تصميم أساسي لتوريد الطاقة

هناك قول مأثور: "يمكنك إعطاء رجل سمكة وسيأكل ليوم واحد أو يمكنك تعليم الرجل الصيد وسيأكل إلى الأبد". هناك العديد من المقالات التي تمنح القارئ تصميمًا محددًا لبناء مصدر طاقة ، ولا حرج في تصميمات كتب الطبخ هذه. غالبًا ما يكون لديهم أداء جيد جدًا. ومع ذلك ، فهم لا يعلمون القراء كيفية تصميم مصدر طاقة بأنفسهم. ستبدأ هذه المقالة المكونة من جزأين من البداية وتشرح كل خطوة ضرورية لبناء مصدر طاقة تناظري أساسي. سيركز التصميم على المنظم ثلاثي الأطراف المنتشر في كل مكان ويتضمن عددًا من التحسينات على التصميم الأساسي.

من المهم دائمًا أن تتذكر أن مزود الطاقة - سواء لمنتج معين أو كقطعة عامة من معدات الاختبار - لديه القدرة على صعق المستخدم أو إشعال حريق أو تدمير الجهاز الذي يعمل عليه. من الواضح أن هذه ليست أشياء جيدة. لهذا السبب ، من الأهمية بمكان التعامل مع هذا التصميم بحذر. توفير الكثير من الهامش للمكونات. مصدر الطاقة المصمم جيدًا هو الذي لم يتم ملاحظته أبدًا.

تحويل طاقة الإدخال

يوضح الشكل 1 التصميم الأساسي لمصدر طاقة تناظري نموذجي. يتكون من ثلاثة مكونات رئيسية: تحويل طاقة الإدخال وتكييفها ؛ التصحيح والتصفية. والتنظيم. عادةً ما يكون تحويل طاقة الإدخال عبارة عن محول طاقة وهو الطريقة الوحيدة التي يتم النظر فيها هنا. ومع ذلك ، هناك نقطتان من المهم ذكرهما.

الشكل 1. يتكون مصدر الطاقة التناظري الأساسي من ثلاثة أجزاء. تمت مناقشة الأولين في هذه المقالة والأخيرة في الدفعة التالية.

---

الأول هو أن 117 فولت تيار متردد (فولت تيار متردد) هو حقًا قياس RMS (مربع متوسط ​​الجذر). (لاحظ أنني رأيت طاقة منزلية عادية محددة في أي مكان من 110 فولت تيار متردد إلى 125 فولت تيار متردد. لقد قمت للتو بقياس المنجم ووجدت أنها بالضبط 120.0 فولت تيار متردد.) قياس RMS لموجة جيبية أقل بكثير من ذروة الجهد الفعلي ويمثل الجهد المكافئ DC (التيار المباشر) اللازم لتوفير نفس الطاقة.

يختلف تحويل RMS وفقًا لشكل الموجة ؛ بالنسبة لموجة جيبية ، تكون القيمة 1.414. هذا يعني أن الانحراف حول صفر فولت هو في الواقع 169.7 فولت (لقوة 120 فولت تيار متردد). تنتقل الطاقة من -169.7 فولت إلى +169.7 فولت في كل دورة. لذلك ، فإن الجهد من الذروة إلى الذروة هو في الواقع 339.4 فولت!

يصبح هذا الجهد مهمًا بشكل خاص عند إضافة مكثفات الالتفافية إلى خطوط الطاقة الرئيسية لمنع الضوضاء من دخول أو مغادرة مصدر الطاقة (حالة شائعة). إذا كنت تعتقد أن الجهد الفعلي هو 120 فولت ، فيمكنك استخدام مكثفات 150 فولت. كما ترى ، هذا ليس صحيحًا. الحد الأدنى المطلق لجهد العمل الآمن لمكثفاتك هو 200 فولت (250 فولت أفضل). لا تنس أنه إذا كنت تتوقع رؤية ضوضاء / ارتفاعات على الخط ، فأنت بحاجة إلى إضافة جهد الضوضاء / الارتفاع إلى ذروة الجهد.

