DISSENY D'ALIMENTACIÓ ANALÒGICA BÀSICA

Hi ha la vella dita: "Pots donar un peix a un home i ell menjarà durant un dia o pots ensenyar a un home a pescar i menjarà per sempre". Hi ha molts articles que donen al lector un disseny específic per construir una font d'alimentació, i no hi ha res dolent amb aquests dissenys de llibres de cuina. Sovint tenen molt bon rendiment. Tanmateix, no ensenyen als lectors com dissenyar una font d'alimentació per ells mateixos. Aquest article de dues parts començarà des del principi i explicarà tots els passos necessaris per construir una font d'alimentació analògica bàsica. El disseny se centrarà en l'omnipresent regulador de tres terminals i inclourà una sèrie de millores al disseny bàsic.

Sempre és important recordar que la font d'alimentació, ja sigui per a un producte en particular o com a peça general de l'equip de prova, té el potencial d'electrocutar l'usuari, iniciar un incendi o destruir el dispositiu que està alimentant. Evidentment, aquestes no són coses bones. Per aquest motiu, és fonamental abordar aquest disseny de manera conservadora. Proporcioneu molt marge per als components. Una font d'alimentació ben dissenyada és aquella que mai es nota.

CONVERSIÓ DE POTÈNCIA D'ENTRADA

La figura 1 mostra el disseny fonamental d'una font d'alimentació analògica típica. Consta de tres components principals: conversió i condicionament de la potència d'entrada; rectificació i filtrat; i regulació. La conversió de potència d'entrada sol ser un transformador de potència i és l'únic mètode considerat aquí. Tanmateix, hi ha un parell de punts que és important esmentar.

FIGURA 1. Una font d'alimentació analògica bàsica consta de tres parts. Els dos primers es comenten en aquest article i l'últim a la següent entrega.

---

El primer és que 117 VAC (Volts Alternating Current) és realment una mesura RMS (Root Mean Square). (Tingueu en compte que he vist especificada una potència domèstica normal entre 110 VAC i 125 VAC. Acabo de mesurar la meva i he trobat que era precisament 120.0 VAC.) Una mesura RMS d'una ona sinusoïdal és molt inferior a la tensió màxima real i representa la tensió DC (corrent continua) equivalent necessària per proporcionar la mateixa potència.

La conversió RMS varia segons la forma de l'ona; per a una ona sinusoïdal, el valor és 1.414. Això vol dir que la desviació al voltant de zero volts és en realitat de 169.7 volts (per a la meva potència de 120 VAC). La potència va de -169.7 volts a +169.7 volts cada cicle. Per tant, la tensió de pic a pic és en realitat 339.4 volts!

Aquesta tensió esdevé especialment important quan s'afegeixen condensadors de bypass a les línies elèctriques principals per suprimir el soroll que entri o surti de la font d'alimentació (una situació habitual). Si creieu que la tensió real és de 120 volts, podeu utilitzar condensadors de 150 volts. Com podeu veure, això no és correcte. La tensió de treball segura mínima absoluta per als vostres condensadors és de 200 volts (250 volts és millor). No oblideu que si espereu veure soroll/punts a la línia, haureu d'afegir aquesta tensió de soroll/punt a la tensió màxima.

La freqüència d'entrada és universalment de 60 Hz als EUA. A Europa, els 50 Hz són habituals. Els transformadors classificats per a 60 Hz generalment funcionaran bé a 50 Hz i viceversa. A més, l'estabilitat de freqüència de la línia elèctrica sol ser excel·lent i rarament es té en compte. De tant en tant, podeu trobar transformadors de 400 Hz disponibles. Normalment són dispositius militars o aeronàutics i, en general, no són adequats per utilitzar-los amb una potència de 50/60 Hz (o viceversa).

La sortida del transformador també s'especifica com a tensió RMS. A més, la tensió especificada és la tensió mínima esperada a plena càrrega. Sovint hi ha un augment al voltant del 10% en la sortida nominal sense càrrega. (El meu transformador de 25.2 volts/dos amperes mesura 28.6 volts sense càrrega.) Això vol dir que la tensió de sortida real sense càrrega/pic del meu transformador de 25.2 volts és de 40.4 volts! Com podeu veure, sempre és important recordar que les tensions RMS nominals per a l'alimentació de CA són substancialment inferiors a les tensions màximes reals.

