יש את הפתגם הישן: "אתה יכול לתת לאדם דג והוא יאכל ליום או שאתה יכול ללמד אדם לדוג והוא יאכל לנצח." ישנם מאמרים רבים שנותנים לקורא עיצוב ספציפי לבניית ספק כוח, ואין שום דבר רע בעיצובי ספרי הבישול הללו. לעתים קרובות יש להם ביצועים טובים מאוד. עם זאת, הם לא מלמדים את הקוראים כיצד לתכנן ספק כוח בעצמם. מאמר זה בן שני חלקים יתחיל מההתחלה ויסביר כל שלב הדרוש לבניית ספק כוח אנלוגי בסיסי. העיצוב יתמקד בווסת שלושה טרמינלים הנמצא בכל מקום ויכלול מספר שיפורים לעיצוב הבסיסי.

תמיד חשוב לזכור שלספק הכוח - בין אם למוצר מסוים או כחלק כללי של ציוד בדיקה - יש פוטנציאל לחשמל את המשתמש, להצית שריפה או להרוס את המכשיר שהוא מפעיל. ברור שאלו לא דברים טובים. מסיבה זו, חיוני לגשת לעיצוב זה באופן שמרני. ספק מרווח רב לרכיבים. ספק כוח מתוכנן היטב הוא כזה שלעולם לא שמים לב אליו.

המרת כוח קלט

איור 1 מציג את העיצוב הבסיסי עבור ספק כוח אנלוגי טיפוסי. הוא מורכב משלושה מרכיבים עיקריים: המרת כוח קלט ומיזוג; תיקון וסינון; ורגולציה. המרת הספק המבוא היא בדרך כלל שנאי כוח והיא השיטה היחידה שנחשבת כאן. עם זאת, יש כמה נקודות שחשוב להזכיר.

איור 1. ספק כוח אנלוגי בסיסי מורכב משלושה חלקים. שני הראשונים נדונים במאמר זה והאחרון בפרק הבא.

הראשון הוא ש-117 VAC (Volts Alternating Current) היא באמת מדידת RMS (Root Mean Square). (שים לב שראיתי הספק ביתי רגיל שצוין בכל מקום מ-110 VAC עד 125 VAC. זה עתה מדדתי את שלי ומצאתי שהוא בדיוק 120.0 VAC.) מדידת RMS של גל סינוס נמוכה בהרבה ממתח השיא בפועל ומייצגת מתח DC (Direct Current) המקביל הדרוש כדי לספק את אותו הספק.

המרת RMS משתנה בהתאם לצורת הגל; עבור גל סינוס, הערך הוא 1.414. זה אומר שהסטייה סביב אפס וולט היא למעשה 169.7 וולט (עבור הספק 120 VAC שלי). ההספק עובר מ-169.7 וולט ל-+169.7 וולט בכל מחזור. לכן, מתח שיא לשיא הוא למעשה 339.4 וולט!

מתח זה הופך להיות חשוב במיוחד כאשר מוסיפים קבלים עוקפים לקווי החשמל הראשיים כדי לדכא רעש מכניסה או יציאה מהספק (מצב שכיח). אם אתה חושב שהמתח האמיתי הוא 120 וולט, אתה יכול להשתמש בקבלים של 150 וולט. כפי שאתה יכול לראות, זה לא נכון. מתח העבודה המינימלי הבטוח המוחלט עבור הקבלים שלך הוא 200 וולט (250 וולט עדיף). אל תשכח שאם אתה מצפה לראות רעש/קוצים על הקו, אתה צריך להוסיף את מתח הרעש/שפיץ לשיא המתח.

תדר הכניסה הוא אוניברסלי 60 הרץ בארה"ב. באירופה, 50 הרץ נפוץ. רובוטריקים המדורגים ל-60 הרץ בדרך כלל יפעלו היטב ב-50 הרץ ולהיפך. בנוסף, יציבות התדר של קו המתח היא בדרך כלל מצוינת ולעיתים נדירות מהווה שיקול. לפעמים, אתה עשוי למצוא שנאים של 400 הרץ זמינים. אלו הם בדרך כלל מכשירים צבאיים או אווירונאוטיים ובדרך כלל אינם מתאימים לשימוש בהספק של 50/60 הרץ (או להיפך).

