Nivel de abilități: începător

de | 08 august 2008 | 28 de comentarii

Introducere

Hei! De ce negul meu de perete de 9V produce 14V?!

Am scris acest tutorial pentru a vă arăta interiorul unui neg de perete și pentru a explica de ce uneori puteți măsura o tensiune mai mare decât cea specificată pe eticheta negului de perete.

Pe o sursă de alimentare nereglementată, negi de perete, adaptor de curent alternativ, cărămidă sau orice altceva doriți să o numiți, vedeți de obicei două specificații:

INTRARE: AC 120V 60Hz 6W
IEȘIRE: DC 6V 300mA

Specificațiile de intrare sunt directe, atâta timp cât vă aflați în SUA folosind alimentarea de la o priză obișnuită de perete. Dar despre ieșire?

Dacă măsurați ieșirea în circuit deschis cu un multimetru pe un dispozitiv care specifică ieșirea așa cum se arată mai sus, ce credeți că ar trebui să obțineți?

Răspuns mut: aproximativ 6V și cel puțin 300mA. Dreapta. GRESIT!

De fapt, veți obține adesea o tensiune mult mai mare. Tensiunea mai mare poate face ravagii în sistemul dvs. dacă nu intenționați pentru aceasta. Acest comportament de la o sursă nereglementată este normal și în acest tutorial veți afla de ce specificațiile de ieșire nu se află aproape de ieșirea reală a circuitului deschis. În plus, voi arăta cât de nereglementată este cu adevărat aprovizionarea. Ieșirea spune DC, dar în unele circumstanțe, ieșirea poate fi departe de DC pură.

Curajul sursei de alimentare nereglementată

Să ne uităm mai întâi la internele unei surse de alimentare nereglementate. Acum, nu voi trece în revistă funcționalitatea în detaliu a fiecărei componente, există o grămadă de resurse pe web care descriu modul în care funcționează aceste lucruri. Iată schema și o scurtă descriere a componentelor pe care le-ați putea găsi:

nereglementată

Aceasta este schema pentru sursa de alimentare pe care am desfăcut-o. În stânga este locul în care conectați unitatea la perete și în dreapta este locul în care conectați unitatea la intrarea de alimentare a sistemului.

Semnalul de curent alternativ al prizei de perete va vedea mai întâi un circuit de întrerupere termic utilizat pentru a proteja alimentarea dacă există o sarcină mare atașată care atrage prea mult curent. Acesta este un nivel de protecție adăugat frumos care nu se găsește în toate negii de perete, ci doar în cele frumoase.

Apoi, aveți o singură fază, bobină divizată de tip shell (bobină shell), transformator cu trepte. Observați că bobina de sârmă din bobina primară este mai subțire și conține mai multe rotații decât bobina secundară (transformator descendent).

Un redresor centrat cu undă completă utilizând două diode. Alimentarea are, de asemenea, găuri de montare în PCB pentru ceea ce pare a fi un redresor de punte pentru tensiuni de ieșire mai mari utilizând același transformator. În plus, există un condensator simplu de filtrare pentru a netezi semnalul rectificat.

De ce obțineți 10 volți la o sursă de 6VDC?

Pe scurt, atunci când măsurați tensiunea în circuit deschis a acestui exemplu negii de perete de 6V, obțineți aproximativ 10V. În această situație, curentul curge foarte puțin prin bobina secundară a sursei de alimentare și, prin urmare, nu scade prea mult tensiunea. Când o sarcină sau circuitul dvs. este atașat la ieșirea sursei, există o cădere de tensiune. Transformatorul va avea o cădere de tensiune de la circuitul deschis 10V, conform Legii lui Ohm.

Într-o abordare mai detaliată, sursa de alimentare va avea în mod ideal un circuit echivalent Thevenin (o sursă de tensiune și o anumită rezistență generală), care este atașat la un rezistor de sarcină care provoacă o cădere de tensiune. Iată în mod ideal cum arată circuitul cu o sarcină atașată:

Din aceasta obțineți o buclă KVL de:

V0 este constant, deoarece există o tensiune specifică indusă de transformator. Cu toate acestea, curentul de încărcare nu este constant.

O măsurătoare cu circuit deschis (fără sarcină) curge foarte puțin și curentul de alimentare are în mod inerent o rezistență mică (aproximativ 4 Ohmi), astfel încât curentul de sarcină, ILoad, înmulțit cu rezistența Thevenin, R0, este aproape de zero și sarcina tensiunea este aproape echivalentă cu tensiunea Thevenin, V0. Obțineți aproximativ 10V din ecuația de mai sus.

Să presupunem că scurtcircuitați sursa de alimentare sau că utilizați o sarcină de rezistență foarte mică, o grămadă de curent va curge acum prin circuit. Din ecuația de mai sus, va exista o scădere semnificativă de tensiune detectată la tensiunea de sarcină.

Iată o diagramă a sarcinilor variabile pe verucile noastre de perete de 6V/300mA și tensiunea de vârf măsurată, curentul de vârf, vârful până la vârful ondulării și procentul de ondulare în fiecare ieșire (puteți ignora ondularea, deocamdată):

La sarcini mici (rezistențe mari), nu există o cădere substanțială de tensiune, deoarece nu curge prea mult curent.

