DIZAJNI THEMELOR ANALOG I FURNIZIMIT TË ENERGJISË

Është një shprehje e vjetër: "Mund t'i japësh një njeriu një peshk dhe ai do të hajë për një ditë ose mund t'i mësosh një njeriu të peshkojë dhe ai do të hajë përgjithmonë". Ka shumë artikuj që i japin lexuesit një dizajn specifik për ndërtimin e një furnizimi me energji elektrike, dhe nuk ka asgjë të keqe me këto modele librash gatimi. Ata shpesh kanë performancë shumë të mirë. Megjithatë, ata nuk i mësojnë lexuesit se si të dizajnojnë vetë një furnizim me energji elektrike. Ky artikull me dy pjesë do të fillojë nga fillimi dhe do të shpjegojë çdo hap të nevojshëm për të ndërtuar një furnizim bazë analog me energji elektrike. Dizajni do të fokusohet në rregullatorin e kudogjendur me tre terminale dhe do të përfshijë një numër përmirësimesh në modelin bazë.

Është gjithmonë e rëndësishme të mbani mend se furnizimi me energji elektrike - qoftë për një produkt të caktuar ose si një pjesë e përgjithshme e pajisjes testuese - ka potencialin të godasë përdoruesin nga rryma, të ndezë një zjarr ose të shkatërrojë pajisjen që po punon. Natyrisht, këto nuk janë gjëra të mira. Për këtë arsye, është kritike t'i qasemi këtij dizajni në mënyrë konservative. Siguroni shumë diferencë për komponentët. Një furnizim me energji i projektuar mirë është ai që nuk vihet re kurrë.

KONVERTIMI I FUQISË HYRËSE

Figura 1 tregon modelin themelor për një furnizim tipik analog me energji elektrike. Ai përbëhet nga tre komponentë kryesorë: konvertimi dhe kondicionimi i fuqisë hyrëse; korrigjimi dhe filtrimi; dhe rregullore. Konvertimi i fuqisë hyrëse është zakonisht një transformator i fuqisë dhe është e vetmja metodë e konsideruar këtu. Megjithatë, ka disa pika që janë të rëndësishme për t'u përmendur.

FIGURA 1. Një furnizim bazë analog me energji elektrike përbëhet nga tre pjesë. Dy të parat diskutohen në këtë artikull dhe të fundit në këstin e ardhshëm.

---

E para është se 117 VAC (Volts Alternating Current) është me të vërtetë një matje RMS (Root Mean Square). (Vini re se kam parë fuqinë e zakonshme shtëpiake të specifikuar diku nga 110 VAC deri në 125 VAC. Sapo mata timen dhe gjeta se ishte saktësisht 120.0 VAC.) Një matje RMS e një vale sinus është shumë më e ulët se voltazhi aktual i pikut dhe përfaqëson Tensioni ekuivalent DC (Rryma Direkte) i nevojshëm për të siguruar të njëjtën fuqi.

konvertimi i RMS ndryshon sipas formës së valës; për një valë sinus, vlera është 1.414. Kjo do të thotë që devijimi rreth zero volt është në të vërtetë 169.7 volt (për fuqinë time 120 VAC). Fuqia shkon nga -169.7 volt në +169.7 volt çdo cikël. Prandaj, tensioni nga kulmi në majë është në të vërtetë 339.4 volt!

Ky tension bëhet veçanërisht i rëndësishëm kur shtohen kondensatorë anashkalues ​​në linjat kryesore të energjisë për të shtypur zhurmën nga hyrja ose dalja nga furnizimi me energji elektrike (një situatë e zakonshme). Nëse mendoni se voltazhi aktual është 120 volt, mund të përdorni kondensatorë 150 volt. Siç mund ta shihni, kjo nuk është e saktë. Minimumi absolut i tensionit të sigurt të punës për kondensatorët tuaj është 200 volt (250 volt është më i mirë). Mos harroni se nëse prisni të shihni zhurmë/pikime në linjë, duhet ta shtoni atë zhurmë/tension të pikut në tensionin maksimal.

Frekuenca e hyrjes është universalisht 60 Hz në SHBA. Në Evropë, 50 Hz është i zakonshëm. Transformatorët e vlerësuar për 60 Hz në përgjithësi do të performojnë mirë në 50 Hz dhe anasjelltas. Për më tepër, stabiliteti i frekuencës së linjës së energjisë zakonisht është i shkëlqyer dhe rrallë merret parasysh. Herë pas here, mund të gjeni në dispozicion transformatorë 400 Hz. Këto janë zakonisht pajisje ushtarake ose aeronautike dhe në përgjithësi nuk janë të përshtatshme për t'u përdorur në fuqi 50/60 Hz (ose anasjelltas).

Dalja e transformatorit specifikohet gjithashtu si një tension RMS. Për më tepër, voltazhi i specifikuar është tensioni minimal i pritur nën ngarkesë të plotë. Shpesh ka rreth 10% rritje të prodhimit të vlerësuar pa ngarkesë. (Transformatori im 25.2 volt/dy amp mat 28.6 volt pa ngarkesë.) Kjo do të thotë se tensioni aktual i daljes pa ngarkesë/pik për transformatorin tim 25.2 volt është 40.4 volt! Siç mund ta shihni, është gjithmonë e rëndësishme të mbani mend se tensionet e vlerësuara RMS për fuqinë AC janë dukshëm më të vogla se tensionet aktuale të pikut.

Figura 2 ofron një dizajn tipik të konvertimit dhe kondicionimit të fuqisë hyrëse. Unë preferoj të përdor një çelës me dy pol, megjithëse nuk është absolutisht i nevojshëm. Ai mbron nga prizat elektrike të lidhura gabimisht (që është e rrallë sot) ose nga prizat e rrymës së gabuar në vetë furnizimin me energji elektrike (shumë më e zakonshme). Është jetike që kur çelësi i rrymës është i fikur, priza e nxehtë të shkëputet nga furnizimi me energji elektrike.

FIGURA 2. Kushtëzimi i hyrjes është mjaft bazë, por duhet mbajtur mend se voltazhi RMS nuk është i njëjtë me tensionin e pikut. Tensioni maksimal i 120 VAC RMS është rreth 170 volt.

---

Siguresa (ose ndërprerësi) është i nevojshëm. Qëllimi i tij kryesor është të parandalojë zjarret, sepse pa të, një shkurtim i transformatorit ose qarku primar do të lejojë që rrymat masive të rrjedhin duke bërë që pjesët metalike të nxehen me ngjyrë të kuqe apo edhe të bardhë. Zakonisht është një lloj me goditje të ngadaltë i vlerësuar në 250 volt. Vlerësimi aktual duhet të jetë rreth dyfishi i asaj që transformatori mund të presë të tërheqë.

Për shembull, transformatori 25.2 volt me ​​dy amper i përmendur më sipër do të tërheqë rreth 0.42 amps rrymë primare (25.2 volt/120 volt x dy amp). Pra, një siguresë një amp është e arsyeshme. Një siguresë në sekondar do të diskutohet në artikullin vijues.

Kondensatorët e anashkalimit ndihmojnë në filtrimin e zhurmës dhe janë opsionale. Meqenëse tensioni maksimal është rreth 170 volt, një vlerësim 250 volt është më i mirë se një normë margjinale 200 volt. Ju mund të dëshironi të përdorni një "filtër të hyrjes së energjisë". Ka shumë lloje të këtyre njësive. Disa përmbajnë një lidhës standard të energjisë, çelës, mbajtës siguresash dhe filtër në një paketë të vogël. Të tjerët mund të kenë vetëm disa nga këta përbërës. Në mënyrë tipike, ato me gjithçka janë mjaft të shtrenjta, por njësitë e tepërta zakonisht mund të gjenden me çmime shumë të arsyeshme.

Të jesh në gjendje të përcaktosh nëse qarku primar është i fuqizuar është i rëndësishëm kështu që të përdoret një dritë pilot. Tregohen dy qarqe tipike. Llamba neoni është përdorur për dekada. Është e thjeshtë dhe e lirë. Ka të metat se është disi e brishtë (e bërë prej qelqi); mund të dridhet nëse rezistenca është shumë e madhe; dhe në fakt mund të gjenerojë pak zhurmë elektrike (për shkak të prishjes së papritur jonike të gazit neoni).

Qarku LED kërkon gjithashtu një rezistencë kufizuese të rrymës. Në 10,000 hms, sigurohet rreth 12 mA rrymë. Shumica e LED-ve vlerësohen për një rrymë maksimale prej 20 mA, kështu që 12 mA është e arsyeshme. (LED-të me efikasitet të lartë mund të punojnë në mënyrë të kënaqshme vetëm me 1 ose 2 mA, kështu që rezistenca mund të rritet sipas nevojës.)