הפלט של השנאי מצוין גם כמתח RMS. בנוסף, המתח שצוין הוא המתח המינימלי הצפוי בעומס מלא. לעתים קרובות יש עלייה של כ-10% בתפוקה המדורגת ללא עומס. (שנאי 25.2 וולט/שני אמפר שלי מודד 28.6 וולט ללא עומס.) זה אומר שמתח היציאה בפועל ללא עומס/שיא עבור שנאי 25.2 וולט שלי הוא 40.4 וולט! כפי שאתה יכול לראות, תמיד חשוב לזכור כי מתחי ה-RMS המדורגים עבור מתח AC נמוכים משמעותית ממתחי השיא בפועל.

איור 2 מספק עיצוב המרת כוח כניסה ומיזוג טיפוסי. אני מעדיף להשתמש במתג דו-קוטבי למרות שזה לא הכרחי. הוא מגן מפני שקעי חשמל שגויים (מה שנדיר היום) או כבלי חשמל שגויים בספק הכוח עצמו (נפוץ הרבה יותר). זה חיוני שכאשר מתג ההפעלה כבוי, הכבל החם מנותק מאספקת החשמל.

איור 2. מיזוג הכניסה הוא די בסיסי, אך יש לזכור שמתח ה-RMS אינו זהה למתח השיא. מתח השיא של 120 VAC RMS הוא כ-170 וולט.

הפתיל (או מפסק החשמל) הכרחי. מטרתו העיקרית היא למנוע שריפות מכיוון שבלעדיו, שנאי או קצר במעגל ראשוני יאפשרו זרימת זרמים מסיביים וגורמים לחלקי מתכת להיות אדומים או אפילו לוהטים לבנים. זה בדרך כלל סוג של מכה איטית עם דירוג של 250 וולט. הדירוג הנוכחי צריך להיות בערך כפול ממה שהשנאי יכול לצפות לצייר.

לדוגמה, שנאי 25.2 וולט שני אמפר שהוזכר לעיל ישאב כ-0.42 אמפר זרם ראשוני (25.2 וולט/120 וולט x שני אמפר). אז, נתיך אחד אמפר הוא סביר. נתיך במשני יידון במאמר הבא.

הקבלים המעקפים עוזרים לסנן רעשים והם אופציונליים. מכיוון שמתח השיא הוא כ-170 וולט, דירוג של 250 וולט עדיף על דירוג שולי של 200 וולט. ייתכן שתרצה להשתמש ב"מסנן כניסת חשמל". ישנם סוגים רבים של יחידות אלה. חלקם מכילים מחבר חשמל סטנדרטי, מתג, מחזיק נתיך ומסנן באריזה קטנה אחת. ייתכן שלאחרים יש רק חלק מהרכיבים הללו. בדרך כלל, אלה עם הכל הם יקרים למדי, אבל ניתן למצוא יחידות עודפות בדרך כלל במחירים סבירים מאוד.

היכולת לקבוע אם המעגל הראשי מופעל חשובה ולכן נעשה שימוש בנור פיילוט. מוצגים שני מעגלים טיפוסיים. מנורת הניאון הייתה בשימוש כבר עשרות שנים. זה פשוט ולא יקר. יש לו את החסרונות שהוא שביר במקצת (בהיותו עשוי מזכוכית); יכול להבהב אם הנגד גדול מדי; ולמעשה יכול ליצור קצת רעש חשמלי (עקב פירוק יוני הפתאומי של גז הניאון).

מעגל LED דורש גם נגד מגביל זרם. ב-10,000 hms, כ-12 mA של זרם מסופק. רוב הנוריות מדורגות לזרם מרבי של 20 mA, כך ש-12 mA הוא סביר. (נוריות LED ביעילות גבוהה עשויות לעבוד בצורה משביעת רצון עם 1 או 2 mA בלבד, כך שניתן להגדיל את הנגד לפי הצורך.)

שים לב שללדים יש מתחי פירוק הפוך ממש גרועים (בדרך כלל 10 עד 20 וולט). מסיבה זו, יש צורך בדיודה שנייה. זה חייב להיות מסוגל לפעול עם לפחות 170 וולט של PIV (Peak Inverse Voltage). ה-1N4003 הסטנדרטי מדורג ב-200 PIV שאינו מספק מרווח רב. ה-1N4004 מדורג ב-400 PIV ועולה אולי אגורה יותר. על ידי הצבתו בסדרה עם LED, ה-PIV הכולל הוא 400 פלוס LED PIV.