تردد الإدخال عالميًا هو 60 هرتز في الولايات المتحدة الأمريكية. في أوروبا ، 50 هرتز شائعة. المحولات المصنفة لـ 60 هرتز ستعمل بشكل جيد بشكل عام عند 50 هرتز والعكس صحيح. بالإضافة إلى ذلك ، عادةً ما يكون ثبات التردد لخط الطاقة ممتازًا ونادرًا ما يكون في الاعتبار. من حين لآخر ، قد تجد محولات 400 هرتز متاحة. هذه هي في العادة أجهزة عسكرية أو جوية وغير مناسبة بشكل عام للاستخدام على طاقة 50/60 هرتز (أو العكس).

يتم تحديد خرج المحول أيضًا كجهد RMS. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الجهد المحدد هو الحد الأدنى من الجهد المتوقع تحت الحمل الكامل. غالبًا ما يكون هناك زيادة بنسبة 10٪ تقريبًا في الإنتاج المقدر بدون تحميل. (المحول 25.2 فولت / 28.6 أمبير يقيس 25.2 فولت بدون حمل.) هذا يعني أن جهد الخرج الفعلي لعدم التحميل / الذروة لمحول 40.4 فولت الخاص بي هو XNUMX فولت! كما ترى ، من المهم دائمًا أن تتذكر أن الفولتية المقدرة RMS لطاقة التيار المتردد أقل بكثير من الفولتية القصوى الفعلية.

يوفر الشكل 2 تحويل طاقة الإدخال النموذجي وتصميم تكييف. أفضل استخدام مفتاح ثنائي القطب بالرغم من أنه ليس ضروريًا تمامًا. إنه يحمي من المنافذ الكهربائية التي يتم توصيلها بطريقة غير صحيحة (وهو أمر نادر اليوم) أو الأسلاك التي يتم توصيلها بطريقة غير صحيحة في مصدر الطاقة نفسه (أكثر شيوعًا). من الأهمية بمكان أنه عند إيقاف تشغيل مفتاح الطاقة ، يتم فصل السلك الساخن عن مصدر الطاقة.

شكل 2. تكييف المدخلات أساسي جدًا ، ولكن يجب أن نتذكر أن جهد RMS ليس هو نفس جهد الذروة. تبلغ ذروة الجهد 120 VAC RMS حوالي 170 فولت.

---

المصهر (أو قاطع الدائرة) ضروري. والغرض الرئيسي منه هو منع الحرائق لأنه بدونه ، فإن المحول أو الدائرة القصيرة ستسمح بتدفق التيارات الهائلة مما يتسبب في أن تصبح الأجزاء المعدنية حمراء أو بيضاء ساخنة. عادة ما يكون نوع ضربة بطيئة تبلغ 250 فولت. يجب أن يكون التصنيف الحالي حول ضعف ما يمكن أن يتوقعه المحول.

على سبيل المثال ، سوف يرسم المحول 25.2 فولت ثنائي الأمبير المذكور أعلاه حوالي 0.42 أمبير من التيار الأولي (25.2 فولت / 120 فولت × XNUMX أمبير). إذن ، فتيل واحد أمبير معقول. ستتم مناقشة فتيل في الثانوية في المقالة التالية.

تساعد المكثفات الجانبية على تصفية الضوضاء وهي اختيارية. نظرًا لأن ذروة الجهد تبلغ حوالي 170 فولت ، فإن تصنيف 250 فولت أفضل من التصنيف الهامشي 200 فولت. قد ترغب في استخدام "مرشح إدخال الطاقة". هناك أنواع عديدة من هذه الوحدات. يحتوي بعضها على موصل طاقة قياسي ومفتاح وحامل فيوز وفلتر في عبوة صغيرة واحدة. قد يكون لدى البعض الآخر بعض هذه المكونات فقط. عادةً ما تكون الوحدات التي تحتوي على كل شيء باهظة الثمن إلى حد ما ، ولكن يمكن العثور على الوحدات الفائضة عادةً بأسعار معقولة جدًا.

