PROGETTAZIONE DI ALIMENTAZIONE ANALOGICA DI BASE

C'è un vecchio detto: "Puoi dare un pesce a un uomo e lui mangerà per un giorno oppure puoi insegnare a un uomo a pescare e mangerà per sempre". Ci sono molti articoli che danno al lettore un progetto specifico per la costruzione di un alimentatore, e non c'è niente di sbagliato in questi progetti di libri di cucina. Spesso hanno prestazioni molto buone. Tuttavia, non insegnano ai lettori come progettare un alimentatore da soli. Questo articolo in due parti partirà dall'inizio e spiegherà tutti i passaggi necessari per costruire un alimentatore analogico di base. Il progetto si concentrerà sull'onnipresente regolatore a tre terminali e includerà una serie di miglioramenti al progetto di base.

È sempre importante ricordare che l'alimentatore, sia per un prodotto particolare che come apparecchiatura di prova generale, ha il potenziale di fulminare l'utente, accendere un incendio o distruggere il dispositivo che sta alimentando. Ovviamente, queste non sono cose buone. Per questo motivo, è fondamentale avvicinarsi a questo progetto in modo conservativo. Fornire un ampio margine per i componenti. Un alimentatore ben progettato è quello che non viene mai notato.

CONVERSIONE DELLA POTENZA IN INGRESSO

La Figura 1 mostra il progetto fondamentale per un tipico alimentatore analogico. Si compone di tre componenti principali: conversione e condizionamento della potenza in ingresso; rettifica e filtraggio; e regolamento. La conversione della potenza in ingresso è in genere un trasformatore di potenza ed è l'unico metodo considerato qui. Tuttavia, ci sono un paio di punti che è importante menzionare.

FIGURA 1. Un alimentatore analogico di base è composto da tre parti. I primi due sono discussi in questo articolo e l'ultimo nella prossima puntata.

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Il primo è che 117 VAC (Volts Alternating Current) è in realtà una misura RMS (Root Mean Square). (Nota che ho visto la normale alimentazione domestica specificata ovunque da 110 V CA a 125 V CA. Ho appena misurato la mia e ho scoperto che era esattamente 120.0 V CA.) Una misurazione RMS di un'onda sinusoidale è molto inferiore alla tensione di picco effettiva e rappresenta la tensione CC equivalente (corrente continua) necessaria per fornire la stessa potenza.

la conversione RMS varia in base alla forma d'onda; per un'onda sinusoidale, il valore è 1.414. Ciò significa che la deviazione intorno a zero volt è in realtà di 169.7 volt (per la mia alimentazione a 120 V CA). La potenza va da -169.7 volt a +169.7 volt ogni ciclo. Pertanto, la tensione picco-picco è in realtà di 339.4 volt!

Questa tensione diventa particolarmente importante quando si aggiungono condensatori di bypass alle linee elettriche principali per sopprimere l'ingresso o l'uscita del rumore dall'alimentatore (una situazione comune). Se ritieni che la tensione effettiva sia di 120 volt, puoi utilizzare condensatori da 150 volt. Come puoi vedere, questo non è corretto. La tensione di lavoro minima in assoluto per i tuoi condensatori è di 200 volt (250 volt è meglio). Non dimenticare che se ti aspetti di vedere rumore/picchi sulla linea, devi aggiungere quella tensione di rumore/picco alla tensione di picco.

La frequenza di ingresso è universalmente 60 Hz negli Stati Uniti. In Europa, 50 Hz è comune. I trasformatori classificati per 60 Hz generalmente funzionano bene a 50 Hz e viceversa. Inoltre, la stabilità in frequenza della linea elettrica è generalmente eccellente e raramente viene presa in considerazione. Occasionalmente, potresti trovare trasformatori a 400 Hz disponibili. Si tratta di dispositivi tipicamente militari o aeronautici e generalmente non sono adatti all'uso con alimentazione a 50/60 Hz (o viceversa).

Anche l'uscita del trasformatore è specificata come tensione efficace. Inoltre, la tensione specificata è la tensione minima prevista a pieno carico. Spesso c'è un aumento di circa il 10% della potenza nominale a vuoto. (Il mio trasformatore da 25.2 volt/due amp misura 28.6 volt senza carico.) Ciò significa che la tensione di uscita effettiva a vuoto/picco per il mio trasformatore da 25.2 volt è di 40.4 volt! Come puoi vedere, è sempre importante ricordare che le tensioni RMS nominali per l'alimentazione CA sono sostanzialmente inferiori alle tensioni di picco effettive.