תיקון וסינון

איורים 3, 4 ו-5 מציגים את מעגלי התיקון האופייניים ביותר עם צורת גל הפלט המוצגת למעלה. (קבל המסנן אינו מוצג כי על ידי הוספתו, צורת הגל משתנה למשהו כמו מתח DC.) כדאי לבחון את שלושת המעגלים הבסיסיים הללו כדי לזהות את החוזקות והחולשות שלהם.

איור 3 מציג את מיישר חצי הגל הבסיסי. המאפיין הגואל היחיד של זה הוא שזה מאוד פשוט, תוך שימוש רק במיישר בודד. התכונה הרעה היא שהוא משתמש רק במחצית ממחזור החשמל, מה שהופך את היעילות התיאורטית של המעגל לפחות מ-50% רק כדי להתחיל. לעתים קרובות, ספקי כוח מיישרי חצי גל יעילים רק ב-30%. מכיוון ששנאים הם פריטים יקרים, חוסר היעילות הזה הוא יקר מאוד. שנית, קשה מאוד לסנן את צורת הגלים. חצי מהזמן לא מגיע כלל חשמל מהשנאי. החלקת הפלט דורשת ערכים גבוהים מאוד של קיבול. הוא משמש רק לעתים רחוקות עבור ספק כוח אנלוגי.

איור 3. מעגל מיישר חצי גל הוא פשוט אך הוא מייצר צורת גל פלט גרועה שקשה מאוד לסנן. בנוסף, מחצית מכוח השנאי מבוזבז. (שים לב שקבלי הסינון מושמטים לצורך הבהירות מכיוון שהם משנים את צורת הגל.)

דבר מעניין וחשוב קורה כאשר מוסיפים קבל מסנן למעגל מיישר חצי גל. הפרש המתח ללא עומס מוכפל. הסיבה לכך היא שהקבל אוגר אנרגיה מהחצי הראשון (החלק החיובי) של המחזור. כאשר המחצית השנייה מתרחשת, הקבל מחזיק את מתח השיא החיובי ומתח השיא השלילי מופעל על הטרמינל השני, מה שגורם למתח שיא לשיא שייראה על ידי הקבל ודרכו, הדיודה. לפיכך, עבור שנאי של 25.2 וולט מעל, שיא המתח האמיתי שנראה על ידי רכיבים אלה יכול להיות מעל 80 וולט!

איור 4 (מעגל עליון) הוא דוגמה למעגל מיישר אופייני לגל מלא/ברז מרכזי. כאשר משתמשים בזה, ברוב המקרים, זה כנראה לא אמור להיות. זה מספק פלט נחמד שמתוקן במלואו. זה הופך את הסינון לקל יחסית. הוא משתמש רק בשני מיישרים, אז זה די זול. עם זאת, זה לא יעיל יותר ממעגל חצי הגל שהוצג לעיל.

איור 4. עיצוב הגל המלא (עליון) מייצר פלט יפה. על ידי שרטוט מחדש של המעגל (התחתון), ניתן לראות שזה בעצם רק שני מיישרים חצי גל המחוברים זה לזה. שוב, מחצית מכוח השנאי מבוזבז.

ניתן לראות זאת על ידי ציור מחדש של המעגל עם שני שנאים (איור 4 למטה). כשזה נעשה, מתברר שהגל המלא הוא בעצם רק שני מעגלים חצי גל המחוברים זה לזה. מחצית מכל מחזור הספק של שנאי אינו בשימוש. לפיכך, היעילות התיאורטית המקסימלית היא 50% עם יעילות אמיתית סביב 30%.

ה-PIV של המעגל הוא מחצית ממעגל חצי הגל מכיוון שמתח הכניסה לדיודות הוא מחצית מתפוקת השנאי. הברז המרכזי מספק חצי מהמתח לשני הקצוות של פיתולי השנאי. אז, עבור הדוגמה של שנאי 25.2 וולט, ה-PIV הוא 35.6 וולט בתוספת העלייה ללא עומס שהיא בערך 10% יותר.