La figura 2 proporciona un disseny típic de conversió i condicionament de potència d'entrada. Prefereixo utilitzar un interruptor de doble pol encara que no és absolutament necessari. Protegeix contra preses elèctriques mal cablejades (cosa poc freqüent avui en dia) o cables d'alimentació mal cablejats a la pròpia font d'alimentació (molt més habitual). És vital que quan l'interruptor d'alimentació estigui apagat, el cable calent es desconnecti de la font d'alimentació.

FIGURA 2. El condicionament d'entrada és força bàsic, però cal recordar que la tensió RMS no és la mateixa que la tensió màxima. La tensió màxima de 120 VAC RMS és d'uns 170 volts.

---

El fusible (o disjuntor) és necessari. El seu principal objectiu és prevenir incendis perquè sense ell, un transformador o un curtcircuit del circuit primari permetrà que flueixin corrents massives fent que les peces metàl·liques s'escalfin en vermell o fins i tot en blanc. Normalment és un tipus de bufat lent amb 250 volts. La valoració actual hauria de ser aproximadament el doble del que el transformador pot esperar extreure.

Per exemple, el transformador de dos amperes de 25.2 volts esmentat anteriorment consumirà uns 0.42 amperes de corrent primari (25.2 volts/120 volts x dos amperes). Per tant, un fusible d'un amper és raonable. Un fusible a la secundària es parlarà al proper article.

Els condensadors de bypass ajuden a filtrar el soroll i són opcionals. Com que la tensió màxima és d'uns 170 volts, una classificació de 250 volts és millor que una qualificació marginal de 200 volts. És possible que vulgueu utilitzar un "filtre d'entrada d'energia". Hi ha molts tipus d'aquestes unitats. Alguns contenen un connector d'alimentació estàndard, un interruptor, un portafusibles i un filtre en un paquet petit. Altres poden tenir només alguns d'aquests components. Normalment, els que tenen tot són força cars, però normalment es poden trobar unitats excedents a preus molt raonables.

Ser capaç de determinar si el circuit primari està alimentat és important, de manera que s'utilitza una llum pilot. Es mostren dos circuits típics. El llum de neó s'ha utilitzat durant dècades. És senzill i econòmic. Té els inconvenients que és una mica fràgil (al ser de vidre); pot parpellejar si la resistència és massa gran; i realment pot generar una mica de soroll elèctric (a causa de la ruptura iònica sobtada del gas de neó).

El circuit LED també requereix una resistència limitadora de corrent. A 10,000 hms, es proporcionen uns 12 mA de corrent. La majoria dels LED estan classificats per a un corrent màxim de 20 mA, de manera que 12 mA és raonable. (Els LED d'alta eficiència poden funcionar satisfactòriament amb només 1 o 2 mA, de manera que la resistència es pot augmentar segons sigui necessari.)

Tingueu en compte que els LED tenen tensions de ruptura inversa molt pobres (normalment de 10 a 20 volts). Per aquest motiu, és necessari un segon díode. Aquest ha de poder funcionar amb almenys 170 volts de PIV (tensió inversa màxima). L'estàndard 1N4003 té una classificació de 200 PIV, cosa que no ofereix gaire marge. L'1N4004 té una valoració de 400 PIV i costa potser un cèntim més. En col·locar-lo en sèrie amb el LED, el PIV global és de 400 més el PIV del LED.

RECTIFICACIÓ I FILTRATGE

Les figures 3, 4 i 5 mostren els circuits de rectificació més típics amb la forma d'ona de sortida que es mostra a dalt. (El condensador del filtre no es mostra perquè, afegint-lo, la forma d'ona canvia a una cosa semblant a una tensió de CC.) És útil examinar aquests tres circuits bàsics per identificar-ne els punts forts i febles.

La figura 3 mostra el rectificador bàsic de mitja ona. L'única característica redemptora d'això és que és molt senzill, utilitzant només un rectificador. La característica dolenta és que només utilitza la meitat del cicle d'alimentació, fent que l'eficiència teòrica del circuit sigui inferior al 50% només per començar. Sovint, les fonts d'alimentació del rectificador de mitja ona són només un 30% d'eficiència. Com que els transformadors són articles cars, aquesta ineficiència és molt costosa. En segon lloc, la forma d'ona és molt difícil de filtrar. La meitat del temps no hi ha energia en absolut provinent del transformador. Suavitzar la sortida requereix valors molt alts de capacitat. Poques vegades s'utilitza per a una font d'alimentació analògica.

FIGURA 3. El circuit rectificador de mitja ona és senzill però produeix una forma d'ona de sortida deficient que és molt difícil de filtrar. A més, es malgasta la meitat de la potència del transformador. (Tingueu en compte que els condensadors de filtratge s'ometen per a més claredat perquè canvien la forma d'ona.)