La Figura 2 fornisce un tipico progetto di conversione e condizionamento della potenza in ingresso. Preferisco utilizzare un interruttore bipolare anche se non è assolutamente necessario. Protegge da prese elettriche collegate in modo errato (cosa rara oggi) o cavi di alimentazione collegati in modo errato nell'alimentatore stesso (molto più comune). È fondamentale che quando l'interruttore di alimentazione è spento, il cavo caldo sia scollegato dall'alimentazione.

FIGURA 2. Il condizionamento dell'ingresso è piuttosto semplice, ma va ricordato che la tensione RMS non è la stessa della tensione di picco. La tensione di picco di 120 VAC RMS è di circa 170 volt.

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Il fusibile (o interruttore) è necessario. Il suo scopo principale è prevenire gli incendi perché senza di esso, un trasformatore o un cortocircuito nel circuito primario consentirà il flusso di correnti massicce che fanno diventare le parti metalliche rosse o addirittura bianche. Di solito è un tipo a lento effetto valutato a 250 volt. La corrente nominale dovrebbe essere circa il doppio di quella che il trasformatore può aspettarsi di assorbire.

Ad esempio, il trasformatore da 25.2 volt a due ampere menzionato sopra assorbirà circa 0.42 ampere di corrente primaria (25.2 volt/120 volt x due ampere). Quindi, un fusibile da un amp è ragionevole. Un fusibile nel secondario sarà discusso nel prossimo articolo.

I condensatori di bypass aiutano a filtrare il rumore e sono opzionali. Poiché la tensione di picco è di circa 170 volt, una valutazione di 250 volt è migliore di una valutazione marginale di 200 volt. Potresti voler utilizzare un "filtro di alimentazione". Ci sono molti tipi di queste unità. Alcuni contengono un connettore di alimentazione standard, un interruttore, un portafusibili e un filtro in un piccolo pacchetto. Altri potrebbero avere solo alcuni di questi componenti. In genere, quelli con tutto sono abbastanza costosi, ma le unità in eccedenza di solito si trovano a prezzi molto ragionevoli.

Essere in grado di determinare se il circuito primario è alimentato è importante, quindi viene utilizzata una spia. Sono mostrati due circuiti tipici. La lampada al neon è stata utilizzata per decenni. È semplice ed economico. Ha lo svantaggio di essere alquanto fragile (essendo di vetro); può sfarfallare se il resistore è troppo grande; e può effettivamente generare del rumore elettrico (a causa dell'improvvisa rottura ionica del gas neon).

Il circuito LED richiede anche un resistore limitatore di corrente. A 10,000 hms vengono forniti circa 12 mA di corrente. La maggior parte dei LED sono classificati per una corrente massima di 20 mA, quindi 12 mA sono ragionevoli. (I LED ad alta efficienza possono funzionare in modo soddisfacente con solo 1 o 2 mA, quindi il resistore può essere aumentato secondo necessità.)

Si noti che i LED hanno tensioni di rottura inversa davvero scarse (in genere da 10 a 20 volt). Per questo motivo è necessario un secondo diodo. Questo deve essere in grado di funzionare con almeno 170 volt di PIV (Peak Inverse Voltage). Lo standard 1N4003 è valutato a 200 PIV che non fornisce molto margine. L'1N4004 è valutato a 400 PIV e costa forse un centesimo in più. Posizionandolo in serie con il LED, il PIV complessivo è 400 più il PIV del LED.

RETTIFICA E FILTRAGGIO

Le figure 3, 4 e 5 mostrano i circuiti di rettifica più tipici con la forma d'onda di uscita visualizzata sopra. (Il condensatore del filtro non viene mostrato perché aggiungendolo, la forma d'onda cambia in qualcosa di simile a una tensione CC.) È utile esaminare questi tre circuiti di base per identificarne i punti di forza e di debolezza.

La figura 3 mostra il raddrizzatore a semionda di base. L'unica caratteristica salvifica di questo è che è molto semplice, utilizzando un solo raddrizzatore. La caratteristica negativa è che utilizza solo la metà del ciclo di alimentazione rendendo l'efficienza teorica del circuito inferiore al 50% solo per l'avvio. Spesso, gli alimentatori dei raddrizzatori a semionda sono efficienti solo del 30%. Poiché i trasformatori sono oggetti costosi, questa inefficienza è molto costosa. In secondo luogo, la forma dell'onda è molto difficile da filtrare. La metà delle volte non c'è alimentazione proveniente dal trasformatore. Il livellamento dell'uscita richiede valori di capacità molto elevati. È usato raramente per un alimentatore analogico.

FIGURA 3. Il circuito raddrizzatore a semionda è semplice ma produce una forma d'onda di uscita scadente che è molto difficile da filtrare. Inoltre, metà della potenza del trasformatore viene sprecata. (Si noti che i condensatori di filtraggio sono omessi per chiarezza perché cambiano la forma d'onda.)

