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.
Что такое линейные блоки питания
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:
