. Khi nửa thứ hai xảy ra, tụ điện đang giữ điện áp đỉnh dương và điện áp đỉnh âm được đặt vào đầu cuối kia gây ra toàn bộ điện áp đỉnh-đỉnh cho tụ điện và thông qua đó, điốt. Do đó, đối với một máy biến áp 25.2 volt ở trên, điện áp đỉnh thực tế mà các thành phần này nhìn thấy có thể trên 80 volt!

Hình 4 (mạch trên cùng) là một ví dụ về mạch chỉnh lưu toàn sóng / vòi trung tâm điển hình. Khi điều này được sử dụng, trong hầu hết các trường hợp, nó có lẽ không nên. Nó cung cấp một đầu ra tốt đẹp được chỉnh sửa đầy đủ. Điều này làm cho việc lọc tương đối dễ dàng. Nó chỉ sử dụng hai bộ chỉnh lưu, vì vậy nó khá rẻ. Tuy nhiên, nó không hiệu quả hơn mạch nửa sóng được trình bày ở trên.

HÌNH 4. Thiết kế toàn sóng (trên cùng) tạo ra đầu ra đẹp. Bằng cách vẽ lại mạch (dưới cùng), có thể thấy rằng nó thực sự chỉ là hai bộ chỉnh lưu nửa sóng được kết nối với nhau. Một lần nữa, một nửa công suất máy biến áp bị lãng phí.

---

Có thể thấy điều này bằng cách vẽ lại mạch điện với hai máy biến áp (Hình 4 dưới cùng). Khi điều này được thực hiện, rõ ràng là toàn sóng thực sự chỉ là hai mạch nửa sóng được kết nối với nhau. Một nửa chu kỳ nguồn của mỗi máy biến áp không được sử dụng. Do đó, hiệu suất lý thuyết tối đa là 50% với hiệu suất thực khoảng 30%.

PIV của mạch là một nửa của mạch nửa sóng vì điện áp đầu vào điốt bằng một nửa đầu ra của máy biến áp. Vòi giữa cung cấp một nửa hiệu điện thế vào hai đầu cuộn dây của máy biến áp. Vì vậy, đối với ví dụ máy biến áp 25.2 volt, PIV là 35.6 volt cộng với mức tăng không tải là khoảng 10% nữa.

Hình 5 trình bày mạch chỉnh lưu cầu thường được lựa chọn đầu tiên. Đầu ra được chỉnh lưu hoàn toàn nên việc lọc khá dễ dàng. Tuy nhiên, quan trọng nhất, nó sử dụng cả hai nửa chu kỳ năng lượng. Đây là thiết kế hiệu quả nhất và tận dụng tối đa máy biến áp đắt tiền. Thêm hai điốt ít tốn kém hơn nhiều so với việc tăng gấp đôi định mức công suất máy biến áp (được đo bằng “Volt-Amps” hoặc VA).

HÌNH 5. Cách tiếp cận chỉnh lưu cầu (trên cùng) cung cấp việc sử dụng đầy đủ công suất của máy biến áp và với chỉnh lưu toàn sóng. Ngoài ra, bằng cách thay đổi tham chiếu nối đất (dưới cùng), có thể thu được nguồn điện áp kép.

---

Hạn chế duy nhất của thiết kế này là nguồn điện phải đi qua hai điốt với mức giảm điện áp là 1.4 vôn thay vì 0.7 vôn cho các thiết kế khác. Nói chung, đây chỉ là mối quan tâm đối với các nguồn cung cấp điện áp thấp trong đó 0.7 volt bổ sung đại diện cho một phần đáng kể của đầu ra. (Trong những trường hợp như vậy, nguồn điện chuyển mạch thường được sử dụng hơn là một trong các mạch trên.)

Vì có hai điốt được sử dụng cho mỗi nửa chu kỳ, nên chỉ một nửa điện áp của máy biến áp được nhìn thấy bởi mỗi điốt. Điều này làm cho PIV bằng với điện áp đầu vào đỉnh hoặc 1.414 lần điện áp biến áp, giống như mạch toàn sóng ở trên.

Một tính năng rất hay của bộ chỉnh lưu cầu là có thể thay đổi tham chiếu nối đất để tạo ra điện áp đầu ra âm và dương. Điều này được thể hiện trong phần dưới cùng của Hình 5.

LỌC

Gần như tất cả các bộ lọc cho nguồn điện tương tự đều đến từ một tụ lọc. Có thể sử dụng cuộn cảm mắc nối tiếp với đầu ra, nhưng ở tần số 60 Hz, những cuộn cảm này phải khá lớn và đắt tiền. Đôi khi, chúng được sử dụng cho nguồn điện cao áp, nơi các tụ điện thích hợp đắt tiền.

Công thức tính toán tụ lọc (C) khá đơn giản, nhưng bạn cần biết điện áp gợn sóng đỉnh-đỉnh chấp nhận được (V), thời gian nửa chu kỳ (T) và dòng điện rút ra (I). Công thức là C = I * T / V, trong đó C tính bằng microfarads, I tính bằng miliampe, T tính bằng mili giây và V tính bằng vôn. Thời gian nửa chu kỳ cho 60 Hz là 8.3 mili giây (tham khảo: Sổ tay nghiệp dư của Đài phát thanh năm 1997).