تعد القدرة على تحديد ما إذا كانت الدائرة الأولية تعمل بالطاقة أمرًا مهمًا لذلك يتم استخدام مصباح تجريبي. يتم عرض دائرتين نموذجيتين. تم استخدام مصباح النيون منذ عقود. إنه بسيط وغير مكلف. لها عيوب أنها هشة نوعًا ما (مصنوعة من الزجاج) ؛ يمكن أن تومض إذا كان المقاوم كبير جدًا ؛ ويمكن أن تولد بالفعل بعض الضوضاء الكهربائية (بسبب الانهيار الأيوني المفاجئ لغاز النيون).

تتطلب دائرة LED أيضًا مقاومًا محددًا للتيار. عند 10,000 hms ، يتم توفير حوالي 12 مللي أمبير من التيار. تم تصنيف معظم مصابيح LED بحد أقصى 20 مللي أمبير ، لذا فإن 12 مللي أمبير معقولة. (قد تعمل مصابيح LED عالية الكفاءة بشكل مُرضٍ مع 1 أو 2 مللي أمبير فقط ، لذلك يمكن زيادة المقاوم حسب الحاجة.)

لاحظ أن مصابيح LED لها جهد انهيار عكسي ضعيف (عادةً من 10 إلى 20 فولت). لهذا السبب ، فإن الصمام الثنائي الثاني ضروري. يجب أن يكون هذا قادرًا على العمل مع ما لا يقل عن 170 فولت من PIV (ذروة الجهد العكسي). تم تصنيف معيار 1N4003 عند 200 PIV والذي لا يوفر الكثير من الهامش. تم تصنيف 1N4004 على 400 PIV وربما تكلف أكثر من بنس واحد. من خلال وضعه في سلسلة مع LED ، يكون PIV الإجمالي هو 400 بالإضافة إلى LED PIV.

التصحيح والتصفية

توضح الأشكال 3 و 4 و 5 دوائر التصحيح الأكثر شيوعًا مع شكل الموجة الناتج المعروض أعلاه. (لم يتم عرض مكثف المرشح لأنه من خلال إضافته ، يتغير شكل الموجة إلى شيء مثل جهد التيار المستمر.) من المفيد فحص هذه الدوائر الأساسية الثلاثة لتحديد نقاط القوة والضعف فيها.

يوضح الشكل 3 المعدل الأساسي نصف الموجي. السمة الوحيدة لاسترداد هذا هو أنه بسيط للغاية ، باستخدام مقوم واحد فقط. الميزة السيئة هي أنها تستخدم نصف دورة الطاقة فقط مما يجعل الكفاءة النظرية للدائرة أقل من 50٪ فقط لتبدأ. في كثير من الأحيان ، تكون مزودات طاقة المعدل نصف الموجي فعالة بنسبة 30 ٪ فقط. نظرًا لأن المحولات عناصر باهظة الثمن ، فإن عدم الكفاءة هذا مكلف للغاية. ثانيًا ، من الصعب جدًا تصفية شكل الموجة. نصف الوقت لا توجد طاقة على الإطلاق قادمة من المحول. يتطلب تجانس الناتج قيمًا عالية جدًا من السعة. نادرًا ما يتم استخدامه كمصدر طاقة تناظري.

شكل 3. دائرة مقوم نصف الموجة بسيطة ولكنها تنتج شكل موجة إخراج رديء يصعب ترشيحها. بالإضافة إلى ذلك ، يتم إهدار نصف طاقة المحولات. (لاحظ أنه تم حذف مكثفات الترشيح من أجل الوضوح لأنها تغير شكل الموجة.)

