Підручник з нерегульованого живлення - SparkFun Electronics

Рівень майстерності: Новачок

від | 08 серпня 2008 р. | 28 коментарів

Вступ

Гей! Чому моя 9В стіночка дає 14В?!

Ми написали цей посібник, щоб продемонструвати вам нутрощі настінної бородавки та пояснити, чому іноді можна виміряти вищу напругу, ніж зазначена на етикетці вашої бородавки.

На нерегульованому блоці живлення, настінній бородавці, адаптері змінного струму, цегляному блоці живлення або тому, що ви хочете назвати, ви зазвичай бачите дві специфікації:

ВХІД: AC 120 В 60 Гц 6 Вт
ВИХІД: 6 В постійного струму 300 мА

Вхідні характеристики специфічні, якщо ви перебуваєте в США, використовуючи живлення від звичайної розетки. Що стосується результату?

Якщо ви вимірюєте вихідний сигнал розімкнутої ланцюга мультиметром на пристрої, який характеризує вихідні дані, як показано вище, що, на вашу думку, ви повинні отримати?

Тупа відповідь: близько 6 В і принаймні 300 мА. Правильно. НЕПРАВИЛЬНО!

Насправді, часто ви отримуєте набагато вищу напругу. Більш висока напруга може спричинити хаос у вашій системі, якщо ви цього не плануєте. Така поведінка нерегульованого живлення є нормальною, і в цьому посібнику ви дізнаєтесь, чому вихідні специфікації не знаходяться поблизу фактичного виходу з розімкнутою ланцюгом. Крім того, я покажу, наскільки насправді нерегульоване постачання. На виході говориться про постійний струм, але за певних обставин вихід може бути далеким від чистого постійного струму.

Кишки нерегульованого джерела живлення

Давайте спочатку розглянемо внутрішні елементи нерегульованого джерела живлення. Зараз я не збираюся детально розглядати функціональність кожного компонента, в Інтернеті є купа ресурсів, які розглядають, як ці речі працюють. Ось схема та короткий опис компонентів, які ви можете знайти:

підручник

Це схема для джерела живлення, яке я розібрав. Ліворуч - це місце, де ви підключаєте пристрій до стіни, а праворуч - де ви підключаєте пристрій до вхідного живлення системи.

Сигнал змінного струму в настінній розетці спочатку побачить ІС з тепловим відключенням, що використовується для захисту джерела живлення, якщо прикріплене велике навантаження, яке забирає занадто багато струму. Це приємний додатковий рівень захисту, який зустрічається не у всіх настінних бородавок, а лише у приємних.

Далі у вас є однофазний роздільний коклюш типу «оболонка», понижуючий трансформатор. Зверніть увагу, котушка дроту в первинній котушці тонша і містить більше витків, ніж вторинна котушка (понижуючий трансформатор).

Повнохвильовий випрямляч із центральним виступом із використанням двох діодів. У блоці також є отвори для кріплення в друкованій платі для, здається, мостового випрямляча для більш високих вихідних напруг з використанням того самого трансформатора. Крім того, є простий конденсатор фільтра для згладжування випрямленого сигналу.

Чому ви отримуєте 10 Вольт на 6В постійного струму?

Коротше кажучи, коли ви вимірюєте напругу розімкнутого ланцюга цього прикладу настінної бородавки 6В, ви отримуєте близько 10В. У цій ситуації через вторинну котушку джерела живлення протікає дуже мало струму і, отже, не надто велике падіння напруги. Коли на виході джерела живлення приєднано навантаження або вашу ланцюг, відбувається падіння напруги. Трансформатор матиме падіння напруги від розімкнутого ланцюга 10 В, згідно із законом Ома.

При більш детальному підході джерело живлення в ідеалі матиме еквівалентну схему Тевеніна (джерело напруги та деякий загальний опір), який приєднаний до навантажувального резистора, що спричиняє падіння напруги. Ось в ідеалі, як виглядає схема з прикріпленим навантаженням:

З цього ви отримуєте цикл KVL з:

V0 є постійним, оскільки існує специфічна напруга, індукована трансформатором. Однак струм навантаження не є постійним.

Вимірювання в розімкнутому контурі (без навантаження) має дуже мало струму, а джерело живлення має по собі невеликий опір (близько 4 Ом), тому струм навантаження, ILoad, помножений на опір Тевеніна, R0, близький до нуля, а навантаження напруга майже еквівалентна напрузі Тевеніна, V0. Ви отримуєте приблизно 10 В з вищенаведеного рівняння.

Скажімо, у вас коротке замикання джерела живлення або ви використовуєте дуже мале навантаження на опір, через струм тепер буде проходити струм. З вищенаведеного рівняння буде виявлено значне падіння напруги на напрузі навантаження.

