Konzol Blog (Hifi és ilyesmi)

• A hálózati (A) rész tartalmazza a hálózati csatlakozót, általában egy kapcsolót, egy olvadó biztosítót esetleg valamilyen visszajelző fényt. Figyelni kell a jó védőföldelésre, és a hálózathoz csatlakozó belső vezetékeket  gondosan szigetelni kell megelőzendő a véletlen érintést.

• A transzformátort (B) a kimeneti feszültségnek és áramnak megfelelően kell kiválasztani. Fontos feladata, hogy a hálózattóll galvanikusan elválasztja az áramkör többi részét. A transzformátor primertekercsének több leágazása is lehet az eltérő hálózati feszültségeknek megfelelően, és több a szükséges kimeneti feszültségnek megfelelő szekunder oldali tekercse, leágazása. A primer és a szekunder tekercsek között gyakran rézfóliából készőlt árnyékolás található, amely segít csökkenteni a kapacitív csatolást a hálózaton lévő nagyfrekvenciás zajhoz.

• Az egyenirányító (C) lehet egyszerűen egy soros dióda (ez nem igazán ajánlott), teljes hullámú egyenirányító középleágazásos szekunderrel, vagy teljes (graetz) híd. A tervezés során ki kell választani a diódákat (egyenirányító hidat). A diódák olcsók és kicsik, ezért gyakran a szükségesnél nagyobb teljesítményűeket használnak. Sok hibás tápegység javítása során szerzett tapasztalataim szerint a problémákat általában a dióda meghibásodása okozza, akár a túl nagy áram, akár a hálózati túlfeszültség csúcsok miatt. Ezért célszerű nagy PIV-vel (csúcs inverz feszültség) rendelkező diódát választani. Beültetésekor/szereléskor, célszerű viszonylag hosszú kivezetéseket használni, mivel ezeken disszpálódik el a legtöbb hő. Tápegységeknél gyakori, hogy a kis kondenzátorokat kapcsolnak párhuzamosan a diódákkal a nagyfrekvenciás zavarok csökkentése érdekében.
• A puffer kondenzátor (D) nagyon erősen igénybevett alkatrész. Periódusonként legalább egyszer a szekunder feszültség csúcsáig töltődik (V_sec * 1,414), majd viszonylag gyorsan sül ki a terhelésen át. Az elektrolit kondenzátor (elkó) alapvetően egy tekercs alumínium fólia, elektrolittal töltött házban és híresen hírhedtek a kiszáradásukról és ennek következtében kapacitásvesztésükről. Amennyire csak lehetséges fizikailag jó távol kell kerülniük minden hőforrástól. A tantál kondenzátorok sokkal alacsonyabb ESR-rel (ekvivalens soros ellenállással) rendelkeznek. Gyakran láthatók a feszültség szabályozó áramkörökben. Szereléskor meg kell próbálni az összes föld potenciálú áramköri pontot egyetlen fizikai pontban összekötni. A kondenzátor kivezetése erre jól használható. A (D)  ábrán egy ellenállás is látható, amely kisüti a puffer kondenzátort , amikor a tápegység ki van kapcsolva. A feszültség szabályozónak megfelelő máködésükhöz gyakran szükségük van egy minimális terhelő áramra, amit egy visznylag nagy értkű ellenállással lehet létrehozni ( 1k elég lehet ).

Az alábbi ábrán a zöld görbe a kimeneti hullámformát ábrázolja puffer kondenzátor nélkül, a piros görbe pedig a kondenzátor  félperiódusonkénti föltöltését, majd a terhelő áram általi kisülését ábrázolja. A kapott hullámforma a hullámos feszültség.

• Feszültség szabályozó IC rengeteg féle kapható: soros, sönt, egyszerűbbek és összetettek. Ebben a leírásban két egyszerű integrált áramkörös feszültség szabályozó tervezésére összpontosítunk az egyik 7812 alapú fix kimenű feszültségű a másik pedig  LM317 alapú vltoztatható kimenő feszültségű.

LINEÁRIS TÁPEGYSÉG TERVEZÉSE

A tápegység tervezése olyan, mint héberül olvasni – a végén kell kezdeni, és visszafelé kell haladni. A legfontosabb kiindulási adat a elvárt kimenő feszültség illetve a maximális terhelő áram - azaz mekkora áramot tudjon szolgáltatni a tápegység anélkül, hogy a feszültség csökkenne. Ebben a leírásban 12V-kimenő feszültséggel 1A-terhelhetőséggel és a feszültség szabályzó áramkörön 3V feszültségeséssel számolunk. Minden feszültség szabályozónak szüksége van valamekkora feszültségre a kimenete és a bemente közt a működéséhez. Az adatlapokon általban szerepel ez az érték. Ha nincs megadva, akkor legalább 3 V feszültségeséssel kell számolni, bár sok szabályzónak elegendő 2 V-is.

Ha a kimeneten 12V az elvárás, akkor a puffer kondenzátoron 12+3 = 15V a szükséges minimális feszültség. A kondenzátor töltődik és kisül, azaz a rajta lévő feszültségnek van egy AC komponense, ezt a hullámosság a  búgó feszültség (V_ripple ). Minél nagyobb áramot veszünk ki a kondenzátorból, annál nagyobb ez a hullámosság. A puffer kondenzátoron 10% búgó feszültséget, azaz 1,2Vpp-t megengedve a szükséges kondenzátor kapacitása az alábbi összefüggéssel számolható:

ahol f értéke 50 vagy 60 a hálózati frekvenciától függően.