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Una cosa interessante e importante accade quando un condensatore di filtro viene aggiunto a un circuito raddrizzatore a semionda. Il differenziale di tensione a vuoto raddoppia. Questo perché il condensatore immagazzina energia dalla prima metà (parte positiva) del ciclo. Quando si verifica la seconda metà, il condensatore mantiene la tensione di picco positiva e la tensione di picco negativa viene applicata all'altro terminale causando la visualizzazione di una tensione picco-picco completa dal condensatore e, attraverso questo, dal diodo. Pertanto, per un trasformatore da 25.2 volt sopra, la tensione di picco effettiva vista da questi componenti può essere superiore a 80 volt!

La figura 4 (circuito superiore) è un esempio di un tipico circuito raddrizzatore a onda intera/presa centrale. Quando viene utilizzato, nella maggior parte dei casi, probabilmente non dovrebbe esserlo. Fornisce un bel risultato che è completamente rettificato. Questo rende il filtraggio relativamente facile. Utilizza solo due raddrizzatori, quindi è piuttosto economico. Tuttavia, non è più efficiente del circuito a semionda presentato sopra.

FIGURA 4. Il design a onda intera (in alto) produce un buon output. Ridisegnando il circuito (in basso), si può vedere che in realtà sono solo due raddrizzatori a semionda collegati tra loro. Anche in questo caso, metà della potenza del trasformatore viene sprecata.

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Questo può essere visto ridisegnando il circuito con due trasformatori (Figura 4 in basso). Quando questo è fatto, diventa chiaro che l'onda intera è in realtà solo due circuiti a semionda collegati insieme. La metà di ogni ciclo di alimentazione del trasformatore non viene utilizzata. Pertanto, l'efficienza teorica massima è del 50% con efficienze reali intorno al 30%.

Il PIV del circuito è metà del circuito a semionda perché la tensione di ingresso ai diodi è metà dell'uscita del trasformatore. La presa centrale fornisce metà della tensione alle due estremità degli avvolgimenti del trasformatore. Quindi, per l'esempio del trasformatore da 25.2 volt, il PIV è di 35.6 volt più l'aumento a vuoto che è circa il 10% in più.

La figura 5 presenta il circuito raddrizzatore a ponte che generalmente dovrebbe essere la prima scelta. L'output è completamente rettificato, quindi il filtraggio è abbastanza semplice. Ancora più importante, tuttavia, utilizza entrambe le metà del ciclo di alimentazione. Questo è il design più efficiente e ottiene il massimo dal costoso trasformatore. L'aggiunta di due diodi è molto meno costosa rispetto al raddoppio della potenza nominale del trasformatore (misurata in "Volt-Amp" o VA).

FIGURA 5. L'approccio del raddrizzatore a ponte (in alto) fornisce il pieno utilizzo della potenza del trasformatore e con una rettifica a onda intera. Inoltre, modificando il riferimento di massa (in basso), è possibile ottenere un'alimentazione a doppia tensione.

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L'unico inconveniente di questo progetto è che l'alimentazione deve passare attraverso due diodi con una caduta di tensione risultante di 1.4 volt invece di 0.7 volt per gli altri modelli. In genere, questo è solo un problema per gli alimentatori a bassa tensione in cui gli 0.7 volt aggiuntivi rappresentano una frazione sostanziale dell'uscita. (In questi casi, viene solitamente utilizzato un alimentatore a commutazione anziché uno dei circuiti precedenti.)

Poiché per ogni semiciclo vengono utilizzati due diodi, ciascuno vede solo metà della tensione del trasformatore. Ciò rende il PIV uguale alla tensione di ingresso di picco o 1.414 volte la tensione del trasformatore, che è la stessa del circuito a onda intera sopra.

Una caratteristica molto interessante del raddrizzatore a ponte è che il riferimento di terra può essere modificato per creare una tensione di uscita positiva e negativa. Questo è mostrato nella parte inferiore della Figura 5.

FILTRO

Quasi tutto il filtraggio per un alimentatore analogico proviene da un condensatore di filtro. È possibile utilizzare un induttore in serie con l'uscita, ma a 60 Hz, questi induttori devono essere abbastanza grandi e sono costosi. Occasionalmente, vengono utilizzati per alimentatori ad alta tensione in cui i condensatori adatti sono costosi.

La formula per calcolare il condensatore del filtro (C) è abbastanza semplice, ma è necessario conoscere la tensione di ondulazione picco-picco accettabile (V), il tempo di semiciclo (T) e la corrente assorbita (I). La formula è C=I*T/V, dove C è in microfarad, I è in milliampere, T è in millisecondi e V è in volt. Il tempo di semiciclo per 60 Hz è di 8.3 millisecondi (riferimento: Manuale del radioamatore del 1997).

