Линейный блок питания схема: Моделируем и паяем линейный блок питания

Моделируем и паяем линейный блок питания

Любой, кто пытался сделать линейный блок питания, знает, что задача это несколько сложнее, чем преподносится в книжках. Схема-то простая. Но как понять, каковы должны быть номиналы компонентов в ней? Какой ток сможет выдавать БП при использовании заданных компонентов? Сегодня мы сделаем линейный блок питания на 5 В и в процессе попробуем ответить на эти вопросы.

Важно! Электричество — опасная штука. Знайте, что неосторожное обращение с ним может привести к вашей смерти. Не допускается повторять проект, если вы не знакомы с техникой безопасности при работе с 220 В.

Построение модели

Было решено построить модель будущего БП в LTspice. Вот что получилось:

Модель можно скачать здесь. Схема и принцип ее работы описаны во многих источниках, поэтому не будем задерживаться на этом моменте.

Небольшой трансформатор китайского производства под названием «EI-35*15 230V 50Hz 6V 3VA» у меня уже был. Измеренные сопротивление и индуктивность вторичной обмотки составили 3 Ом и 18.84 мГн соответственно, первичной — 1.4 кОм и 17.77 Гн. Эти значения и были использованы в модели. Коэффициент 0.995 взят с потолка. Он отражает потери на трансформаторе и должен быть чуть меньше единицы.

Емкость C1 была подобрана так, чтобы выходное напряжение при потреблении нагрузкой 200 мА держалось в пределах 5-6 В:

Минимальное и RMS значение напряжения:

На диодах D1-D4 при включении БП видим ток до 1.3 А, и после заряда конденсатора C1 — до 0.65 А. Похоже, что можно использовать диоды 1N4001. Они способны выдерживать прямой ток до 1 А, а импульсный ток — аж до 30 А. Но БП планировалось нагружать выше расчетного лимита. Поэтому были использованы диоды 1N5408. Они рассчитаны на прямой ток 3 А и импульсный ток до 200 А.

Также из модели мы узнаем, что ток через R2 может достигать 1.2 А. Поскольку это сопротивление вторичной обмотки трансформатора, то в реальной схеме R2 не будет. Но на его месте будет стоять предохранитель. Значит, предохранитель должен быть где-то на 2 A.

Само собой разумеется, напряжением V(out) как на скриншоте мы ничего питать не можем. Я хотел использовать какой-нибудь линейный стабилизатор с низким падением напряжения (LDO). Но оказалось, что к подходящим для задачи LDO, доступным в локальных магазинах, не так-то просто найти модель для LTspice. Поэтому в модели пришлось обойтись без LDO.

Пайка и тестирование

Блок питания у меня получился таким:

Стенд сделан из оргстекла, склеенного прозрачным эпоксидным клеем. В качестве LDO был использован L4941BV. Он выдает напряжение 5 В и ток до 1 А. Согласно даташиту [PDF], при токе 200 мА падение напряжения составляет лишь 0.15 В. Сам же стабилизатор при этом потребляет около 10 мА. Ожидалось, что в итоге БП сможет выдавать 150-180 мА.

Полная схема (кликабельно):

Блок питания тестировался при помощи 5-ваттных резисторов. Их номиналы уменьшались, то есть, ток увеличивался, до тех пор, пока на осциллографе не появилась рябь (ripple) в 60 мВ:

Произошло это на нагрузке 23 Ом. Соответственно, ток составил 217 мА, а мощность — 1.085 Вт.

Для измерения потребляемой мощности и коэффициента мощности был использован ваттметр МЕГЕОН 71017:

Согласно прибору, на такой нагрузке БП потребляет 2.75 Вт. Эффективность составила:

>>> 1.085/2.75
0.39454545454545453

Мы можем посчитать активную мощность (active power) в LTspice, как среднее от произведения входного тока на входное напряжение. Эта величина уже учитывает коэффициент мощности вместе с любыми искажениями в кривой потребляемого тока. Выходная мощность нам известна, она составляет 5 В умножить на 200 мА, или 1 Вт. Но такие расчеты дают эффективность не более 32%.