I_{load a terhelő áram}

V_ripple a búgó feszültség 

A példa tápegységünkhöz szükséges kapacitás:

Visszafelé haladva nézzük a diódákat! Mivel a diódák nem csak a terhelés áramát, hanem a kondenzátor töltőáramát is szolgáltatják, nagyobb az áramterhelésük, mint a kimenet árama. Graetz hídban az áramerősség 1,8 x I_load . középleágazásos kapcsolásnál 1,2 x I _load . Ezeket figyelembe véve példánkban legalább 2A-es diódákat kell használni.

Ezzel eljutottunk a transzformátor szekunderéhez és annak névleges feszültségéhez. Minden robusztus rendszerben figyelembe kell venni a tűréseket. Ha csak a minimális tervezési követelményeknek akarjunk megfelelni, akkor a feszültség szabályozó bemeneti feszültsége a szükséges minimum alá csökkenhet a hálózati feszültség csökkenésekor. Általában a hálózati feszóltség ±10%-os változásával számolhatunk  azaz 230V-os hálózat esetén a fwszültség akár 207 V-ra is csökkenhet és 253V-ra is nőhet.

Így a szekunder feszültség szükséges a következő:

ahol

0,92 a transzformátor hatásfoka

0,707 =1/√2

V_reg a feszültség szabályozó feszültségesése 

V_rect a diódákon eső feszültség, ami 2x0,7 a középleágazásos áramkörnél és 4x0,7 graetz híd esetében. 

V_ripple a 12V 10%-a, vagyis 1,2V.

V _sec = 15,03 V

A 15V azt jelenti,  hogy nincs szükség speciális  transzformátorra. Ha nem lehet megfelelő szekunderű transzformátort találni akkor  magasabb szekunder feszültségűt kell választani. Ez azzaljár, hogy a szabályozóra nagyobb feszültség jut, és ennek eredményeként nagyobb lesz a disszipációja.

Az utolsó dolog, amit meg kell határozni, a transzformátor teljesítménye VA-ban. Gyakori hiba a szükséges teljestményt a kimeneti teljesítményből számolni

VA =V_sec xI _load , azaz 15x1 = 15VA. 

Nem szabad elfelejteni, hogy a transzformátor a kondenzátort is tölti, így konfigurációtól függően az 1,2 vagy 1,8 x I_{load  elég} nagy különbség!, Jelen esetben 1,8 x 1 x 15 = 27VA.

Ezzel a  tervezés tulajdonképp kész. Egy nyitott kérdés maradt: Mi a helyzet az olvadó biztosítóval? Ez önmagában egy egész tudomány, de ennél az egyszerű tápegységnél az transzormátor névleges primer áramának a kétszeresére kiolvadó biztosító megfelelő lehet. Azaz VA=27 és a hálózati V_{in =}230V és

I = 2x27/230 = 250mA.

Adjunk hozzá néhány alkatrészt a feszültség szabályozóhoz:

A C1 értékére 4200 uF-ot számoltunk. A feszültség szabályozó eltávolítja a brummfeszültség nagy részét, kisebb kondenzátor is megfelelhet. A számított érték fele 2200uF akár jó választás lehet. A C2 és C3 célja, hogy biztosítsa a szályzó IC stabilitását és csökkentse a zajt. A National Linear általában a C2-re 10uF-ot, a C1-re pedig 1uF-ot ajánl. Ideális esetben ezek tantál kondenzátorok. Alu elkók használata esetén célszerű dupla kapacitású  kondenzátorokat használni.

A D3-at gyakran figyelmen kívül hagyják, de fontosak. Ha rövidzárlat van a szabályozó bemenetén, a terhelő áramkör föltöltött kondenzátorai beleértve a C3-at is fordított polaritású feszültséget juttatnak a feszszabályzóra jó eséllyel tönkretéve azt. A D3 megvédi az IC-t söntölve a fordtott polaritású feszültséget.

A fix kimenő feszültségű szabályozót egy állíthatóra cserélve - legyen az a népszerű és könnyen használható LM317 - , valamint adjuk hozzá a kiegészítő negatív kimenő feszültségű LM337-et, hogy kettős állítható kimenő tápegységet készítsünk. Középleágazású  transzformátort, valamint graetz hídas egyenirányítót használtunk. A következő megjegyzések ugyanúgy vonatkoznak a tápegység negatív felére. Már csak az R6 és az R7 értékét kell meghatározni.

Ha R6 = 220, akkor a V_max és V_min közötti tetszőleges feszültség esetén R7 = (176 x V_out ) – 220. TAzaz 9 V kimenő feszültséghez:

R7 = 176 x 9 – 220 = 1k4.

Egy körülbelül 5-10 000 (lineáris) sztereo potméterrel megoldható mindkét oldal kimenő feszültségének egyidejű beállítása. Egy 25/0/25 szekunder feszültségű transzformátor megfelelő választás lehet. A C8 és C9 zajszűrést biztosít, és 10uF elegendő. C10 és C11 értéke 1 uF, a C4 és C7 pedig 1000 uF. A minimális kimeneti feszültség körülbelül 1,25 V.