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Alimentatori per laboratorio domestico
Vedi la prima parte dell'articolo qui: Alimentatori per dispositivi elettronici
In termini di tutto ciò che è stato detto sopra, sembra essere il più ragionevole e meno costoso produzione di alimentatori per trasformatori. Un trasformatore pronto pronto per l'alimentazione di strutture a semiconduttore può essere selezionato tra vecchi registratori a nastro, televisori a tubo, altoparlanti a tre programmi e altre apparecchiature obsolete. I trasformatori di rete pronti sono venduti nei mercati radio e nei negozi online. Puoi sempre trovare l'opzione giusta.
Esternamente, il trasformatore è un nucleo a forma di W fatto di fogli di acciaio speciale per trasformatori. Sul nucleo è una cornice di plastica o cartone su cui si trovano gli avvolgimenti. Le piastre sono solitamente verniciate in modo tale che non vi sia alcun contatto elettrico tra loro. In questo modo combattono le correnti parassite o le correnti di Foucault. Queste correnti riscaldano il nucleo, è solo una perdita.
Per gli stessi scopi, il ferro del trasformatore è costituito da grandi cristalli, anch'essi isolati l'uno dall'altro da pellicole di ossido. Su ferro trasformatore di dimensioni molto grandi, questi cristalli sono visibili ad occhio nudo. Se tale ferro viene tagliato con le forbici da tetto, il taglio ricorda una lama per metallo per seghetto, contiene piccoli chiodi di garofano.
Il trasformatore nell'alimentatore svolge due funzioni contemporaneamente. In primo luogo, si tratta di una diminuzione della tensione di rete al livello desiderato. In secondo luogo, fornisce l'isolamento galvanico dalla rete: gli avvolgimenti primario e secondario non sono collegati tra loro, la resistenza elettrica è idealmente infinita. Il collegamento degli avvolgimenti primario e secondario viene effettuato attraverso un campo magnetico alternato del nucleo creato dall'avvolgimento primario.
Design del trasformatore semplificato
Quando acquisti o ricarichi un trasformatore, dovresti essere guidato dai seguenti parametri, che sono espressi solo da quattro formule.
Il primo di essi può essere chiamato la legge della trasformazione.
U1 / U2 = n1 / n2 (1),
Un semplice esempio Poiché questo è solo un trasformatore di rete, la tensione sull'avvolgimento primario sarà sempre 220V. Supponiamo che l'avvolgimento primario contenga 220 giri e i 22 giri secondari. Questo è un trasformatore abbastanza grande, quindi ha pochi giri per un volt.
Se una tensione di 220 V viene applicata all'avvolgimento primario, l'avvolgimento secondario produrrà 22 V, che corrisponde pienamente al coefficiente di trasformazione n1 / n2, che nel nostro esempio è 10. Supponiamo che un carico che consuma esattamente 1A di corrente sia incluso nell'avvolgimento secondario. Quindi la corrente primaria sarà 0,1A, poiché le correnti sono nel rapporto inverso.
La potenza consumata dagli avvolgimenti: per il secondario 22V * 1A = 22W e per il primario 220V * 0,1A = 22W. Questo calcolo mostra che la potenza degli avvolgimenti primario e secondario è uguale. Se ci sono diversi avvolgimenti secondari, quindi quando si calcola la loro potenza, è necessario aggiungerlo, questa sarà la potenza dell'avvolgimento primario.
Dalla stessa formula deriva che è molto semplice determinare il numero di giri per volt: è sufficiente avvolgere un avvolgimento di prova, ad esempio 10 giri, misurare la tensione su di esso, dividere il risultato per 10. Il numero di giri per volt aiuterà molto quando è necessario avvolgere l'avvolgimento tensione. Va notato che gli avvolgimenti devono essere avvolti con un certo margine, tenendo conto della tensione di "cedimento" sugli avvolgimenti stessi e sugli elementi di regolazione degli stabilizzatori. Se la tensione minima richiede 12 V, l'avvolgimento può essere valutato a 17 ... 18 V. La stessa regola dovrebbe essere osservata quando si acquista un trasformatore finito.
La potenza totale del trasformatore viene calcolata come la somma delle capacità di tutti gli avvolgimenti secondari, come descritto sopra. Sulla base di questo calcolo, è possibile scegliere un nucleo adatto, o meglio la sua area. La formula per scegliere l'area centrale:.
Qui S è l'area centrale in centimetri quadrati e P è la potenza di carico totale in watt. Per un nucleo a forma di W, l'area è la sezione trasversale dell'asta centrale su cui sono situati gli avvolgimenti e, per una sezione trasversale toroidale, il toro. In base all'area del nucleo calcolata, è possibile selezionare il ferro del trasformatore appropriato.
Il valore calcolato dovrebbe essere arrotondato al valore standard più grande più vicino. Anche tutti gli altri valori calcolati nel processo di calcolo vengono arrotondati. Se, supponiamo, la potenza è di 37,5 watt, quindi viene arrotondata fino a 40 watt.
Dopo che l'area del nucleo è diventata nota, è possibile calcolare il numero di giri nell'avvolgimento primario. Questa è la terza formula di calcolo.
Qui n1 è il numero di giri dell'avvolgimento primario, U1 - 220 V - tensione dell'avvolgimento primario, S è l'area del nucleo in centimetri quadrati. Un coefficiente empirico di 50, che può variare entro determinati limiti, merita un'attenzione particolare.
Se è necessario che il trasformatore non entri in saturazione, non crei interferenze elettromagnetiche non necessarie (particolarmente rilevanti per le apparecchiature di riproduzione del suono), questo coefficiente può essere aumentato a 60. In questo caso, il numero di spire negli avvolgimenti aumenterà, la modalità operativa del trasformatore sarà facilitata, il nucleo non sarà più in grado di entrare in saturazione. La cosa principale è che tutti gli avvolgimenti si adattano.
Dopo aver determinato la potenza del trasformatore, vengono calcolati i giri e le correnti negli avvolgimenti, è tempo di determinare la sezione trasversale del filo degli avvolgimenti. Si presume che gli avvolgimenti siano avvolti con un filo di rame. Questo calcolo aiuterà a soddisfare la formula:
Qui, di mm, Ii A, rispettivamente, il diametro del filo e la corrente dell'i-esimo avvolgimento. Anche il diametro del filo calcolato deve essere arrotondato al valore standard più grande più vicino.
Questo è in realtà l'intero calcolo semplificato di un trasformatore di rete, per scopi pratici anche molto sufficienti. Tuttavia, va notato che questo calcolo è valido solo per i trasformatori di rete che funzionano a una frequenza di 50 Hz. Per i trasformatori realizzati su nuclei di ferrite e che funzionano ad alta frequenza, il calcolo viene eseguito utilizzando formule completamente diverse, tranne forse il coefficiente di trasformazione secondo la formula 1.
Dopo che il trasformatore è stato progettato, avvolto o appena acquistato della giusta dimensione, puoi iniziare a produrre un alimentatore, senza il quale nessun circuito può fare.
Alimentatori non stabilizzati
Il circuito più semplice è alimentatori non stabilizzati. Sono usati abbastanza spesso in vari design, il che semplifica il circuito senza comprometterne la funzionalità. Ad esempio, potente amplificatori audio molto spesso sono alimentati da una fonte non stabilizzata, poiché è quasi impossibile notare ad orecchio che la tensione di alimentazione è cambiata di 2 ... 3 volt. Inoltre, non vi è alcuna differenza a quale tensione funzionerà il relè: se solo funzionasse, e in futuro non si esaurirà.
Gli alimentatori non stabilizzati sono semplici, il circuito è mostrato nella Figura 1.