Vini re se LED-të kanë tensione shumë të dobëta të prishjes së kundërt (zakonisht 10 deri në 20 volt). Për këtë arsye, një diodë e dytë është e nevojshme. Kjo duhet të jetë në gjendje të funksionojë me të paktën 170 volt PIV (Peak Inverse Voltage). Standardi 1N4003 vlerësohet me 200 PIV që nuk ofron shumë diferencë. 1N4004 është vlerësuar me 400 PIV dhe kushton ndoshta një qindarkë më shumë. Duke e vendosur atë në seri me LED, PIV i përgjithshëm është 400 plus LED PIV.

REKTIFIKIMI DHE FILTRIMI

Figura 3, 4 dhe 5 tregojnë qarqet më tipike të korrigjimit me formën e valës së daljes të shfaqur më sipër. (Kondensatori i filtrit nuk shfaqet sepse duke e shtuar atë, forma e valës ndryshon në diçka si një tension DC.) Është e dobishme të shqyrtohen këto tre qarqe bazë për të identifikuar pikat e forta dhe të dobëta të tyre.

Figura 3 tregon ndreqësin bazë gjysmëvalë. E vetmja karakteristikë shpenguese e kësaj është se është shumë e thjeshtë, duke përdorur vetëm një ndreqës të vetëm. Karakteristika e keqe është se ai përdor vetëm gjysmën e ciklit të energjisë duke e bërë efikasitetin teorik të qarkut më pak se 50% vetëm për të nisur. Shpesh, furnizimet me energji elektrike me ndreqës me gjysmë valë janë vetëm 30% efikase. Meqenëse transformatorët janë sende të shtrenjta, ky joefikasitet është shumë i kushtueshëm. Së dyti, forma e valës është shumë e vështirë për t'u filtruar. Gjysma e kohës nuk ka energji fare që vjen nga transformatori. Zbutja e prodhimit kërkon vlera shumë të larta të kapacitetit. Përdoret rrallë për një furnizim analog me energji elektrike.

FIGURA 3. Qarku ndreqës gjysmëvalë është i thjeshtë por prodhon një formë valore dalëse të dobët që është shumë e vështirë për tu filtruar. Për më tepër, gjysma e fuqisë së transformatorit është e humbur. (Vini re se kondensatorët filtrues janë hequr për qartësi sepse ndryshojnë formën e valës.)

---

Një gjë interesante dhe e rëndësishme ndodh kur një kondensator filtri i shtohet një qarku ndreqës gjysmëvalë. Diferenciali i tensionit pa ngarkesë dyfishohet. Kjo ndodh sepse kondensatori ruan energji nga gjysma e parë (pjesa pozitive) e ciklit. Kur ndodh gjysma e dytë, kondensatori mban tensionin e pikut pozitiv dhe tensioni negativ i pikut aplikohet në terminalin tjetër duke bërë që një tension i plotë nga maja në majë të shihet nga kondensatori dhe përmes tij, dioda. Kështu, për një transformator 25.2 volt më lart, tensioni aktual i pikut i parë nga këta përbërës mund të jetë mbi 80 volt!

Figura 4 (qarku i sipërm) është një shembull i një qarku tipik ndreqës me valë të plotë/prek qendror. Kur kjo përdoret, në shumicën e rasteve, ndoshta nuk duhet të jetë. Ofron një dalje të këndshme që korrigjohet plotësisht. Kjo e bën filtrimin relativisht të lehtë. Ai përdor vetëm dy ndreqës, kështu që është mjaft i lirë. Megjithatë, nuk është më efikas se qarku gjysmëvalë i paraqitur më sipër.

FIGURA 4. Dizajni me valë të plotë (lart) prodhon një dalje të këndshme. Duke rivizatuar qarkun (poshtë), mund të shihet se në të vërtetë janë vetëm dy ndreqës gjysmëvalë të lidhur së bashku. Përsëri, gjysma e fuqisë së transformatorit është e humbur.

---

Kjo mund të shihet duke ri-vizatuar qarkun me dy transformatorë (Figura 4 në fund). Kur kjo të bëhet, bëhet e qartë se vala e plotë është në të vërtetë vetëm dy qarqe gjysmëvale të lidhura së bashku. Gjysma e çdo cikli të fuqisë së transformatorit nuk përdoret. Kështu, efikasiteti maksimal teorik është 50% me efikasitet real rreth 30%.