La o sarcină foarte mare (rezistență mică), există o grămadă de curent care curge și o cădere semnificativă de tensiune. De asemenea, sursa de alimentare trece mult peste limita nominală atunci când sarcina este sub 20 Ohmi și cutia care se conectează la perete va începe să se încălzească. La un moment dat, întreruperea termică va întrerupe conexiunea din bobina primară și nu până când cutia se răcește, întreruperea termică va permite trecerea curentului.

Dar nu am abordat de fapt de ce scade tensiunea și care sunt mecanismele care cauzează scăderea tensiunii?

În ecuația de mai sus, dacă înlocuiți numerele pentru sursa de alimentare în reglare (cu o sarcină de 20 ohmi) veți obține.

Cu toate acestea, măsurăm 6.2V (a se vedea graficul de mai sus). Știm că există o scădere de 1,2 V (–ILoad * R0) din pierderile de cupru (rezistență în bobină) și sarcina atrage curentul, dar există și alte mecanisme care contribuie la căderea de tensiune rămasă. Există o cădere de tensiune datorită modificărilor câmpului magnetic din cadrul transformatorului numite pierderi de fier. Ecuația de mai sus poate citi acum:

VLoad = V0 - pierderi de cupru - pierderi de fier

Deci, sarcina atașată la sursa de alimentare permite curgerea curentului, ceea ce la rândul său creează o cădere de tensiune în partea sursei de alimentare din cauza pierderilor de cupru și a pierderilor de fier pe transformator.

Clipoci

Să începem cu ceea ce face condensatorul și cum afectează ondularea în ieșire, deoarece aceasta este prima linie de apărare de la AC după rectificarea semnalului AC redus. Semnalul rectificat fără condensator va arăta în mod ideal astfel:

În sursa de alimentare prezentată în acest tutorial, există un singur condensator de filtru de 470uF. Condensatorul filtrului se opune schimbărilor de tensiune și va netezi într-o anumită măsură umflăturile semnalului rectificat. Un condensator care va netezi semnalul se va descărca și se va încărca aproape la fel de repede ca fiecare fază de 180 de grade (fiecare număr întreg de mai sus reprezintă 180 de grade ale unei unde sinusoidale) a impulsului rectificat. Deci, veți primi un semnal care va arăta mai mult sau mai puțin așa:

Denivelările din semnalul semifiltrat de acum sunt numite ripple.

Deoarece semnalul se află în ciclul său pozitiv (indicat prin „a”) de mai sus, condensatorul se încarcă prin combinația în serie a jumătății bobinei secundare și a uneia din diode. Cu cât rezistența internă a sursei de alimentare este mai mică, cu atât capacul se va încărca mai repede.

Descărcarea condensatorului și panta liniei (indicate prin „b”) de mai sus, vor depinde de valoarea condensatorului și de rezistența sarcinii pe care ați atașat-o la sursa de alimentare. În timpul acestui ciclu, dioda este inversată polarizată (nu va curge curent) și condensatorul se va descărca numai prin rezistorul de sarcină. Cu cât rezistența sarcinii este mai mare, cu atât curentul de sarcină este mai mic și descărcarea capacului este mai lentă. Dacă vă uitați la graficul de mai sus, veți vedea o diminuare a creșterii odată cu creșterea rezistenței.

Iată cum arată ondulația reală pe semnal cu un rezistor de încărcare de 20 Ohm.

20 Ohmi este aproximativ valoarea pentru sarcina ideală care va lăsa alimentarea funcționând aproape de puterea nominală de curent nominală. Ieșirea osciloscopului tensiunii de vârf este de acord cu calculul.

R = V/I, unde V = 6V și I = 300mA, R = 20Ohms

Cu o sarcină de 20 Ohm veți vedea aproape de ieșirea nominală. Cu toate acestea, semnalul este orice altceva decât DC pur! Există 2V de ondulare! Pentru a aplana această undă trebuie utilizat un regulator sau un circuit de filtrare suplimentar pentru a fi utilizat în majoritatea electronice digitale.

Există unele consumabile de perete care se numesc mod comutat și oferă o ieșire mai suficient de reglementată decât sursa de alimentare din acest tutorial. Aceasta înseamnă că atunci când măsurați ieșirea în circuit deschis, veți vedea aproape de tensiunea specificată. Spark Fun vinde în prezent numai consumabile în mod comutat.

Pentru a rezuma, ieșirea listată pe cutia sursei de alimentare spune 6V 300mA DC. În majoritatea circumstanțelor, nu veți vedea 6V, 300mA sau un semnal DC bun. Se pare că ar trebui să existe ceva în sursă care să spună „Ieșire nominală” în loc de doar „Ieșire” sau cel puțin puține informații suplimentare despre calitatea semnalului de ieșire, dar ar putea fi prea mult pentru a cere o piesă electronică asta costă câțiva dolari.

Pop Quiz: De ce semnalul osciloscopului este de aproximativ 120Hz când AC de la priza de perete este de 60Hz?