BASIC ANALOG AFLUGSHÖNNUN

Það er hið gamla orðatiltæki: "Þú getur gefið manni fisk og hann mun borða í einn dag eða þú getur kennt manni að veiða og hann mun borða að eilífu." Það eru margar greinar sem gefa lesandanum sérstaka hönnun til að byggja upp aflgjafa og það er ekkert athugavert við þessa matreiðslubókarhönnun. Þeir hafa oft mjög góða frammistöðu. Hins vegar kenna þeir lesendum ekki hvernig á að hanna aflgjafa sjálfir. Þessi tvíþætta grein mun byrja frá upphafi og útskýra hvert skref sem þarf til að byggja upp grunn hliðstæða aflgjafa. Hönnunin mun einbeita sér að alls staðar nálægum þriggja enda þrýstijafnara og fela í sér fjölda endurbóta á grunnhönnuninni.

Það er alltaf mikilvægt að muna að aflgjafinn - annaðhvort fyrir tiltekna vöru eða sem almennan prófunarbúnað - hefur möguleika á að rafstýra notanda, kveikja eld eða eyðileggja tækið sem það er að knýja. Þetta eru greinilega ekki góðir hlutir. Af þeim sökum er mikilvægt að nálgast þessa hönnun með íhaldssemi. Gefðu nóg framlegð fyrir íhluti. Vel hannaður aflgjafi er sá sem aldrei er tekið eftir.

INNTAKAFLAUMBREYTING

Mynd 1 sýnir grundvallarhönnun fyrir dæmigerðan hliðrænan aflgjafa. Það samanstendur af þremur meginþáttum: umbreytingu inntaksafls og ástandi; leiðrétting og síun; og reglugerð. Inntaksaflsbreytingin er venjulega aflspennir og er eina aðferðin sem tekin er til greina hér. Hins vegar eru nokkur atriði sem mikilvægt er að nefna.

MYND 1. Grunn hliðræn aflgjafi samanstendur af þremur hlutum. Fjallað er um fyrstu tvær í þessari grein og þær síðustu í næstu afborgun.

---

Sú fyrsta er að 117 VAC (Volt Alternating Current) er í raun RMS (Root Mean Square) mæling. (Athugaðu að ég hef séð venjulegt heimilisafl tilgreint hvar sem er frá 110 VAC til 125 VAC. Ég mældi bara mitt og fann það vera nákvæmlega 120.0 VAC.) RMS mæling á sinusbylgju er miklu lægri en raunveruleg toppspenna og táknar jafngildi DC (Direct Current) spennu sem þarf til að veita sama afl.

RMS umbreytingin er mismunandi eftir bylgjulöguninni; fyrir sinusbylgju er gildið 1.414. Þetta þýðir að frávikið í kringum núll volt er í raun 169.7 volt (fyrir 120 VAC aflið mitt). Aflið fer úr -169.7 volt í +169.7 volt í hverri lotu. Þess vegna er toppspenna í raun 339.4 volt!

Þessi spenna verður sérstaklega mikilvæg þegar bypass þéttum er bætt við helstu raflínur til að bæla niður hávaða frá því að komast inn eða út úr aflgjafanum (algengt ástand). Ef þú heldur að raunveruleg spenna sé 120 volt geturðu notað 150 volta þétta. Eins og þú sérð er þetta ekki rétt. Alger lágmarksöryggisspenna fyrir þéttana þína er 200 volt (250 volt er betra). Ekki gleyma því að ef þú býst við að sjá hávaða/brodda á línunni, þá þarftu að bæta þeirri hávaða/gaddaspennu við toppspennuna.

Inntakstíðnin er almennt 60 Hz í Bandaríkjunum. Í Evrópu er 50 Hz algengt. Transformerar sem eru metnir fyrir 60 Hz munu almennt standa sig vel á 50 Hz og öfugt. Að auki er tíðnistöðugleiki raflínunnar yfirleitt frábær og sjaldan til greina. Stundum gætirðu fundið 400 Hz spenna í boði. Þetta eru venjulega hernaðar- eða flugvélatæki og henta almennt ekki til notkunar á 50/60 Hz afli (eða öfugt).