PIV e qarkut është gjysma e qarkut gjysmëvalë, sepse voltazhi i hyrjes në dioda është gjysma e daljes së transformatorit. Rubineti qendror siguron gjysmën e tensionit në dy skajet e mbështjelljes së transformatorit. Pra, për shembullin e transformatorit 25.2 volt, PIV është 35.6 volt plus rritje pa ngarkesë që është rreth 10% më shumë.

Figura 5 paraqet qarkun e ndreqësit të urës i cili në përgjithësi duhet të jetë zgjedhja e parë. Dalja është korrigjuar plotësisht, kështu që filtrimi është mjaft i lehtë. Më e rëndësishmja, megjithatë, ai përdor të dy gjysmat e ciklit të energjisë. Ky është dizajni më efikas dhe përfiton maksimumin nga transformatori i shtrenjtë. Shtimi i dy diodave është shumë më pak i kushtueshëm sesa dyfishimi i fuqisë së transformatorit (e matur në "Volt-Amps" ose VA).

FIGURA 5. Qasja e ndreqësit të urës (lart) siguron përdorimin e plotë të fuqisë së transformatorit dhe me një korrigjim me valë të plotë. Për më tepër, duke ndryshuar referencën e tokës (poshtë), mund të merret një furnizim me energji elektrike me tension të dyfishtë.

---

E vetmja pengesë e këtij dizajni është se fuqia duhet të kalojë përmes dy diodave me një rënie të tensionit prej 1.4 volt në vend të 0.7 volt për modelet e tjera. Në përgjithësi, ky është vetëm një shqetësim për furnizimet me energji të tensionit të ulët ku 0.7 volt shtesë përfaqësojnë një pjesë të konsiderueshme të daljes. (Në raste të tilla, zakonisht përdoret një furnizim me energji komutuese në vend të njërit prej qarqeve të mësipërme.)

Meqenëse përdoren dy dioda për çdo gjysmë cikël, vetëm gjysma e tensionit të transformatorit shihet nga secila. Kjo e bën PIV të barabartë me tensionin e pikut të hyrjes ose 1.414 herë tensionin e transformatorit, i cili është i njëjtë me qarkun me valë të plotë më lart.

Një tipar shumë i bukur i ndreqësit të urës është se referenca e tokës mund të ndryshohet për të krijuar një tension pozitiv dhe negativ në dalje. Kjo tregohet në fund të figurës 5.

Filtrim

Pothuajse i gjithë filtrimi për një furnizim me energji analoge vjen nga një kondensator filtri. Është e mundur të përdoret një induktor në seri me daljen, por në 60 Hz, këta induktorë duhet të jenë mjaft të mëdhenj dhe janë të shtrenjtë. Herë pas here, ato përdoren për furnizime me energji të tensionit të lartë ku kondensatorët e përshtatshëm janë të shtrenjtë.

Formula për llogaritjen e kondensatorit të filtrit (C) është mjaft e thjeshtë, por ju duhet të dini tensionin e pranueshëm të valëzimit nga kulmi në majë (V), kohën e gjysmë ciklit (T) dhe rrymën e tërhequr (I). Formula është C=I*T/V, ku C është në mikrofarad, I është në miliamp, T është në milisekonda dhe V është në volt. Koha e gjysmë ciklit për 60 Hz është 8.3 milisekonda (referenca: Manuali i Radio Amatorit 1997).

Është e qartë nga formula se kërkesat e filtrimit janë rritur për furnizimet me rrymë të lartë dhe/ose me valëzim të ulët, por kjo është thjesht sens i përbashkët. Një shembull i lehtë për t'u mbajtur mend është 3,000 mikrofarad për amper të rrymës që do të sigurojë rreth tre volt valëzim. Ju mund të punoni raporte të ndryshme nga ky shembull për të ofruar vlerësime të arsyeshme të asaj që ju nevojitet mjaft shpejt.

Një konsideratë e rëndësishme është rritja e rrymës gjatë ndezjes. Kondensatorët e filtrit veprojnë si pantallona të shkurtra të ngordhura derisa të ngarkohen. Sa më të mëdhenj të jenë kondensatorët, aq më i madh do të jetë kjo rritje. Sa më i madh të jetë transformatori, aq më i madh do të jetë rritja. Për shumicën e furnizimeve me energji analoge të tensionit të ulët (<50 volt), rezistenca e mbështjelljes së transformatorit ndihmon disi. Transformatori 25.2 volt/dy amper ka një rezistencë dytësore të matur prej 0.6 ohms. Kjo kufizon hyrjen maksimale në 42 amp. Për më tepër, induktiviteti i transformatorit e zvogëlon disi këtë. Megjithatë, ka ende një rritje të madhe potenciale të rrymës në ndezje.