---

يحدث شيء مثير للاهتمام ومهم عندما يضاف مكثف مرشح إلى دائرة مقوم نصف موجة. يتضاعف فرق جهد عدم التحميل. وذلك لأن المكثف يخزن الطاقة من النصف الأول (الجزء الموجب) من الدورة. عندما يحدث النصف الثاني ، يحتفظ المكثف بجهد الذروة الموجب ويتم تطبيق جهد الذروة السالب على الطرف الآخر مما يؤدي إلى رؤية جهد كامل من الذروة إلى الذروة بواسطة المكثف ومن خلال ذلك ، الصمام الثنائي. وبالتالي ، بالنسبة لمحول 25.2 فولت أعلاه ، يمكن أن يكون جهد الذروة الفعلي الذي تراه هذه المكونات أكثر من 80 فولت!

الشكل 4 (الدائرة العلوية) هو مثال على دائرة مقوم نموذجية للموجة الكاملة / المركزية. عندما يتم استخدام هذا ، في معظم الحالات ، من المحتمل ألا يكون كذلك. إنه يوفر إخراجًا لطيفًا تم تصحيحه بالكامل. هذا يجعل التصفية سهلة نسبيًا. إنها تستخدم مقومين فقط ، لذا فهي غير مكلفة للغاية. ومع ذلك ، فهي ليست أكثر كفاءة من دائرة نصف الموجة المعروضة أعلاه.

الشكل 4. تصميم الموجة الكاملة (أعلى) ينتج ناتجًا رائعًا. من خلال إعادة رسم الدائرة (أسفل) ، يمكن ملاحظة أنه في الحقيقة مجرد مقومان نصف موجة متصلان ببعضهما البعض. مرة أخرى ، يتم إهدار نصف طاقة المحولات.

---

يمكن ملاحظة ذلك من خلال إعادة رسم الدائرة باستخدام محولين (الشكل 4 أسفل). عندما يتم ذلك ، يصبح من الواضح أن الموجة الكاملة هي في الحقيقة مجرد دائرتين نصف موجة متصلتين ببعضهما البعض. لا يتم استخدام نصف دورة طاقة المحولات. وبالتالي ، فإن أقصى كفاءة نظرية هي 50٪ مع كفاءات حقيقية حوالي 30٪.

إن PIV للدائرة هو نصف دائرة نصف الموجة لأن جهد الدخل إلى الثنائيات هو نصف ناتج المحول. يوفر الصنبور المركزي نصف الجهد إلى طرفي لفائف المحولات. لذلك ، بالنسبة لمثال محول 25.2 فولت ، يكون PIV هو 35.6 فولت بالإضافة إلى زيادة عدم التحميل والتي تزيد عن 10٪.

يعرض الشكل 5 دائرة مقوم الجسر والتي يجب أن تكون الخيار الأول بشكل عام. تم تصحيح الإخراج بالكامل بحيث تكون التصفية سهلة إلى حد ما. الأهم من ذلك ، أنه يستخدم كلا نصفي دورة الطاقة. هذا هو التصميم الأكثر كفاءة ويحقق أقصى استفادة من المحولات باهظة الثمن. تعد إضافة اثنين من الثنائيات أقل تكلفة بكثير من مضاعفة معدل طاقة المحول (يقاس بـ "Volt-Amps" أو VA).

الشكل 5. نهج مقوم الجسر (أعلى) يوفر الاستخدام الكامل لقدرة المحول مع تصحيح الموجة الكاملة. بالإضافة إلى ذلك ، من خلال تغيير المرجع الأرضي (أسفل) ، يمكن الحصول على مصدر طاقة مزدوج الجهد.