Также при использовании директивы .four 50 I(V1) модель выводит коэффициент мощности в SPICE Error Log:

Total Harmonic Distortion: 13.259803% PF=0.441966

Однако прибор показывает PF равный 0.925. В общем, такая упрощенная модель не подходит для оценки эффективности и коэффициента мощности.

Заключение

Сегодня мы многое узнали о линейных блоках питания. А именно — как понять, какие диоды нужно использовать в диодном мосту, на какой ток должен быть предохранитель, какой емкости должен быть конденсатор, а также как измерить КПД блока питания.

«Наивная» модель может быть использована для подбора номиналов компонентов. Однако если вы хотите оценить эффективность или коэффициент мощности блока питания, то моделировать его нужно вместе с LDO. За более точную модель придется заплатить лишними ограничениями на выбор компонентов.

Был изготовлен линейный блок питания на 5 В и 200 мА. Его эффективность не высока. Однако ценят линейные блоки питания не за эффективность, а за простоту, надежность и отсутствие ВЧ-наводок.

Метки: Электроника.

Линейные блоки питания: простота конструкции и ремонта

Линейные блоки питания — это источник питания, не содержащий никаких коммутационных или цифровых компонентов. Он обладает некоторыми замечательными характеристиками по сравнению с импульсными блоками питания, такими как очень низкий уровень шума и пульсаций, невосприимчивость к помехам от сети, простота, надежность, простота конструкции, расчета и ремонта.

БП также могут генерировать как очень высокие напряжения (тысячи вольт), так и очень низкие напряжения (менее 1V). Линейные блоки питания могут легко генерировать несколько выходных напряжений. С другой стороны, они большие по размеру, тяжелые и требуют большего теплоотвода. Линейные источники питания существуют уже несколько десятилетий, были созданы задолго до появления полупроводников.

Линейные блоки питания могут быть фиксированными, например, как источник питания 5V, который может потребоваться для логической схемы, или несколько фиксированных блоков питания, необходимых для ПК (+5, +12 или -12V). На настольном лабораторном блоке питания вы можете использовать источник переменного тока. В дополнение к одиночным источникам вы также можете получить двойные схемы питания, например, для схем операционного усилителя ±15V, и даже БП двойного контроля, которые синхронизированы по напряжению друг с другом.

Некоторые примеры:

• +5V логические и микропроцессорные схемы
• +12V LED освещение, общая электроника
• Схемы операционного усилителя ±15V
• Стендовое испытательное питание 0-30V
• +14,5V зарядное устройство

В этой статье мы рассмотрим отдельные компоненты блока питания, а затем с нуля разработаем небольшой блок питания 12V и регулируемый двойной блок питания 1–30V.