Lajmi i mirë është se ndreqësit modernë të silikonit shpesh kanë aftësi të mëdha të rrymës. Familja standarde e diodave 1N400x zakonisht specifikohet me 30 amps të rrymës së rritjes. Me një qark urë, ekzistojnë dy dioda që e mbartin këtë, kështu që rasti më i keq është 21 amper secila që është nën specifikimin 30 amper (duke supozuar ndarje të barabartë të rrymës, gjë që nuk është gjithmonë rasti). Ky është një shembull ekstrem. Në përgjithësi, përdoret një faktor prej rreth 10, në vend të 21.

Megjithatë, kjo rritje aktuale nuk është diçka për t'u injoruar. Shpenzimi i disa cent më shumë për të përdorur një urë me tre ampera në vend të një ure me një amper mund të jetë para e shpenzuar mirë.

PROJEKTIMI PRAKTIK

Tani mund t'i përdorim këto rregulla dhe parime dhe të fillojmë të dizajnojmë një furnizim bazë me energji elektrike. Ne do të përdorim transformatorin 25.2 volt si thelbin e dizajnit. Figura 6 mund të shihet si një përbërje e figurave të mëparshme, por me vlera praktike të shtuara të pjesës. Një dritë e dytë pilot në sekondar tregon statusin e saj. Gjithashtu tregon nëse ka një ngarkesë në kondensator. Me një vlerë kaq të madhe, kjo është një konsideratë e rëndësishme sigurie. (Vini re se meqenëse ky është një sinjal DC, dioda e tensionit të kundërt 1N4004 nuk është e nevojshme.)

FIGURA 6. Dizajni përfundimtar i furnizimit me energji elektrike me specifikime praktike të pjesëve. Rregullimi i fuqisë diskutohet në artikullin vijues.

---

Mund të jetë më e lirë të përdorni dy kondensatorë më të vegjël paralelisht sesa një i madh. Tensioni i punës për kondensatorin duhet të jetë së paku 63 volt; 50 volt nuk është diferencë e mjaftueshme për pikun 40 volt. Një njësi 50 volt siguron vetëm 25% diferencë. Kjo mund të jetë mirë për një aplikim jo kritik, por nëse kondensatori dështon këtu, rezultatet mund të jenë katastrofike. Një kondensator 63 volt siguron rreth 60% diferencë ndërsa një pajisje 100 volt jep një diferencë 150%. Për furnizimin me energji elektrike, një rregull i përgjithshëm është midis 50% dhe 100% diferencë për ndreqësit dhe kondensatorët. (Grumbullimi duhet të jetë rreth dy volt, siç tregohet.)

Ndreqësi i urës duhet të jetë në gjendje të përballojë rritjen e lartë të rrymës fillestare, kështu që ia vlen të shpenzoni një ose dy monedhë shtesë për besueshmëri të përmirësuar. Vini re se ura është e specifikuar nga ajo që mund të furnizojë transformatori dhe jo nga ajo për të cilën është specifikuar përfundimisht furnizimi me energji elektrike. Kjo bëhet në rast se ka një dalje të shkurtër. Në një rast të tillë, rryma e plotë e transformatorit do të kalojë nëpër dioda. Mos harroni, një dështim i furnizimit me energji elektrike është një gjë e keqe. Pra, dizajnojeni që të jetë i fortë.

PËRFUNDIM

Detajet janë një konsideratë e rëndësishme në hartimin e një furnizimi me energji elektrike. Vëmendja e ndryshimit midis tensionit RMS dhe tensionit të pikut është kritik në përcaktimin e tensioneve të duhura të punës për furnizimin. Për më tepër, rryma fillestare e rritjes është diçka që nuk mund të injorohet.

Në Pjesën 2, ne do ta përfundojmë këtë projekt duke shtuar një rregullator me tre terminale. Ne do të projektojmë një furnizim me energji elektrike me qëllim të përgjithshëm, me rrymë të kufizuar, të rregullueshëm me fikje në distancë. Për më tepër, parimet e përdorura për këtë dizajn mund të zbatohen për çdo dizajn të furnizimit me energji elektrike. 

Lini një mesazh 

Lista mesazh