Ось діаграма різних навантажень на нашому прикладі стінових бородавок на 6 В/300 мА та їх вимірювана пікова напруга, піковий струм, пульсація від піку до піку та відсоток пульсацій у кожному виході (на даний момент ви можете ігнорувати пульсації):

При малих навантаженнях (великих опорах) не відбувається значного падіння напруги, оскільки струму не надходить багато.

При дуже великому навантаженні (малому опорі) виникає купа струму, що протікає, і значне падіння напруги. Крім того, джерело живлення працює за межі номінальної межі, коли навантаження менше 20 Ом, і коробка, яка вставляється в стіну, почне нагріватися. У певний момент термічний відсік розірве з'єднання в первинній котушці, і лише до тих пір, поки коробка не охолоне, термічний відсік дозволить струму.

Але я насправді не звертався до того, чому падає напруга і які механізми викликають падіння напруги?

У наведеному вище рівнянні, якщо замінити цифри джерела живлення в регулюванні (з навантаженням 20 Ом), ви отримаєте.

Проте ми вимірюємо 6,2 В (див. Діаграму вище). Ми знаємо, що внаслідок втрат міді (опір в котушці) спостерігається падіння на 1,2 В (–Iload * R0), а навантаження сприймає струм, але існують інші механізми, які сприяють зменшенню напруги, що залишився. Відбувається падіння напруги через зміни магнітного поля в трансформаторі, що називається втратами заліза. Наведене вище рівняння тепер може читатися:

VLoad = V0 - втрати міді - втрати заліза

Отже, навантаження, прикріплене до джерела живлення, дозволяє струму текти, що, в свою чергу, створює падіння напруги збоку джерела живлення через втрати міді та втрати заліза на трансформаторі.

Пульсація

Почнемо з того, що робить конденсатор і як він впливає на пульсації на виході, оскільки це перша лінія захисту від змінного струму після виправлення зниженого сигналу змінного струму. Випрямлений сигнал без конденсатора в ідеалі буде виглядати так:

У джерелі живлення, показаному в цьому посібнику, є лише один конденсатор фільтра 470 мкФ. Конденсатор фільтра протистоїть змінам напруги і певною мірою згладжує нерівності випрямленого сигналу. Конденсатор, який згладжує сигнал, розряджатиметься і заряджатиметься майже так само швидко, як кожна фаза на 180 градусів (кожне ціле число представляє 180 градусів синусоїди) випрямленого імпульсу. Тож ви отримаєте сигнал, який буде виглядати більш-менш так:

Нерівності тепер напівфільтрованого сигналу називаються пульсаціями.

Оскільки сигнал перебуває у своєму позитивному циклі (позначеному `` а '') вище, конденсатор заряджається через послідовну комбінацію половини вторинної котушки та одного з діодів. Чим менший внутрішній опір блоку живлення, тим швидше заряджається ковпачок.

Розряд конденсатора та нахил лінії (позначений "b") вище залежатимуть від величини конденсатора та опору навантаження, яку ви прикріпили до джерела живлення. Під час цього циклу діод зміщується у зворотному напрямку (струм не буде протікати), а конденсатор буде розряджатися лише через резистор навантаження. Чим більше опір навантаження, тим менший струм навантаження і повільніший розряд ковпачка. Якщо ви подивитесь на діаграму вище, ви побачите зменшення пульсації зі збільшенням опору.

Ось як виглядає справжня пульсація сигналу з резистором навантаження 20 Ом.

20 Ом - це значення для ідеального навантаження, яке дозволить живленню працювати близько до номінального пікового вихідного струму. Вихід осцилографа пікової напруги узгоджується з розрахунком.

R = V/I, де V = 6В та I = 300мА, R = 20Ом

При навантаженні 20 Ом ви побачите близьку до номінальної потужності. Однак сигнал є чим завгодно, але не чистим постійним струмом! Там 2В пульсацій! Для згладжування цієї хвилі для використання в більшості цифрових електронік необхідно використовувати регулятор або додаткову схему фільтра.

Є кілька настінних приладдя, які називаються комутованим режимом і забезпечують більш достатньо регульований вихід, ніж поставки в цьому посібнику. Це означає, що при вимірюванні вихідної напруги обриву ви побачите близьку до вказаної напруги. На даний момент Spark Fun продає лише витратні матеріали.

Підводячи підсумок, на виході, вказаному на коробці вашого джерела живлення, написано 6 В постійного струму 300 мА. У більшості обставин ви не побачите 6 В, 300 мА або хороший сигнал постійного струму. Здається, на блоці має бути щось із написом "Номінальний вихід", а не просто "Вихід" або, принаймні, трохи більше інформації про якість вихідного сигналу, але цього може бути занадто багато, щоб просити про частину електроніки що коштує кілька доларів.

Pop Quiz: Чому сигнал осцилографа становить приблизно 120 Гц, коли змінна напруга від розетки становить 60 Гц?