Компоненты линейного блока питания

• Секция ввода сети содержит компоненты подключения к электросети, обычно выключатель, предохранитель и контрольную лампочку. Используйте хорошее заземление и изолируйте все силовые части внутренней проводки изоляционным материалом для защиты от случайного контакта.
• Трансформатор выбирают в соответствии с требуемым выходным напряжением и эффективно изолирует все другие цепи от сетевых контактов. Трансформатор может иметь несколько отводов первичной обмотки, чтобы обеспечить различное входное напряжение сети, и несколько отводов вторичной обмотки, соответствующих требуемому выходному напряжению. Кроме того, между отводами первичной и вторичной обмоток имеется экран из медной фольги, который способствует уменьшению емкостной связи с высокочастотным сетевым шумом.
• Выпрямитель может быть таким же простым, как одинарный диод (не подходит), двухполупериодный мост с центральным ответвлением или двухполупериодный мост. Следует использовать выпрямительные диоды более мощные, чем рассчитывалось. По моему опыту ремонта многих неисправных блоков питания, проблемы обычно возникают из-за выхода из строя диода, которые горят либо из-за слишком большого тока, либо из-за скачков напряжения в сети.
• Учитывая это, выберите диод с высоким PIV (пиковое обратное напряжение). При установке диодов держите выводы на длинной стороне, так как именно здесь рассеивается большая часть их тепла. В высоковольтных источниках питания часто встречаются небольшие конденсаторы, подключенные параллельно диодам, чтобы помочь им быстрее восстанавливаться.
• Конденсатор является постоянно работающим компонентом и должен заряжаться до пика вторичного напряжения (Vsec*1,414), а затем быстро отдавать накопленную энергию в нагрузку. Конденсаторы из алюминиевой фольги представляют собой рулон бумаги из алюминия, заполненный маслом. Однако, они имеют свойство со временем высыхать и, как следствие, терять свою емкость. Если возможно, разместите их подальше от источников тепла при компоновке.
• Танталовые конденсаторы имеют гораздо более низкое последовательное сопротивление (эквивалентное последовательное сопротивление), поэтому лучше справляются с пульсациями. Вы можете использовать их в цепи регулятора. При разводке схемы, старайтесь свести все заземления в одну точку. Регулятор также должен иметь небольшой выходной ток, когда он не находится под нагрузкой; 1кОм будет достаточно.
• На рисунке ниже зеленая кривая представляет собой то, как форма волны выглядела бы без конденсатора, а красная форма волны — это «заряд» конденсатора на каждом полупериоде, а затем разряд из-за тока нагрузки. Результирующая форма волны — это пульсирующее напряжение.
• Регулятор бывает разных типов: последовательный, шунтирующий, простой и сложный. Будет отдельная статья о регуляторах, но в этом руководстве мы сосредоточимся на разработке двух простых регуляторов на основе интегральной микросхеме с фиксированным регулятором 7812 и регулируемым регулятором LM317.

Линейные блоки питания — проектирование

Разработка линейного блока питания похожа на чтение на иврите: вы начинаете с конца и продвигаетесь к началу. Ключевая спецификация — это напряжение на выходе, которое мы хотим иметь, и какую величину тока мы можем получить от него без падения напряжения. В этом проекте давайте нацелимся на 12V при токе 1 А и 3V на регуляторе. У любого регулятора должна быть определенная необходимая разница между входным и выходным напряжениями для правильной работы. Если не указано иное, предположите, что это минимум 3V. Некоторые из используемых здесь регуляторов рассчитаны только на 2V.

Если на выходе нам нужно 12V, то на конденсаторе нужно 12 + 3 = 15V. Теперь, когда этот конденсатор заряжается и разряжается, в нем должна присутствовать переменная составляющая, то есть пульсация напряжения. Чем больше ток, потребляемый конденсатором, тем хуже пульсации, и это тоже нужно учитывать. При выборе значения 10%, т.е. 1,2V (размах), ограничение рассчитывается следующим образом:

где f равно 50 или 60 в зависимости от частоты вашей сети. Следовательно, нам необходимы:

Это возвращает нас к диодам. Поскольку диоды подают не только ток нагрузки, но и ток заряда конденсатора, они будут использовать больший ток.

В двухполупериодном мосту ток составляет 1,8*I нагрузки. На центральном отводе, это 1,2*I нагрузки. Учитывая это, мы должны использовать диоды не менее 2 А.

Теперь мы переходим обратно к вторичной обмотке трансформатора и ее удельному напряжению. В любой надежной системе мы должны учитывать допуски. Если мы будем следовать только минимальным требованиям к конструкции, вход регулятора может упасть ниже уровня падения напряжения, что окажет значительное влияние на сеть. В коммерческих проектах обычно указывается ± 10%, поэтому, если у нас напряжение 230 В, это означает, что оно может упасть до 207V.

Таким образом, необходимое напряжение на вторичной обмотке будет следующим:

где 0,92 — КПД трансформатора, а 0,707 — 1/√2.