Un ponte raddrizzatore con diodi è collegato all'avvolgimento secondario del trasformatore. Sebbene ci siano molti circuiti raddrizzatori, un circuito a ponte è il più comune. All'uscita del ponte si ottiene una tensione pulsante con una frequenza raddoppiata della rete, tipica per tutti i circuiti dei raddrizzatori a semionda (Figura 2, curva 1).
Naturalmente, una tale tensione di ondulazione non è adatta per alimentare i circuiti a transistor: immagina come l'amplificatore ruggirà con tale potenza! Per uniformare l'ondulazione a un valore accettabile, i filtri sono installati all'uscita del raddrizzatore (Figura 2, curva 2).Nel caso più semplice, potrebbe essere condensatore elettrolitico ad alta capacità. Quanto sopra è illustrato nella Figura 2.
Il calcolo della capacità di questo condensatore è piuttosto complicato, quindi è possibile raccomandare i valori testati nella pratica: per ogni ampere di corrente nel carico, è richiesta una capacità del condensatore di 1000 ... 2000 μF. Un valore di capacità inferiore è valido per il caso in cui si propone di utilizzare uno stabilizzatore di tensione dopo il ponte raddrizzatore.
All'aumentare della capacità del condensatore, l'ondulazione (Figura 2, curva 2) diminuirà, ma non scomparirà affatto. Se l'ondulazione è inaccettabile, è necessario introdurre stabilizzatori di tensione nel circuito di alimentazione.
Alimentazione bipolare
Nel caso in cui la sorgente sia richiesta per ottenere una tensione bipolare, il circuito dovrà essere leggermente modificato. Il ponte rimarrà lo stesso, ma l'avvolgimento secondario del trasformatore dovrebbe avere un punto medio. Condensatori di livellamento ce ne saranno già due, ciascuno per la propria polarità. Tale schema è mostrato nella Figura 3.
Il collegamento degli avvolgimenti secondari deve essere in serie - consonante - l'inizio dell'avvolgimento III è collegato alla fine dell'avvolgimento II. I punti segnano, di regola, l'inizio degli avvolgimenti. Se il trasformatore industriale e tutte le uscite sono numerati, puoi aderire a questa regola: tutti i numeri dispari dei terminali sono l'inizio degli avvolgimenti, rispettivamente, pari - le estremità. Cioè, con una connessione seriale, è necessario collegare l'uscita pari di un avvolgimento con l'uscita dispari di un altro. Naturalmente, in nessun caso è possibile cortocircuitare i risultati di un avvolgimento, ad esempio 1 e 2.
Alimentatori stabilizzati
Ma abbastanza spesso, gli stabilizzatori di tensione sono indispensabili. Il più semplice è stabilizzatore parametricoche contiene solo tre parti. Dopo il diodo zener, viene installato un condensatore elettrolitico, il cui scopo è appianare le pulsazioni residue. Il suo circuito è mostrato in Figura 4.
In generale, questo condensatore è installato anche all'uscita stabilizzatori di tensione integrati tipo LM78XX. Ciò è richiesto anche dalle specifiche tecniche (scheda tecnica) per stabilizzatori di microcircuiti.
Uno stabilizzatore parametrico può fornire fino a diversi milliampere di corrente nel carico, in questo caso circa venti. Nei circuiti dei dispositivi elettronici, un tale stabilizzatore viene usato abbastanza spesso. Coefficiente di stabilizzazione (rapporto tra la variazione della tensione di ingresso in %% e la variazione di uscita, anche in %%) di tali stabilizzatori, di norma non più di 2.
Se lo stabilizzatore parametrico è integrato seguace dell'emettitore, con un solo transistor, come mostrato nella Figura 5, le capacità dello stabilizzatore parametrico diventeranno molto più elevate. Il coefficiente di stabilizzazione di tali schemi raggiunge un valore di 70.
Con i parametri indicati nello schema e la corrente di carico 1A, sul transistor verrà dissipata una potenza sufficiente. Tale potenza viene calcolata come segue: la differenza di tensione del collettore-emettitore viene moltiplicata per la corrente di carico. In questo caso, questa è la corrente del collettore. (12V - 5V) * 1A = 7W. Con tale potenza, il transistor dovrà essere posizionato sul radiatore.