איור 5 מציג את מעגל מיישר הגשר שבדרך כלל אמור להיות הבחירה הראשונה. הפלט מתוקן לחלוטין כך שהסינון קל למדי. והכי חשוב, עם זאת, הוא משתמש בשני החצאים של מחזור הכוח. זהו העיצוב היעיל ביותר ומפיק את המרב מהשנאי היקר. הוספת שתי דיודות היא הרבה פחות יקרה מהכפלת דירוג הספק השנאי (נמדד ב-"Volt-Amps" או VA).

איור 5. גישת מיישר הגשר (למעלה) מספקת שימוש מלא בכוח השנאי ועם יישור גל מלא. בנוסף, על ידי שינוי הפניה לאדמה (למטה), ניתן להשיג ספק כוח כפול.

החיסרון היחיד בעיצוב זה הוא שהכוח חייב לעבור דרך שתי דיודות עם ירידת מתח של 1.4 וולט במקום 0.7 וולט עבור העיצובים האחרים. בדרך כלל, זה רק דאגה עבור ספקי כוח במתח נמוך כאשר ה-0.7 וולט הנוספים מייצגים חלק ניכר מהפלט. (במקרים כאלה, בדרך כלל נעשה שימוש בספק מיתוג במקום בכל אחד מהמעגלים שלעיל.)

מכיוון שיש שתי דיודות בשימוש עבור כל חצי מחזור, רק מחצית ממתח השנאי נראה על ידי כל אחת מהן. זה הופך את ה-PIV לשווה למתח הכניסה שיא או פי 1.414 ממתח השנאי, שזהה למעגל הגל המלא למעלה.

תכונה נחמדה מאוד של מיישר הגשר היא שניתן לשנות את הפניה לאדמה כדי ליצור מתח מוצא חיובי ושלילי. זה מוצג בחלק התחתון של איור 5.

מעגל	צרכי סינון	גורם PIV	שימוש בשנאי
חצי גל	גדול	2.82	50% (תיאורטי)
גל מלא	קָטָן	1.414	50% (תיאורטי)
גשר	קָטָן	1.414	100% (תיאורטי)

טבלה 1. סיכום המאפיינים של מעגלי המיישרים השונים.

סינון

כמעט כל הסינון עבור ספק כוח אנלוגי מגיע מקבל מסנן. אפשר להשתמש במשרן בסדרה עם הפלט, אבל ב-60 הרץ, המשרן האלה חייבים להיות די גדולים והם יקרים. מדי פעם, הם משמשים עבור ספקי כוח במתח גבוה כאשר קבלים מתאימים הם יקרים.

הנוסחה לחישוב קבל המסנן (C) היא פשוטה למדי, אבל אתה צריך לדעת את מתח האדוות השיא לשיא המקובל (V), זמן חצי מחזור (T) והזרם הנמשך (I). הנוסחה היא C=I*T/V, כאשר C הוא במיקרופארד, I הוא במיליאמפר, T הוא באלפיות שניות, ו-V הוא בוולט. זמן חצי המחזור עבור 60 הרץ הוא 8.3 מילישניות (הפניה: מדריך חובב רדיו משנת 1997).

ברור מהנוסחה שדרישות הסינון מוגברות עבור ספקי כוח עם זרם גבוה ו/או אדוות נמוכות, אבל זה רק הגיון בריא. דוגמה שקל לזכור היא 3,000 מיקרו-פאראד לאמפר זרם יספקו כשלושה וולט של אדווה. אתה יכול לעבוד על יחסים שונים מדוגמה זו כדי לספק הערכות סבירות למה שאתה צריך די מהר.

שיקול חשוב אחד הוא עליית הזרם בעת הדלקה. קבלי המסנן פועלים כמכנסים מתים עד שהם נטענים. ככל שהקבלים גדולים יותר, הנחשול הזה יהיה גדול יותר. ככל שהשנאי גדול יותר, כך הנחשול יהיה גדול יותר. עבור רוב ספקי הכוח האנלוגיים במתח נמוך (<50 וולט), התנגדות פיתול השנאי עוזרת במקצת. לשנאי 25.2 וולט/שני אמפר יש התנגדות משנית מדודה של 0.6 אוהם. זה מגביל את הכניסה המקסימלית ל-42 אמפר. בנוסף, השראות של השנאי מפחיתה זאת במידת מה. עם זאת, עדיין יש עלייה פוטנציאלית גדולה בזרם בעת ההדלקה.