Vreg — падение напряжения регулятора, Vrect — падение напряжения на 2 диодах, которое составляет 2*0,7 для цепи центрального отвода и 4*0,7 для полного моста. Пульсации напряжения V было указано как 10% от 12V или 1,2V, поэтому:

Это означает, что готового трансформатора на 15V должно хватить. Бывает, что вы не можете найти подходящий трансформатор, но есть в наличии другой, с более высоким напряжением. Обратной стороной этого является то, что на стабилизаторе будет более высокое напряжение и, как следствие, большая мощность, рассеиваемая его радиатором.

Последнее, что нужно сейчас указать, — это габаритная мощность трансформатора в ВА. Это простая и распространенная ошибка — думать, что ВА будет Vsec*Iload, т.е. 15*1 = 15VA. Но мы не должны забывать, что трансформатор также заряжает конденсатор, поэтому в зависимости от конфигурации, нагрузка 1,2 или 1,8*I означает большую разницу, то есть 1,8*1*15 = 27 ВА.

На этом конструирование завершается. А как насчет предохранителя? Это целая наука, но для этого простого блока питания я бы оценил его в 2 раза больше первичного входного тока. Таким образом, в данном случае ВА равно 27, а напряжение сети составляет 230V, а I=2*27/230 = 250 мА.

Теперь мы можем добавить в регулятор последние несколько компонентов:

Для C1 мы рассчитали его на 4200 мкФ. Но поскольку регулятор удалит большую часть пульсации, она может быть меньше или вдвое меньше той, что составляет 2200 мкФ. Назначение C2 и C3 — обеспечение стабильности и помехоустойчивости регулятора. Конденсаторы C2 10 мкФ и C1 1 мкФ. В идеале эти емкости должны быть танталового типа, но если вы вынуждены использовать алюминий, вам следует удвоить значение.

Шунтирующим диодом D3 часто пренебрегают, но он важен. Если произойдет короткое замыкание на входе регулятора, любая накопленная емкость в нагрузке Vcc, включая C3, разрядится на заднюю часть регулятора и, возможно, спалит его. Но D3 спасает от такой ситуации.

Теперь давайте заменим фиксированный регулятор на регулируемый на основе популярного и простого в использовании LM317 и добавим дополнительную отрицательную версию LM337, чтобы сформировать двойной регулируемый блок питания. Обратите внимание, что мы использовали трансформатор с центральным отводом, а также полный мостовой выпрямитель. Следующие примечания в равной степени относятся к отрицательной половине блока питания. Единственное, что осталось рассчитать — это R6 и R7.

Если вы сделаете R6 = 220, тогда для любого напряжения между Vmax и Vmin, R7 = (176*Vout) — 220. Итак, если вы хотите 9V, R7 будет 176*9 — 220 = 1k4. Вы также можете использовать двойной подстроечный резистор от 5 до 10kОм (линейный) для одновременной регулировки обеих сторон. Трансформатор с вторичной обмоткой 25/0/25 подойдет. C8 и C9 обеспечивают помехоустойчивость и могут составлять 10 мкФ. C10 и C11 — 1 мкФ, а C4 и C7 — 1000 мкФ. Минимальное выходное напряжение составляет около 1,25V.

Примеры небольших линейных блоков питания своими руками:

Разница между линейными и импульсными источниками питания | tech

Выпуск: 11 марта 2022 г., Обновление: 19 сентября 2022 г., I.R.