La potenza fornita al carico sarà solo 5 V * 1 A = 5 W. I numeri mostrati nella Figura 5 sono abbastanza sufficienti per fare un tale calcolo. Pertanto, l'efficienza di una fonte di alimentazione con un tale stabilizzatore con una tensione di ingresso di 12V è solo del 40% circa. Per aumentarlo leggermente, è possibile ridurre la tensione di ingresso, ma non meno di 8 volt, altrimenti lo stabilizzatore smetterà di funzionare.
Per assemblare uno stabilizzatore di tensione di polarità negativa, nel circuito considerato è sufficiente sostituire il transistor di conducibilità n-p-n con la conduttività p-n-p, modificare la polarità del diodo zener e la tensione di ingresso. Ma tali circuiti sono già diventati un anacronismo, non sono attualmente utilizzati, sono stati sostituiti da regolatori di tensione integrati.
Sembrava che fosse sufficiente completare il circuito considerato nella versione integrata e tutto sarebbe stato in ordine. Ma gli sviluppatori non hanno iniziato a ripetere lo schema inefficace, la sua efficienza è troppo piccola e la stabilizzazione è bassa. Per aumentare il coefficiente di stabilizzazione, è stato introdotto un feedback negativo nei moderni stabilizzatori integrali.
Tali stabilizzatori sono stati sviluppati su amplificatori operazionali di uso generale, mentre il progettista e sviluppatore di circuiti R. Widlar non ha proposto di integrare questo amplificatore operazionale nello stabilizzatore. Il primo stabilizzatore di questo tipo è stato il leggendario UA723, che ha richiesto un certo numero di parti aggiuntive durante l'installazione.
Una versione più moderna di stabilizzatori integrali sono Stabilizzatori serie LM78XX per tensione di polarità positiva e LM79XX per negativo. In questa marcatura 78, questo è in realtà il nome del microcircuito - stabilizzatore, le lettere LM davanti ai numeri possono essere diverse, a seconda del particolare produttore. Invece delle lettere XX, vengono inseriti dei numeri che indicano la tensione di stabilizzazione in volt: 05, 08, 12, 15, ecc. Oltre alla stabilizzazione della tensione, i microcircuiti offrono protezione contro i cortocircuiti nel carico e protezione termica. Proprio quello che è necessario per creare un alimentatore da laboratorio semplice e affidabile.
L'industria elettronica domestica produce tali stabilizzatori con il marchio KR142ENXX. Ma i segni sono sempre crittografati con noi, quindi la tensione di stabilizzazione può essere determinata solo come riferimento o memorizzata come poesie a scuola. Tutti questi stabilizzatori hanno un valore di tensione di uscita fisso. Uno schema elettrico tipico per gli stabilizzatori serie 78XX è mostrato nella Figura 6.
Tuttavia, possono anche essere utilizzati per creare fonti regolamentate. Un esempio è lo schema mostrato in Figura 7.
Lo svantaggio del circuito può essere considerato che la regolazione viene eseguita non da zero, ma da 5 volt, cioè dal microcircuito di stabilizzazione della tensione. Non è chiaro perché i cavi dello stabilizzatore siano numerati come 17, 8, 2, quando in realtà ce ne sono solo tre!
E la Figura 9 mostra come assemblare un alimentatore regolabile basato sull'originale LM317 borghese, che può essere usato come laboratorio.
Se è necessaria una fonte regolata bipolare, è più semplice assemblare due stabilizzatori identici in un alloggiamento, alimentandoli da diversi avvolgimenti del trasformatore. Allo stesso tempo, emettere l'uscita di ciascuno stabilizzatore sul pannello anteriore dell'unità con terminali separati. Sarà possibile cambiare la tensione semplicemente con i ponticelli.
Boris Aladyshkin
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