Rõ ràng từ công thức rằng các yêu cầu lọc được tăng lên đối với các nguồn cung cấp dòng điện cao và / hoặc độ gợn sóng thấp, nhưng đây chỉ là lẽ thường. Một ví dụ dễ nhớ là 3,000 microfarads trên mỗi ampe dòng điện sẽ cung cấp gợn sóng khoảng ba vôn. Bạn có thể tính toán các tỷ lệ khác nhau từ ví dụ này để đưa ra các ước tính hợp lý về những gì bạn cần một cách khá nhanh chóng.

Một lưu ý quan trọng là sự gia tăng của dòng điện khi bật. Các tụ lọc hoạt động như một quần short chết cho đến khi chúng được sạc đầy. Các tụ điện càng lớn, mức tăng này sẽ càng lớn. Máy biến áp càng lớn thì mức tăng đột biến càng lớn. Đối với hầu hết các nguồn điện tương tự điện áp thấp (<50 volt), điện trở cuộn dây biến áp sẽ giúp ích phần nào. Máy biến áp 25.2 vôn / hai amp có điện trở thứ cấp đo được là 0.6 ôm. Điều này giới hạn mức khởi động tối đa là 42 ampe. Ngoài ra, điện cảm của máy biến áp làm giảm phần nào điều này. Tuy nhiên, vẫn có một sự đột biến tiềm năng lớn hiện tại khi bật lên.

Tin tốt là các bộ chỉnh lưu silicon hiện đại thường có khả năng tăng dòng điện rất lớn. Họ điốt tiêu chuẩn 1N400x thường được chỉ định với dòng điện tăng 30 ampe. Với mạch cầu, có hai điốt mang điện này, vì vậy trường hợp xấu nhất là 21 ampe mỗi điốt thấp hơn thông số kỹ thuật 30 amp (giả sử chia sẻ dòng điện bằng nhau, điều này không phải lúc nào cũng xảy ra). Đây là một ví dụ điển hình. Nói chung, hệ số khoảng 10 được sử dụng, thay vì 21.

Tuy nhiên, sự gia tăng hiện tại này không phải là điều có thể bỏ qua. Chi thêm một vài xu để sử dụng cầu ba amp thay vì cầu một amp có thể là khoản tiền chi tiêu hợp lý.

THIẾT KẾ THỰC TẾ

Bây giờ chúng ta có thể đưa các quy tắc và nguyên tắc này vào sử dụng và bắt đầu thiết kế một nguồn cung cấp điện cơ bản. Chúng tôi sẽ sử dụng máy biến áp 25.2 volt làm cốt lõi của thiết kế. Hình 6 có thể được xem là tổng hợp của các hình trước nhưng có thêm các giá trị phần thực tế. Đèn hoa tiêu thứ hai trong đèn phụ cho biết trạng thái của nó. Nó cũng cho biết nếu có điện tích trên tụ điện. Với giá trị lớn như vậy, đây là một yếu tố quan trọng cần lưu ý về độ an toàn. (Lưu ý rằng vì đây là tín hiệu DC nên không cần diode điện áp ngược 1N4004.)

HÌNH 6. Thiết kế cuối cùng của bộ nguồn với các thông số kỹ thuật của các bộ phận thực tế. Quy định quyền lực sẽ được thảo luận trong bài viết tiếp theo.

---

Có thể rẻ hơn nếu sử dụng song song hai tụ điện nhỏ hơn một tụ điện lớn. Điện áp làm việc cho tụ điện ít nhất phải là 63 vôn; 50 volt là không đủ biên cho đỉnh 40 volt. Một đơn vị 50 vôn chỉ cung cấp lợi nhuận 25%. Điều này có thể ổn đối với một ứng dụng không quan trọng, nhưng nếu tụ điện bị lỗi ở đây, kết quả có thể rất thảm khốc. Tụ điện 63 volt cung cấp biên độ khoảng 60% trong khi thiết bị 100 volt cung cấp biên độ 150%. Đối với bộ nguồn, quy tắc chung là biên độ từ 50% đến 100% đối với bộ chỉnh lưu và tụ điện. (Độ gợn sóng phải là khoảng hai vôn, như được hiển thị.)

Bộ chỉnh lưu cầu phải có khả năng xử lý mức tăng dòng điện ban đầu cao, vì vậy chi thêm một hoặc hai đồng để cải thiện độ tin cậy là điều đáng giá. Lưu ý rằng cầu được chỉ định bởi những gì máy biến áp có thể cung cấp chứ không phải là nguồn cung cấp cuối cùng được chỉ định. Điều này được thực hiện trong trường hợp thiếu đầu ra. Trong trường hợp như vậy, toàn bộ dòng điện của máy biến áp sẽ được đi qua các điốt. Hãy nhớ rằng, một sự cố nguồn điện là một điều tồi tệ. Vì vậy, hãy thiết kế nó thật mạnh mẽ.

KẾT LUẬN

Các chi tiết là một yếu tố quan trọng cần xem xét trong việc thiết kế một bộ nguồn. Ghi nhận sự khác biệt giữa điện áp RMS và điện áp đỉnh là rất quan trọng trong việc xác định điện áp làm việc thích hợp cho nguồn cung cấp. Ngoài ra, dòng điện tăng ban đầu là thứ không thể bỏ qua.

Trong Phần 2, chúng tôi sẽ hoàn thành dự án này bằng cách thêm một bộ điều chỉnh ba đầu cuối. Chúng tôi sẽ thiết kế một nguồn điện có mục đích chung, giới hạn dòng điện, có thể điều chỉnh được với chức năng tắt từ xa. Ngoài ra, các nguyên tắc được sử dụng cho thiết kế này có thể được áp dụng cho bất kỳ thiết kế cung cấp điện nào. 

Để lại lời nhắn 

Danh sách tin nhắn