Úttak spenni er einnig tilgreint sem RMS spenna. Að auki er tilgreind spenna lágmarksspenna sem búist er við við fullu álagi. Oft er um 10% aukning á nafnafköstum án hleðslu. (25.2 volt/tveggja ampera spennirinn minn mælist 28.6 volt án álags.) Þetta þýðir að raunveruleg óhlaða/hámarksútgangsspenna fyrir 25.2 volta spenni minn er 40.4 volt! Eins og þú sérð er alltaf mikilvægt að muna að RMS spennan fyrir riðstraum er verulega minni en raunveruleg toppspenna.

Mynd 2 sýnir dæmigerða inntaksaflbreytingu og skilyrðingarhönnun. Ég vil frekar nota tvípóla rofa þó það sé ekki algjörlega nauðsynlegt. Það verndar gegn röngum rafmagnsinnstungum (sem er sjaldgæft í dag) eða röngum rafmagnsleiðslum í aflgjafanum sjálfum (mun algengara). Það er mikilvægt að þegar slökkt er á aflrofanum sé heita leiðslan aftengd aflgjafanum.

MYND 2. Inntaksskilyrðingin er frekar einföld, en það verður að hafa í huga að RMS spennan er ekki sú sama og toppspennan. Hámarksspenna 120 VAC RMS er um 170 volt.

---

Öryggið (eða aflrofar) er nauðsynlegt. Megintilgangur þess er að koma í veg fyrir eld vegna þess að án hans mun spennir eða skammhlaup í aðalrásinni leyfa miklum straumum að flæða sem veldur því að málmhlutir verða rauðir eða jafnvel hvítheitir. Það er venjulega hægblásturstegund sem er metin 250 volt. Núverandi einkunn ætti að vera um það bil tvöfalt af því sem spennirinn getur búist við að draga.

Til dæmis mun 25.2 volta tveggja ampera spennirinn sem nefndur er hér að ofan draga um 0.42 ampera af aðalstraumi (25.2 volt/120 volt x tveir amper). Svo, eins ampera öryggi er sanngjarnt. Fjallað verður um öryggi í framhaldsskólanum í næstu grein.

Hjáveituþéttarnir hjálpa til við að sía út hávaða og eru valfrjálsir. Þar sem toppspennan er um 170 volt, er 250 volta einkunn betri en léleg 200 volta einkunn. Þú gætir viljað nota „afmagnssíu“. Það eru margar gerðir af þessum einingum. Sum innihalda venjulegt rafmagnstengi, rofa, öryggihaldara og síu í einum litlum pakka. Aðrir kunna að hafa aðeins nokkra af þessum íhlutum. Venjulega eru þær sem eru með allt frekar dýrar, en afgangseiningar má venjulega finna á mjög sanngjörnu verði.

Það er mikilvægt að geta ákvarðað hvort aðalrásin sé knúin afl þannig að stýriljós sé notað. Tvær dæmigerðar hringrásir eru sýndar. Neon lampinn hefur verið notaður í áratugi. Það er einfalt og ódýrt. Það hefur þá galla að það er nokkuð viðkvæmt (er úr gleri); getur flöktað ef viðnámið er of stórt; og getur í raun framkallað rafhljóð (vegna skyndilegs jónarbrots neongassins).

LED hringrásin krefst einnig straumtakmarkandi viðnáms. Við 10,000 hms er um 12 mA af straumi. Flestar LED eru metnar fyrir hámarksstraum upp á 20 mA, svo 12 mA er sanngjarnt. (Háttar afköst ljósdíóða geta virkað á fullnægjandi hátt með aðeins 1 eða 2 mA, þannig að hægt er að auka viðnámið eftir þörfum.)