החדשות הטובות הן שלמיישבי סיליקון מודרניים יש לרוב יכולות זרם נחשול ענקיות. משפחת הדיודות הסטנדרטית 1N400x מצוינת בדרך כלל עם זרם נחשול של 30 אמפר. עם מעגל גשר, ישנן שתי דיודות הנושאות את זה, כך שהמקרה הגרוע ביותר הוא 21 אמפר כל אחת שהיא מתחת למפרט 30 אמפר (בהנחה של שיתוף זרם שווה, מה שלא תמיד המקרה). זו דוגמה קיצונית. בדרך כלל, נעשה שימוש בפקטור של כ-10, במקום 21.

עם זאת, הזינוק הנוכחי הזה הוא לא משהו שאפשר להתעלם ממנו. הוצאה של כמה סנטים יותר על שימוש בגשר של שלושה אמפר במקום בגשר של אמפר אחד עשוי להיות כסף שנוצל היטב.

תכנון פרקטי

כעת נוכל ליישם את הכללים והעקרונות הללו ולהתחיל לתכנן ספק כוח בסיסי. אנו נשתמש בשנאי 25.2 וולט בתור הליבה של העיצוב. ניתן לראות באיור 6 כמרכיב של הדמויות הקודמות אך עם ערכי חלק מעשיים נוספים. נורת פיילוט שנייה במשני מצביעה על מצבה. זה גם מראה אם יש טעינה על הקבל. עם ערך כה גדול, זהו שיקול בטיחותי חשוב. (שים לב שמכיוון שזהו אות DC, אין צורך בדיודה של מתח הפוך 1N4004.)

איור 6. עיצוב סופי של ספק הכוח עם מפרטי חלקים מעשיים. וויסות הכוח נדון במאמר הבא.

זה עשוי להיות זול יותר להשתמש בשני קבלים קטנים יותר במקביל מאשר אחד גדול. מתח העבודה עבור הקבל חייב להיות לפחות 63 וולט; 50 וולט אינם מספיקים לשיא של 40 וולט. יחידת 50 וולט מספקת רק 25% מרווח. זה עשוי להיות בסדר עבור יישום לא קריטי, אבל אם הקבל נכשל כאן, התוצאות עלולות להיות קטסטרופליות. קבל 63 וולט מספק מרווח של כ-60% בעוד שמכשיר 100 וולט נותן מרווח של 150%. עבור ספקי כוח, כלל אצבע הוא בין 50% ל-100% מרווח עבור המיישרים והקבלים. (האדווה צריכה להיות בערך שני וולט, כפי שמוצג.)

מיישר הגשר חייב להיות מסוגל להתמודד עם גל הזרם הראשוני הגבוה, כך שכדאי להוציא אגורה או שניים נוספים עבור אמינות משופרת. שים לב שהגשר מצוין לפי מה שהשנאי יכול לספק ולא למה שצוין בסופו של דבר אספקת החשמל. זה נעשה במקרה שיש קצר פלט. במקרה כזה, הזרם המלא של השנאי יועבר דרך הדיודות. זכור, כשל באספקת החשמל הוא דבר רע. אז, תכנן אותו כך שיהיה חזק.

סיכום

פרטים הם שיקול חשוב בתכנון ספק כוח. שים לב להבדל בין מתח RMS למתח שיא הוא קריטי בקביעת מתחי העבודה המתאימים לאספקה. בנוסף, זרם הנחשול הראשוני הוא משהו שאי אפשר להתעלם ממנו.

בחלק 2, נשלים את הפרויקט הזה על ידי הוספת וסת שלושה מסופים. אנו נתכנן ספק כוח למטרות כלליות, מוגבל זרם, מתכוונן עם כיבוי מרחוק. בנוסף, ניתן ליישם את העקרונות המשמשים לתכנון זה על כל עיצוב של ספק כוח.

קודם:מהו מתח חולף?

הבא:מהו מגן ספייק/נחשול ומסנן קו מתח?

השאר הודעה

רשימת הודעות

תגובות Loading ...