---

Una cosa interessant i important passa quan s'afegeix un condensador de filtre a un circuit rectificador de mitja ona. El diferencial de tensió sense càrrega es duplica. Això es deu al fet que el condensador emmagatzema energia de la primera meitat (part positiva) del cicle. Quan es produeix la segona meitat, el condensador manté la tensió màxima positiva i la tensió màxima negativa s'aplica a l'altre terminal fent que el condensador vegi una tensió de pic a pic completa i, a través d'això, el díode. Així, per a un transformador de 25.2 volts superior, la tensió màxima real que veuen aquests components pot ser superior a 80 volts!

La figura 4 (circuit superior) és un exemple d'un circuit rectificador típic d'ona completa/aixeta central. Quan s'utilitza això, en la majoria dels casos, probablement no hauria de ser-ho. Proporciona una sortida agradable que es rectifica completament. Això fa que el filtratge sigui relativament fàcil. Utilitza només dos rectificadors, de manera que és bastant barat. Tanmateix, no és més eficient que el circuit de mitja ona presentat anteriorment.

FIGURA 4. El disseny d'ona completa (superior) produeix una sortida agradable. Redibuixant el circuit (a sota), es pot veure que en realitat només són dos rectificadors de mitja ona connectats entre si. De nou, es malgasta la meitat de la potència del transformador.

---

Això es pot veure tornant a dibuixar el circuit amb dos transformadors (figura 4 inferior). Quan això es fa, queda clar que l'ona completa són realment només dos circuits de mitja ona connectats entre si. La meitat de cada cicle d'alimentació del transformador no s'utilitza. Així, l'eficiència teòrica màxima és del 50% amb eficiències reals al voltant del 30%.

El PIV del circuit és la meitat del circuit de mitja ona perquè la tensió d'entrada als díodes és la meitat de la sortida del transformador. L'aixeta central proporciona la meitat de la tensió als dos extrems dels bobinatges del transformador. Per tant, per a l'exemple del transformador de 25.2 volts, el PIV és de 35.6 volts més l'augment sense càrrega, que és aproximadament un 10% més.

La figura 5 presenta el circuit rectificador del pont que, en general, hauria de ser la primera opció. La sortida es rectifica completament, de manera que el filtratge és bastant fàcil. El més important, però, és que utilitza les dues meitats del cicle d'alimentació. Aquest és el disseny més eficient i treu el màxim profit del car transformador. Afegir dos díodes és molt menys costós que duplicar la potència nominal del transformador (mesurada en "Volt-Amps" o VA).

FIGURA 5. L'enfocament del pont rectificador (a dalt) proporciona un ús total de la potència del transformador i amb una rectificació d'ona completa. A més, canviant la referència de terra (inferior), es pot obtenir una font d'alimentació de doble voltatge.

---

L'únic inconvenient d'aquest disseny és que l'energia ha de passar per dos díodes amb una caiguda de tensió resultant d'1.4 volts en lloc de 0.7 volts per als altres dissenys. En general, això només és una preocupació per a fonts d'alimentació de baixa tensió on els 0.7 volts addicionals representen una fracció substancial de la sortida. (En aquests casos, normalment s'utilitza una font d'alimentació de commutació en lloc de qualsevol dels circuits anteriors.)

Com que s'utilitzen dos díodes per a cada mig cicle, cadascun només veu la meitat de la tensió del transformador. Això fa que el PIV sigui igual a la tensió d'entrada màxima o 1.414 vegades la tensió del transformador, que és la mateixa que el circuit d'ona completa anterior.

Una característica molt agradable del pont rectificador és que la referència de terra es pot canviar per crear una tensió de sortida positiva i negativa. Això es mostra a la part inferior de la figura 5.

Filtratge

Gairebé tot el filtratge d'una font d'alimentació analògica prové d'un condensador de filtre. És possible utilitzar un inductor en sèrie amb la sortida, però a 60 Hz, aquests inductors han de ser bastant grans i són cars. De vegades, s'utilitzen per a fonts d'alimentació d'alta tensió on els condensadors adequats són cars.

La fórmula per calcular el condensador del filtre (C) és bastant simple, però cal conèixer la tensió d'ondulació de pic a pic acceptable (V), el temps de mig cicle (T) i el corrent absorbit (I). La fórmula és C=I*T/V, on C està en microfarads, I en mil·liamperis, T en mil·lisegons i V en volts. El temps de mig cicle per a 60 Hz és de 8.3 mil·lisegons (referència: 1997 Radio Amateur's Handbook).