Athugaðu að LED eru með mjög lélega öfuga sundurliðunarspennu (venjulega 10 til 20 volt). Af þeim sökum er önnur díóða nauðsynleg. Þetta verður að geta starfað með að minnsta kosti 170 volta PIV (Peak Inverse Voltage). Staðallinn 1N4003 er metinn á 200 PIV sem gefur ekki mikla framlegð. 1N4004 er metinn á 400 PIV og kostar kannski eyri meira. Með því að setja það í röð með LED, er heildar PIV 400 plús LED PIV.

LEIÐRÉTTING OG SÍUN

Myndir 3, 4 og 5 sýna dæmigerðustu leiðréttingarrásirnar með úttaksbylgjuforminu sem sýnt er hér að ofan. (Síuþéttinn er ekki sýndur vegna þess að með því að bæta honum við breytist bylgjuformið í eitthvað eins og jafnspennu.) Það er gagnlegt að skoða þessar þrjár grunnrásir til að greina styrkleika og veikleika þeirra.

Mynd 3 sýnir grunnhálfbylgjuafriðrann. Eina endurleysandi eiginleiki þessa er að það er mjög einfalt, aðeins einn afriðli er notaður. Slæm eiginleiki er að það notar aðeins helming af aflhringrásinni sem gerir fræðilega skilvirkni hringrásarinnar minna en 50% bara til að byrja. Oft eru aflgjafar með hálfbylgjuafriðli aðeins 30% skilvirkir. Þar sem spennar eru dýrir hlutir er þessi óhagkvæmni mjög dýr. Í öðru lagi er mjög erfitt að sía bylgjuformið. Helminginn af tímanum kemur ekkert rafmagn frá spenni. Að slétta úttakið krefst mjög hára rýmdargilda. Það er sjaldan notað fyrir hliðræna aflgjafa.

MYND 3. Hálfbylgjuafriðlarrásin er einföld en hún framleiðir lélega úttaksbylgjulögun sem er mjög erfitt að sía. Þar að auki er helmingur spenniaflsins sóun. (Athugið að síunarþéttum er sleppt til skýrleika vegna þess að þeir breyta bylgjuforminu.)

---

Áhugavert og mikilvægt gerist þegar síuþétti er bætt við hálfbylgjuafriðlarrás. Óhlaða spennumunurinn tvöfaldast. Þetta er vegna þess að þétturinn geymir orku frá fyrri hluta (jákvæða hluta) hringrásarinnar. Þegar seinni helmingurinn á sér stað heldur þétturinn jákvæðu toppspennunni og neikvæða toppspennan er sett á hina tengið sem veldur því að full toppspenna sést af þéttinum og í gegnum það díóðan. Þannig, fyrir 25.2 volta spenni fyrir ofan, getur raunveruleg toppspenna sem sjást af þessum íhlutum verið yfir 80 volt!

Mynd 4 (efri hringrás) er dæmi um dæmigerða fullbylgju/miðjukrana afriðunarrás. Þegar þetta er notað ætti það í flestum tilfellum líklega ekki að vera það. Það gefur gott framleiðsla sem er að fullu leiðrétt. Þetta gerir síun tiltölulega auðveld. Það notar aðeins tvo afriðla, svo það er frekar ódýrt. Hins vegar er það ekki skilvirkara en hálfbylgjurásin sem sýnd er hér að ofan.

MYND 4. Fullbylgjuhönnunin (efst) gefur gott úttak. Með því að endurteikna hringrásina (neðst) má sjá að þetta eru í raun bara tveir hálfbylgjuafriðlar sem eru tengdir saman. Aftur er helmingur spenniaflsins sóað.

---

Þetta má sjá með því að endurteikna hringrásina með tveimur spennum (Mynd 4 neðst). Þegar þessu er lokið kemur í ljós að fullbylgjan er í raun bara tvær hálfbylgjurásir sem eru tengdar saman. Helmingur hverrar afllotu spenni er ekki notaður. Þannig er hámarks fræðileg skilvirkni 50% með raunhagkvæmni um 30%.