---

العيب الوحيد لهذا التصميم هو أن الطاقة يجب أن تمر عبر صمامين ثنائيين مع انخفاض الجهد الناتج بمقدار 1.4 فولت بدلاً من 0.7 فولت للتصميمات الأخرى. بشكل عام ، يعد هذا مصدر قلق فقط لإمدادات الطاقة ذات الجهد المنخفض حيث تمثل 0.7 فولت الإضافية جزءًا كبيرًا من الإخراج. (في مثل هذه الحالات ، عادةً ما يتم استخدام مصدر طاقة التبديل بدلاً من أي من الدوائر المذكورة أعلاه.)

نظرًا لوجود اثنين من الثنائيات المستخدمة لكل نصف دورة ، لا يرى كل منهما سوى نصف جهد المحول. هذا يجعل PIV مساويًا لجهد دخل الذروة أو 1.414 ضعف جهد المحول ، وهو نفس دائرة الموجة الكاملة أعلاه.

من الميزات الرائعة لمعدل الجسر أنه يمكن تغيير المرجع الأرضي لإنشاء جهد خرج موجب وسالب. يظهر هذا في الجزء السفلي من الشكل 5.

التصفية

تأتي جميع عمليات التصفية تقريبًا لمصدر طاقة تناظري من مكثف مرشح. من الممكن استخدام محث في سلسلة مع الخرج ، ولكن عند 60 هرتز ، يجب أن تكون هذه المحرِّضات كبيرة جدًا ومكلفة. من حين لآخر ، يتم استخدامها لإمدادات الطاقة عالية الجهد حيث تكون المكثفات المناسبة باهظة الثمن.

إن معادلة حساب مكثف المرشح (C) بسيطة للغاية ، لكنك تحتاج إلى معرفة جهد التموج المقبول من الذروة إلى الذروة (V) ، ووقت نصف الدورة (T) ، والتيار المسحوب (I). الصيغة هي C = I * T / V ، حيث C بالميكروفاراد ، وأنا بالملي أمبير ، و T بالميلي ثانية ، و V بالفولت. وقت نصف الدورة لـ 60 هرتز هو 8.3 مللي ثانية (المرجع: 1997 دليل هواة الراديو).

يتضح من الصيغة أن متطلبات التصفية تزداد لإمدادات الطاقة ذات التيار العالي و / أو التموج المنخفض ، ولكن هذا مجرد منطق سليم. مثال سهل التذكر هو أن 3,000 ميكروفاراد لكل أمبير من التيار ستوفر حوالي ثلاثة فولت من التموج. يمكنك عمل نسب مختلفة من هذا المثال لتقديم تقديرات معقولة لما تحتاجه بسرعة إلى حد ما.

أحد الاعتبارات المهمة هو زيادة التيار عند التشغيل. تعمل مكثفات المرشح بمثابة شورتات ميتة حتى يتم شحنها. كلما زادت المكثفات ، زادت هذه الزيادة. كلما زاد حجم المحول ، زاد الارتفاع المفاجئ في التيار. بالنسبة لمعظم مصادر الطاقة التناظرية ذات الجهد المنخفض (<50 فولت) ، تساعد مقاومة لف المحولات إلى حد ما. يحتوي المحول 25.2 فولت / 0.6 أمبير على مقاومة ثانوية مقاسة 42 أوم. هذا يحد من الحد الأقصى للتدفق إلى XNUMX أمبير. بالإضافة إلى ذلك ، فإن محاثة المحولات تقلل هذا إلى حد ما. ومع ذلك ، لا يزال هناك ارتفاع كبير محتمل في التيار عند التشغيل.

النبأ السار هو أن مقومات السيليكون الحديثة غالبًا ما تتمتع بقدرات تيار هائل. عادةً ما يتم تحديد عائلة الثنائيات القياسية 1N400x بـ 30 أمبير من التيار الزائد. مع دارة الجسر ، هناك نوعان من الصمامات الثنائية التي تحمل هذا ، لذا فإن الحالة الأسوأ هي 21 أمبير لكل منها أقل من مواصفات 30 أمبير (بافتراض مشاركة تيار متساوية ، وهذا ليس هو الحال دائمًا). هذا مثال متطرف. بشكل عام ، يتم استخدام عامل من حوالي 10 ، بدلاً من 21.