È chiaro dalla formula che i requisiti di filtraggio sono aumentati per gli alimentatori ad alta corrente e/o a bassa ondulazione, ma questo è solo buon senso. Un esempio facile da ricordare è che 3,000 microfarad per ampere di corrente forniranno circa tre volt di ondulazione. Puoi utilizzare vari rapporti da questo esempio per fornire stime ragionevoli di ciò di cui hai bisogno abbastanza rapidamente.

Una considerazione importante è l'aumento di corrente all'accensione. I condensatori di filtro agiscono come cortocircuiti fino a quando non vengono caricati. Più grandi sono i condensatori, maggiore sarà questo picco. Più grande è il trasformatore, maggiore sarà la sovratensione. Per la maggior parte degli alimentatori analogici a bassa tensione (<50 volt), la resistenza dell'avvolgimento del trasformatore aiuta in qualche modo. Il trasformatore da 25.2 volt/due ampere ha una resistenza secondaria misurata di 0.6 ohm. Ciò limita lo spunto massimo a 42 ampere. Inoltre, l'induttanza del trasformatore lo riduce leggermente. Tuttavia, c'è ancora un grande potenziale aumento di corrente all'accensione.

La buona notizia è che i moderni raddrizzatori al silicio hanno spesso enormi capacità di sovracorrente. La famiglia di diodi standard 1N400x è solitamente specificata con 30 ampere di sovracorrente. Con un circuito a ponte, ci sono due diodi che lo trasportano, quindi il caso peggiore è di 21 ampere ciascuno, che è inferiore alla specifica di 30 ampere (supponendo che la condivisione della corrente sia uguale, il che non è sempre il caso). Questo è un esempio estremo. In genere viene utilizzato un fattore di circa 10, invece di 21.

Tuttavia, questa ondata di corrente non è qualcosa da ignorare. Spendere qualche centesimo in più per usare un bridge da tre ampere invece di un bridge da un amp può essere denaro ben speso.

DESIGN PRATICO

Ora possiamo mettere in pratica queste regole e principi e iniziare a progettare un alimentatore di base. Useremo il trasformatore da 25.2 volt come fulcro del progetto. La figura 6 può essere vista come un composto delle figure precedenti ma con l'aggiunta di valori pratici delle parti. Una seconda spia nel secondario ne indica lo stato. Mostra anche se c'è una carica sul condensatore. Con un valore così grande, questa è una considerazione importante per la sicurezza. (Si noti che poiché si tratta di un segnale CC, il diodo a tensione inversa 1N4004 non è necessario.)

FIGURA 6. Progetto definitivo dell'alimentatore con specifiche pratiche delle parti. La regolamentazione del potere è discussa nel prossimo articolo.

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Potrebbe essere più economico utilizzare due condensatori più piccoli in parallelo rispetto a uno grande. La tensione di lavoro per il condensatore deve essere di almeno 63 volt; 50 volt non sono un margine sufficiente per il picco di 40 volt. Un'unità da 50 volt fornisce solo il 25% di margine. Questo può andare bene per un'applicazione non critica, ma se il condensatore si guasta qui, i risultati possono essere catastrofici. Un condensatore da 63 volt fornisce un margine di circa il 60% mentre un dispositivo da 100 volt fornisce un margine del 150%. Per gli alimentatori, una regola generale è compresa tra il 50% e il 100% di margine per i raddrizzatori e i condensatori. (L'ondulazione dovrebbe essere di circa due volt, come mostrato.)

Il raddrizzatore a ponte deve essere in grado di gestire l'elevata sovratensione iniziale, quindi vale la pena spendere un centesimo o due in più per una maggiore affidabilità. Si noti che il ponte è specificato da ciò che il trasformatore può fornire piuttosto che da ciò per cui è eventualmente specificato l'alimentatore. Questo viene fatto nel caso in cui ci sia un cortocircuito in uscita. In tal caso, l'intera corrente del trasformatore verrà fatta passare attraverso i diodi. Ricorda, un guasto all'alimentazione è una brutta cosa. Quindi, progettalo per essere robusto.

CONCLUSIONE

I dettagli sono una considerazione importante nella progettazione di un alimentatore. Notare la differenza tra la tensione RMS e la tensione di picco è fondamentale per determinare le corrette tensioni di lavoro per l'alimentazione. Inoltre, la corrente di picco iniziale è qualcosa che non può essere ignorato.

Nella parte 2 completeremo questo progetto aggiungendo un regolatore a tre terminali. Progetteremo un alimentatore a voltaggio regolabile, limitato in corrente e per uso generico con spegnimento remoto. Inoltre, i principi utilizzati per questo progetto possono essere applicati a qualsiasi progetto di alimentazione. 

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