PIV hringrásarinnar er helmingur hálfbylgjurásarinnar vegna þess að innspenna díóðanna er helmingur spenniúttaksins. Miðkraninn veitir helmingi spennunnar í tvo enda spennivindanna. Svo, fyrir 25.2 volta spenni dæmið, er PIV 35.6 volt auk óhlaðsaukningarinnar sem er um 10% meira.

Mynd 5 sýnir brúarafriðunarrásina sem ætti almennt að vera fyrsti kosturinn. Úttakið er að fullu leiðrétt þannig að síun er frekar auðveld. Mikilvægast er þó að það notar báða helminga aflhringsins. Þetta er hagkvæmasta hönnunin og fær sem mest út úr dýra spenni. Það er miklu ódýrara að bæta við tveimur díóðum en að tvöfalda aflmatið spenni (mælt í „Volt-Amps“ eða VA).

MYND 5. Brúarleiðréttingaraðferðin (efst) veitir fulla nýtingu á spenniaflinu og með fullbylgjuleiðréttingu. Að auki, með því að breyta jarðviðmiðun (neðst), er hægt að fá tvíspennu aflgjafa.

---

Eini gallinn við þessa hönnun er að krafturinn verður að fara í gegnum tvær díóða með spennufalli upp á 1.4 volt í stað 0.7 volta fyrir hina hönnunina. Almennt er þetta aðeins áhyggjuefni fyrir lágspennuaflgjafa þar sem viðbótar 0.7 volt táknar umtalsvert brot af framleiðsla. (Í slíkum tilvikum er rofi aflgjafi venjulega notaður frekar en annaðhvort af ofangreindum rásum.)

Þar sem verið er að nota tvær díóða fyrir hverja hálfhring, sést aðeins helmingur spennispennunnar hjá hvorum. Þetta gerir PIV jafn hámarksinntaksspennu eða 1.414 sinnum spennispennu, sem er sú sama og fullbylgjurásin hér að ofan.

Mjög góður eiginleiki við brúarafriðrann er að hægt er að breyta jarðviðmiðun til að búa til jákvæða og neikvæða útgangsspennu. Þetta er sýnt neðst á mynd 5.

SÍA

Næstum öll síun fyrir hliðrænan aflgjafa kemur frá síuþétti. Það er hægt að nota inductor í röð við úttakið, en við 60 Hz verða þessir inductors að vera frekar stórir og dýrir. Einstaka sinnum eru þeir notaðir fyrir háspennuaflgjafa þar sem hentugir þéttar eru dýrir.

Formúlan til að reikna út síuþéttann (C) er frekar einföld, en þú þarft að vita ásættanlega topp-til-topp gáraspennu (V), hálfhringtíma (T) og núverandi dreginn (I). Formúlan er C=I*T/V, þar sem C er í míkrófaradum, I er í milliampum, T er í millisekúndum og V er í voltum. Hálfhringstíminn fyrir 60 Hz er 8.3 millisekúndur (tilvísun: Radio Amateur's Handbook 1997).

Það er ljóst af formúlunni að síunarkröfur eru auknar fyrir aflgjafa með miklum straumi og/eða litlum gára, en þetta er bara almenn skynsemi. Dæmi sem auðvelt er að muna er að 3,000 míkrófarad á hvert ampera af straumi gefa um það bil þrjú volta gára. Þú getur unnið ýmis hlutföll úr þessu dæmi til að gefa sanngjarnt mat á því sem þú þarft nokkuð fljótt.

Eitt mikilvægt atriði er straumaukning við kveikingu. Síuþéttarnir virka sem dauðar stuttbuxur þar til þeir hlaðast upp. Því stærri sem þéttarnir eru, því meiri verður þessi bylgja. Því stærri sem spennirinn er, því meiri verður bylgjan. Fyrir flestar lágspennu hliðstæðar aflgjafa (<50 volt) hjálpar spennivindaviðnámið nokkuð. 25.2 volt/tveggja amp spennirinn hefur mælda aukaviðnám 0.6 ohm. Þetta takmarkar hámarksinnrásina við 42 amper. Að auki dregur inductance spennisins þetta nokkuð úr. Hins vegar er enn mikil möguleg straumaukning við kveikingu.