Как линейные, так и импульсные источники питания обеспечивают стабильный постоянный ток (также сокращенно «постоянный ток» или «DC»).
DC используется в цепях большинства электронных устройств, таких как смартфоны, компьютеры, кондиционеры и заводские роботы. Поскольку каждый тип устройства и внутренняя схема такого электронного оборудования требуют различных напряжений, необходим источник постоянного тока, соответствующий каждому напряжению.
Впервые был изобретен линейный источник питания. Линейные источники питания также известны как последовательные источники питания. В линейном источнике питания трансформатор, состоящий из железного сердечника и катушки, используется для уменьшения напряжения до входящего переменного тока (AC). Затем напряжение выпрямляется диодом в цепи выпрямителя и сглаживается конденсатором в цепи сглаживания для обеспечения стабильного напряжения.
Выходное напряжение схемы выпрямителя представляет собой серию положительных пиков синусоиды, что не является подходящим стабильным током. Поэтому напряжение выравнивается с помощью сглаживающей цепи, состоящей из конденсатора, и стабилизирующей цепи (схемы управления). Существует два типа цепей управления: шунты и последовательные цепи. Оба метода контролируют и контролируют выходное напряжение постоянного тока, чтобы поддерживать постоянное значение. Разница между входным и выходным напряжениями приводит к выделению тепла; поэтому требуется большой радиатор.
Для линейного источника питания требуется специальный трансформатор переменного тока в зависимости от входного напряжения, выходного напряжения и мощности. Таким образом, каждое устройство имело фиксированную мощность и требовало источника питания с отдельным трансформатором для каждого приложения.

Импульсные источники питания, напротив, перед регулировкой напряжения имеют функцию выпрямления и сглаживания. Прерыватель используется для преобразования поступающего напряжения в последовательность высокочастотных импульсов. При включении и выключении выключателя с высокой скоростью выпрямленный ток трактуется как псевдопеременный ток (AC) с пульсирующей волной, а напряжение регулируется с помощью высокочастотного трансформатора.

Типичная разница между линейным блоком питания и импульсным блоком питания заключается в уровне шума и размере блока питания. Как упоминалось выше, импульсный источник питания многократно включает и выключает переключатель с высокой скоростью. Это вызывает шум из-за переключения. Линейные источники питания производят меньше шума, чем импульсные источники питания.
Как упоминалось выше, импульсный источник питания многократно включает и выключает коммутатор с высокой скоростью. Это вызывает шум из-за переключения. Что касается шума, линейные блоки питания производят меньше шума, чем импульсные блоки питания.
Если сравнить линейный источник питания и импульсный источник питания с одинаковым выходным сигналом, шум линейного источника питания (R4G18-2) составляет 0,5 мВ (среднеквадратичное значение) и 1 мА (среднеквадратичное значение), как указано в технических характеристиках. Однако импульсный источник питания (R4K18-2) составляет около 5 мВ (среднеквадратичное значение) и 5 ​​мА (среднеквадратичное значение).
Другими словами, шум напряжения импульсного источника питания в десять раз больше, а шум тока в пять раз больше, чем у линейного источника питания.
Следующим шагом было определение размера блока питания. Линейный источник питания был небольшим; однако импульсный источник питания был меньше. Это связано с размером трансформатора. Если напряжение изменяется на ту же величину, трансформатор будет меньше на более высоких частотах.
В линейном источнике питания входная частота от розетки или другого источника подается непосредственно на трансформатор, тогда как в импульсном источнике питания ток после выпрямления направляется на трансформатор в виде высокочастотного импульса. Поэтому трансформатор маленький.
Например, блок питания с выходным напряжением постоянного тока 18 В, линейный блок питания (R4G18-2) имеет размеры 124 × 84 × 325 мм (В × Ш × Г) и весит примерно 3 кг. Для сравнения, импульсный блок питания (R4K18-2) имеет размеры 124 × 35 × 128 мм (В × Ш × Г) и весит примерно 500 г.
Они оба одинаковой высоты, но линейный блок питания в 2,4 раза шире, в 2,5 раза глубже и весит в шесть раз больше, чем импульсный блок питания. Это связано с тем, что в трансформаторах используется железный сердечник, а размер трансформатора влияет на его вес.
Импульсные источники питания стали широко использоваться примерно в 1990 году, намного позже линейных источников питания. Старые адаптеры переменного тока очень большие и тяжелые, потому что в них используются линейные источники питания.
В последние годы источники питания на основе нитрида галлия (GaN) с низкими потерями энергии получили широкое распространение. 9Источники питания 0009 GaN представляют собой полупроводники из нитрида галлия, которые аналогичны обычным полупроводникам на основе кремния. Транзисторы, использующие GaN, имеют меньшие потери мощности, чем обычные транзисторы.
Развитие этих новых технологий привело к созданию более компактных и мощных импульсных источников питания.