De la fórmula queda clar que els requisits de filtratge s'incrementen per a fonts d'alimentació d'alta intensitat i/o baixa ondulació, però això és només sentit comú. Un exemple fàcil de recordar és que 3,000 microfarads per ampere de corrent proporcionaran uns tres volts de ondulació. Podeu treballar diverses proporcions a partir d'aquest exemple per proporcionar estimacions raonables del que necessiteu amb força rapidesa.

Una consideració important és l'augment de corrent a l'encesa. Els condensadors del filtre actuen com a curtcircuits morts fins que es carreguen. Com més grans siguin els condensadors, més gran serà aquesta pujada. Com més gran sigui el transformador, més gran serà la sobretensió. Per a la majoria de fonts d'alimentació analògiques de baixa tensió (<50 volts), la resistència del bobinat del transformador ajuda una mica. El transformador de 25.2 volts/dos amperes té una resistència secundària mesurada de 0.6 ohms. Això limita l'entrada màxima a 42 amperes. A més, la inductància del transformador la redueix una mica. No obstant això, encara hi ha una gran pujada de corrent potencial a l'encesa.

La bona notícia és que els rectificadors de silici moderns sovint tenen grans capacitats de corrent de sobretensió. La família estàndard de díodes 1N400x s'especifica normalment amb 30 amperes de corrent de sobretensió. Amb un circuit de pont, hi ha dos díodes que el porten, de manera que el pitjor dels casos és de 21 amperes cadascun, que està per sota de l'especificació de 30 amperes (suposant que el corrent compartit és igual, que no sempre és així). Aquest és un exemple extrem. En general, s'utilitza un factor d'aproximadament 10, en lloc de 21.

No obstant això, aquest augment actual no és una cosa a ignorar. Gastar uns quants cèntims més per utilitzar un pont de tres amperes en comptes d'un pont d'un amplificador pot ser diners ben gastats.

DISSENY PRÀCTIC

Ara podem utilitzar aquestes regles i principis i començar a dissenyar una font d'alimentació bàsica. Utilitzarem el transformador de 25.2 volts com a nucli del disseny. La figura 6 es pot veure com una composició de les figures anteriors, però amb valors de part pràctica afegits. Un segon llum pilot a la secundària indica el seu estat. També mostra si hi ha càrrega al condensador. Amb un valor tan gran, aquesta és una consideració de seguretat important. (Tingueu en compte que com que es tracta d'un senyal de corrent continu, el díode de tensió inversa 1N4004 no és necessari.)

FIGURA 6. Disseny final de la font d'alimentació amb especificacions pràctiques de peces. La regulació del poder es parla al següent article.

---

Pot ser més barat utilitzar dos condensadors més petits en paral·lel que un de gran. La tensió de treball del condensador ha de ser com a mínim de 63 volts; 50 volts no és suficient marge per al pic de 40 volts. Una unitat de 50 volts ofereix només un marge del 25%. Això pot estar bé per a una aplicació no crítica, però si el condensador falla aquí, els resultats poden ser catastròfics. Un condensador de 63 volts proporciona un marge aproximadament del 60%, mentre que un dispositiu de 100 volts ofereix un marge del 150%. Per a fonts d'alimentació, una regla general és entre el 50% i el 100% de marge per als rectificadors i condensadors. (La ondulació hauria de ser d'uns dos volts, com es mostra.)

El pont rectificador ha de ser capaç d'afrontar l'elevada pujada de corrent inicial, de manera que val la pena gastar un o dos cèntims addicionals per millorar la fiabilitat. Tingueu en compte que el pont s'especifica pel que pot subministrar el transformador i no pel que finalment s'especifica la font d'alimentació. Això es fa en cas que hi hagi un curt de sortida. En aquest cas, el corrent total del transformador passarà pels díodes. Recordeu que una fallada de la font d'alimentació és una cosa dolenta. Per tant, dissenyeu-lo perquè sigui robust.

CONCLUSIÓ

Els detalls són una consideració important a l'hora de dissenyar una font d'alimentació. Observar la diferència entre la tensió RMS i la tensió màxima és fonamental per determinar les tensions de treball adequades per al subministrament. A més, el corrent de sobretensió inicial és una cosa que no es pot ignorar.

A la part 2, completarem aquest projecte afegint un regulador de tres terminals. Dissenyarem una font d'alimentació de voltatge ajustable de propòsit general, limitada per corrent i apagada remota. A més, els principis utilitzats per a aquest disseny es poden aplicar a qualsevol disseny de font d'alimentació. 

Deixa un missatge 

Llista de missatges