ومع ذلك ، فإن هذه الزيادة الحالية لا يمكن تجاهلها. قد يكون إنفاق بضعة سنتات إضافية لاستخدام جسر بثلاثة أمبير بدلاً من جسر أحادي الأمبير أموالاً يتم إنفاقها بشكل جيد.

التصميم العملي

يمكننا الآن استخدام هذه القواعد والمبادئ والبدء في تصميم مصدر طاقة أساسي. سنستخدم محول 25.2 فولت كأساس للتصميم. يمكن النظر إلى الشكل 6 على أنه مركب من الأرقام السابقة ولكن مع إضافة قيم جزء عملية. ضوء إرشادي ثان في الثانوية يشير إلى حالته. يوضح أيضًا ما إذا كانت هناك شحنة على المكثف. مع هذه القيمة الكبيرة ، يعد هذا أحد اعتبارات السلامة المهمة. (لاحظ أنه نظرًا لأن هذه إشارة تيار مستمر ، فلا حاجة إلى الصمام الثنائي للجهد العكسي 1N4004.)

الشكل 6. التصميم النهائي لمصدر الطاقة بمواصفات الأجزاء العملية. تتم مناقشة تنظيم السلطة في المقالة التالية.

---

قد يكون من الأرخص استخدام مكثفين أصغر بالتوازي مع مكثف واحد كبير. يجب أن يكون جهد العمل للمكثف 63 فولت على الأقل ؛ 50 فولت ليس هامشًا كافيًا لذروة 40 فولت. توفر وحدة 50 فولت هامشًا بنسبة 25 ٪ فقط. قد يكون هذا جيدًا بالنسبة للتطبيق غير الحرج ، ولكن إذا فشل المكثف هنا ، فقد تكون النتائج كارثية. يوفر المكثف بجهد 63 فولت هامشًا بنسبة 60٪ تقريبًا بينما يوفر الجهاز بجهد 100 فولت هامشًا بنسبة 150٪. بالنسبة لمصادر الطاقة ، فإن القاعدة العامة هي هامش بين 50٪ و 100٪ للمعدلات والمكثفات. (يجب أن يكون التموج حوالي XNUMX فولت ، كما هو موضح.)

يجب أن يكون مقوم الجسر قادرًا على التعامل مع الارتفاع الحالي الأولي المرتفع ، لذا فإن إنفاق سنت إضافي أو اثنين لتحسين الموثوقية أمر يستحق العناء. لاحظ أن الجسر محدد بما يمكن للمحول توفيره بدلاً من ما تم تحديد مصدر الطاقة له في النهاية. يتم ذلك في حالة وجود ناتج قصير. في مثل هذه الحالة ، سيتم تمرير التيار الكامل للمحول عبر الثنائيات. تذكر أن انقطاع التيار الكهربائي أمر سيء. لذا ، صممها لتكون قوية.

الخلاصة

تعتبر التفاصيل اعتبارًا مهمًا في تصميم مصدر طاقة. إن ملاحظة الفرق بين جهد RMS وذروة الجهد أمر بالغ الأهمية في تحديد جهد العمل المناسب للإمداد. بالإضافة إلى ذلك ، فإن التيار الكهربائي الأولي هو شيء لا يمكن تجاهله.

في الجزء 2 ، سنكمل هذا المشروع بإضافة منظم ثلاثي الأطراف. سنقوم بتصميم مصدر طاقة بجهد كهربائي للأغراض العامة ومحدود حاليًا وقابل للتعديل مع إيقاف التشغيل عن بُعد. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تطبيق المبادئ المستخدمة لهذا التصميم على أي تصميم لإمداد الطاقة. 

اترك رسالة 

قائمة الرسالة