Существуют и другие различия между линейными и импульсными источниками питания, помимо шума и амплитуды, которые объясняются ниже.

● Импульсные источники питания имеют меньшие потери при преобразовании энергии.

Первоначально НАСА разработало импульсные источники питания для космических приложений. Поэтому они были разработаны для обеспечения высокой энергоэффективности. Импульсные источники питания более эффективны, поскольку линейные источники питания теряют больше энергии в виде тепла.

● Линейный источник питания быстрее реагирует на колебания нагрузки

Выход импульсного источника питания управлялся схемой управления. Напротив, линейные источники питания управляются реакцией схемы регулятора. Поэтому линейный источник питания быстрее реагирует на колебания нагрузки.

● Если выходная мощность мала, линейный блок питания может быть изготовлен с меньшими затратами, а если она велика, импульсный источник питания становится более дешевым вариантом.

Линейные источники питания дешевле из-за их более простой конструкции. Однако, как было сказано выше, линейные блоки питания имеют меньший КПД и выделяют больше тепла, чем импульсные блоки питания; поэтому при увеличении потребляемой мощности необходимо принимать меры по мощности, потребляемой самим линейным источником питания, и выделяемому им теплу.
Таким образом, по мере увеличения энергопотребления общая стоимость импульсного источника питания становится меньше, чем стоимость линейного источника питания. В качестве приблизительного ориентира линейные блоки питания можно эксплуатировать с меньшими затратами, если мощность ниже 400 Вт.

Различия между линейными и импульсными источниками питания приведены ниже.

Связанные технические статьи

• Способ генерирования постоянного тока (DC)
• Что такое блок питания постоянного тока? (Базовые знания)
• Что следует учитывать при выборе источника питания постоянного тока
• В чем разница между источником питания постоянного напряжения и источником питания постоянного тока? Давайте разберемся с основным принципом
• Как правильно и безопасно использовать источник питания постоянного тока и дистанционное зондирование

Рекомендуемые продукты

Компания Matsusada Precision предлагает как источники питания постоянного тока с линейным регулятором, так и источники питания постоянного тока импульсного типа в зависимости от области применения.

Как собрать линейный источник питания

Линейный источник питания — это блок питания (БП), который не содержит переключающих или цифровых компонентов. Он обладает некоторыми выдающимися характеристиками по сравнению с импульсными блоками питания, такими как очень низкий уровень шума и пульсаций, устойчивость к сетевым помехам, простота, надежность, простота конструкции и ремонта. Они также могут генерировать очень высокие напряжения (тысячи вольт) и очень низкие напряжения (менее 1 В). Они могут легко генерировать несколько выходных напряжений. С другой стороны, они большие по размеру и тяжелые, и нуждаются в большем теплоотводе. Линейные источники питания существуют уже несколько десятилетий, задолго до появления полупроводников.

Блоки питания

Linear могут быть фиксированными, например, в качестве источника питания 5 В, который может понадобиться для логической схемы, или нескольких фиксированных источников питания, необходимых для ПК (+5, +12 или -12 В). На настольном блоке питания лабораторного типа вы хотели бы использовать переменный блок питания. В дополнение к одиночным источникам питания вы также можете получить двойные источники питания, скажем, для схем операционных усилителей ± 15 В, и даже двойные источники слежения, которые синхронизированы по напряжению друг с другом в источниках питания, где дрейф не является незначительным.