Góðu fréttirnar eru þær að nútíma sílikon afriðlar hafa oft mikla straumgetu. Hefðbundin 1N400x díóðafjölskylda er venjulega tilgreind með 30 ampera af bylgjustraumi. Með brúarrás eru tvær díóðar sem bera þetta, þannig að í versta falli er 21 amper hver sem er undir 30 amper forskriftinni (miðað við jöfn straumskiptingu, sem er ekki alltaf raunin). Þetta er öfgafullt dæmi. Almennt er stuðullinn um 10 notaður í stað 21.

Engu að síður er þessi núverandi bylgja ekki eitthvað til að hunsa. Það getur verið vel varið peningum að eyða nokkrum sentum meira í að nota þriggja magnara brú í stað eins magnara brúar.

Hagnýt hönnun

Við getum nú tekið þessar reglur og meginreglur í notkun og byrjað að hanna grunnaflgjafa. Við munum nota 25.2 volta spenni sem kjarna hönnunarinnar. Mynd 6 má sjá sem samsetta mynd af fyrri myndum en með hagnýtum hlutagildum bætt við. Annað ljós í framhaldinu gefur til kynna stöðu þess. Það sýnir líka hvort það er hleðsla á þéttinum. Með svo mikið gildi er þetta mikilvægt öryggisatriði. (Athugið að þar sem þetta er DC merki er ekki þörf á 1N4004 bakspennu díóðunni.)

MYND 6. Lokahönnun aflgjafa með hagnýtum hlutaforskriftum. Fjallað er um stjórnun aflsins í næstu grein.

---

Það getur verið ódýrara að nota tvo minni þétta samhliða en einn stóran. Vinnuspennan fyrir þéttann verður að vera að minnsta kosti 63 volt; 50 volt eru ekki næg framlegð fyrir 40 volta toppinn. 50 volta eining veitir aðeins 25% framlegð. Þetta kann að vera í lagi fyrir ekki mikilvæga notkun, en ef þétturinn bilar hér geta niðurstöðurnar verið skelfilegar. 63 volta þétti gefur um 60% framlegð á meðan 100 volta tæki gefur 150% framlegð. Fyrir aflgjafa er almenn þumalputtaregla á milli 50% og 100% framlegðar fyrir afriðla og þétta. (Gáran ætti að vera um það bil tvö volt, eins og sýnt er.)

Brúarafriðillinn verður að geta séð um mikla upphafsstraumbylgju, þannig að það er þess virði að eyða einum eða tveimur krónum til viðbótar fyrir aukinn áreiðanleika. Athugaðu að brúin er tilgreind eftir því sem spennirinn getur veitt frekar en því sem aflgjafinn er að lokum tilgreindur fyrir. Þetta er gert ef það er stutt í úttakið. Í slíku tilviki mun fullur straumur spennisins fara í gegnum díóðurnar. Mundu að rafmagnsbilun er slæmur hlutur. Svo, hannaðu það til að vera öflugt.

Ályktun

Upplýsingar eru mikilvæg atriði við hönnun aflgjafa. Að taka eftir muninum á RMS spennu og hámarksspennu er mikilvægt til að ákvarða rétta vinnuspennu fyrir framboðið. Að auki er upphafsbylgjustraumurinn eitthvað sem ekki er hægt að hunsa.

Í hluta 2 munum við klára þetta verkefni með því að bæta við þriggja skauta eftirlitsstofninum. Við munum hanna almennan, straumtakmarkaðan, stillanlegan spennugjafa með fjarstökkun. Að auki er hægt að beita meginreglunum sem notaðar eru fyrir þessa hönnun á hvaða aflgjafahönnun sem er. 

Skildu eftir skilaboð 

Skilaboðalisti