Некоторые примеры:

• Логические и микропроцессорные цепи +5 В
• Светодиодное освещение +12 В, общая электроника
• Схемы операционных усилителей ±15 В
• Блок питания 0–30 В для стендовых испытаний
• Зарядное устройство +14,5 В для аккумуляторов

спроектируйте небольшой источник питания 12 В с нуля и регулируемый двойной источник питания 1-30 В.

Разборка линейного блока питания

• Секция ввода питания содержит соединения с сетью, обычно выключатель, предохранитель и контрольную лампу. Используйте хорошее заземление и изолируйте все сетевые части внутренней проводки с помощью изоляции для защиты от случайного прикосновения.

• Трансформатор выбирается в соответствии с требуемым выходным напряжением и эффективно изолирует все остальные цепи от сети. Трансформатор может иметь несколько ответвлений на первичной обмотке для различных входных напряжений сети и несколько ответвлений на вторичной обмотке, соответствующих требуемому выходному напряжению. Кроме того, между первичным и вторичным ответвлениями имеется экран из медной фольги, помогающий уменьшить емкостную связь с высокочастотным сетевым шумом.

• Выпрямитель может быть простым однорядным диодом (не подходит), двухполупериодным мостом с отводом от средней точки или двухполупериодным мостом. Необходимо указать используемые диоды (выпрямители). Они дешевы и малы, и используют более здоровенные, чем предполагалось. По моему опыту ремонта многих неисправных блоков питания, проблемы обычно вызваны выходом из строя диода либо из-за слишком большого тока, либо из-за скачков напряжения в сети. Учитывая это, выберите диод с высоким PIV (пиковое обратное напряжение). Когда вы монтируете диоды, держите выводы на длинной стороне, так как именно здесь рассеивается большая часть их тепла. В высоковольтных источниках питания обычно используются небольшие конденсаторы, включенные параллельно диодам, чтобы помочь им быстрее восстановиться.

• Конденсатор является очень трудолюбивым компонентом и должен заряжаться до пика вторичного напряжения (Vsec * 1,414), а затем быстро разряжаться на нагрузку. Конденсаторы из алюминиевой фольги представляют собой рулон туалетной бумаги и алюминия, наполненный маслом, и они имеют репутацию высыхающих и, следовательно, теряющих емкость. Если возможно, разместите их подальше от любых источников тепла в вашем макете. Танталовые конденсаторы имеют гораздо более низкое ESR (эквивалентное последовательное сопротивление), поэтому лучше справляются с пульсациями. Вы можете использовать их в схеме регулятора. При разводке старайтесь свести все земли к одной точке. Конденсатор — хорошая точка для использования. На рисунке ниже показан резистор, который отлично подходит для продувки этого колпачка, когда блок питания выключен. Регулятор также должен иметь небольшой выходной ток, когда он не находится под нагрузкой; 1к хватило бы.

На рисунке ниже зеленая кривая — это то, как выглядела бы кривая без конденсатора, а кривая красного цвета — это «дозаправка» конденсатора в каждом полупериоде, а затем разряд из-за тока нагрузки. Результирующая форма волны представляет собой пульсации напряжения.

• Регулятор бывает разных типов: последовательный, шунтирующий, простой и сложный. О регуляторах будет отдельная статья, но в этом руководстве мы сосредоточимся на разработке двух простых регуляторов на основе ИС с фиксированным регулятором 7812 и регулируемым регулятором LM317.

Проектирование линейного источника питания

Проектирование блока питания похоже на чтение на иврите: вы начинаете с конца и возвращаетесь к началу. Ключевой спецификацией является напряжение, которое мы хотим получить на выходе, и то, какой ток мы можем извлечь из него, не снижая напряжения. Для этого проекта давайте нацелимся на 12 В при 1 А и 3 В на регуляторе. Любой регулятор будет иметь определенную необходимую разницу между входным и выходным напряжениями для правильной работы. Если не указано, предположим, что это минимум 3 В. Некоторые из регуляторов, которые мы здесь используем, будут только 2В.

Если на выходе нужно 12В, то на конденсаторе нужно 12+3=15В. Теперь, когда этот конденсатор заряжается и разряжается, должна присутствовать составляющая переменного тока, и это напряжение пульсаций (V _{пульсаций} ). Чем больше ток, потребляемый конденсатором, тем сильнее пульсации, и это также необходимо указать. При выборе 10%, т. е. 1,2 Вpp, ограничение рассчитывается следующим образом:

, где f равно 50 или 60 в зависимости от частоты вашей сети. Значит, нам нужно:

Это возвращает нас к диодам. Поскольку диоды обеспечивают не только ток нагрузки, но и ток заряда конденсатора, они будут потреблять больший ток.

В двухполупериодном мосту ток 1,8*I _нагруз . В центральном отводе это 1,2 * I _{нагрузка} . Учитывая это, мы должны использовать диоды не менее 2А.

Теперь мы возвращаемся к вторичной обмотке трансформатора и ее удельному напряжению. В любой надежной системе мы должны учитывать допуски. Если мы будем следовать только минимальным конструктивным требованиям, входной сигнал регулятора может упасть ниже нуля, что в значительной степени повлияет на сеть. В коммерческих проектах обычно указывается ±10%, поэтому, если наше питание составляет 230 В, это означает, что оно может упасть до 207 В.

Таким образом, напряжение, необходимое на вторичной обмотке, будет следующим:

где 0,92 — КПД трансформатора, а 0,707 — 1/√2

В _{рег. составляет 2*0,7 для схемы с центральным отводом и 4*0,7 для полного моста. V пульсация была определена как 10% от 12 В или 1,2 В, поэтому}

В _с = 15,03 В

Это означает, что стандартного 15-вольтового трансформатора должно быть достаточно. Иногда вы не можете найти подходящий трансформатор и вам нужно выбрать другой с более высоким напряжением. Обратной стороной этого является то, что регулятор будет иметь более высокое напряжение на нем, и, как следствие, больше энергии будет рассеиваться в его радиаторе.

Последнее, что нужно указать, это мощность трансформатора в ВА. Это простая и распространенная ошибка думать, что ВА будет V _сек *I _{нагрузка} т.е. 15*1 = 15ВА. Но не надо забывать, что трансформатор заряжает еще и конденсатор, поэтому в зависимости от конфигурации 1,2 или 1,8*I _{в нагрузке} означает большую разницу, т.е. 1,8*1*15 = 27ВА.

На этом дизайн завершается. Но как быть с предохранителем? Это целая наука сама по себе, но для этого простого блока питания я бы оценил его в 2 раза больше первичного входного тока. Таким образом, в этом случае VA равно 27, а напряжение сети Vin равно 230 В, а I = 2 * 27/230 = 250 мА.

Теперь мы можем добавить последние несколько компонентов к регулятору:

Для C1 мы разработали его на 4200 мкФ. Но поскольку регулятор удалит большую часть пульсаций, она может быть меньше или вдвое меньше, чем 2200 мкФ. Назначение С2 и С3 — обеспечить стабильность и помехозащищенность регулятора. National Linear обычно делает C2 10 мкФ и C1 1 мкФ. В идеале это должны быть танталовые типы, но если вы вынуждены использовать алюминий, вам следует удвоить значение.

D3 часто игнорируют, но он важен. Если на входе регулятора произойдет короткое замыкание, любая накопленная емкость в нагрузке Vcc, включая C3, разрядится на заднюю часть регулятора и, возможно, уничтожит его. Но D3 обходит это.

Теперь давайте заменим фиксированный регулятор на регулируемый, основанный на популярном и простом в использовании LM317, и добавим дополнительную отрицательную версию, LM337, чтобы сформировать двойной регулируемый блок питания. Обратите внимание, что мы использовали трансформатор с отводом от средней точки, а также мостовой выпрямитель. Следующие примечания в равной степени относятся к отрицательной половине блока питания.