DESEÑO BÁSICO DA FONTE DE ALIMENTACIÓN ANALÓXICA

Hai o vello dito: "Podes darlle un peixe a un home e comerá por un día ou podes ensinarlle a un home a pescar e comerá para sempre". Hai moitos artigos que dan ao lector un deseño específico para construír unha fonte de alimentación, e non hai nada de malo con estes deseños de libros de cociña. Adoitan ter un rendemento moi bo. Non obstante, non ensinan aos lectores a deseñar unha fonte de alimentación por si mesmos. Este artigo de dúas partes comezará desde o principio e explicará todos os pasos necesarios para construír unha fonte de alimentación analóxica básica. O deseño centrarase no omnipresente regulador de tres terminais e incluirá unha serie de melloras no deseño básico.

Sempre é importante lembrar que a fonte de alimentación, xa sexa para un produto en particular ou como un equipo de proba xeral, ten o potencial de electrocutar ao usuario, provocar un incendio ou destruír o dispositivo que está a alimentar. Obviamente, estas non son cousas boas. Por ese motivo, é fundamental abordar este deseño de forma conservadora. Proporciona moita marxe para os compoñentes. Unha fonte de alimentación ben deseñada é aquela que nunca se nota.

CONVERSIÓN DE POTENCIA DE ENTRADA

A figura 1 mostra o deseño fundamental dunha fonte de alimentación analóxica típica. Consta de tres compoñentes principais: conversión e acondicionamento da potencia de entrada; rectificación e filtrado; e regulación. A conversión de potencia de entrada é normalmente un transformador de potencia e é o único método considerado aquí. Non obstante, hai un par de puntos que é importante mencionar.

FIGURA 1. Unha fonte de alimentación analóxica básica consta de tres partes. Os dous primeiros son discutidos neste artigo e o último na seguinte entrega.

---

O primeiro é que 117 VAC (Volts Alternating Current) é realmente unha medida RMS (Root Mean Square). (Ten en conta que vin a potencia doméstica normal especificada en calquera lugar entre 110 VAC e 125 VAC. Acabo de medir a miña e atopei que era precisamente 120.0 VAC.) Unha medida RMS dunha onda sinusoidal é moito menor que a tensión de pico real e representa a tensión DC (corrente continua) equivalente necesaria para proporcionar a mesma potencia.

a conversión RMS varía segundo a forma da onda; para unha onda sinusoidal, o valor é 1.414. Isto significa que a desviación ao redor dos cero voltios é en realidade de 169.7 voltios (para a miña alimentación de 120 VCA). A potencia vai de -169.7 voltios a +169.7 voltios cada ciclo. Polo tanto, a tensión de pico a pico é en realidade de 339.4 voltios.

Esta tensión faise especialmente importante cando se engaden capacitores de derivación ás liñas eléctricas principais para suprimir o ruído que entra ou sae da fonte de alimentación (unha situación común). Se pensas que a tensión real é de 120 voltios, podes usar capacitores de 150 voltios. Como podes ver, isto non é correcto. A tensión de traballo segura mínima para os teus capacitores é de 200 voltios (250 voltios é mellor). Non esquezas que se esperas ver ruído/picos na liña, cómpre engadir esa tensión de ruído/pico á tensión máxima.

A frecuencia de entrada é universalmente de 60 Hz nos EUA. En Europa, os 50 Hz son comúns. Os transformadores clasificados para 60 Hz xeralmente funcionarán ben en 50 Hz e viceversa. Ademais, a estabilidade de frecuencia da liña eléctrica adoita ser excelente e raramente é unha consideración. En ocasións, pode atopar transformadores de 400 Hz dispoñibles. Estes son normalmente dispositivos militares ou aeronáuticos e xeralmente non son axeitados para o seu uso con potencia de 50/60 Hz (ou viceversa).

A saída do transformador tamén se especifica como unha tensión RMS. Ademais, a tensión especificada é a tensión mínima esperada a plena carga. A miúdo hai un aumento dun 10% na potencia nominal sen carga. (O meu transformador de 25.2 voltios/dous amperes mide 28.6 voltios sen carga.) Isto significa que a tensión de saída real sen carga/pico para o meu transformador de 25.2 voltios é de 40.4 voltios. Como podes ver, sempre é importante lembrar que as tensións RMS nominales para a enerxía de CA son substancialmente inferiores ás tensións de pico reais.

A Figura 2 ofrece un deseño típico de conversión e acondicionamento da potencia de entrada. Prefiro usar un interruptor bipolar aínda que non é absolutamente necesario. Protexe contra tomas eléctricas mal cableadas (o que é raro hoxe en día) ou cables de alimentación mal cableados na propia fonte de alimentación (moito máis común). É vital que cando o interruptor de alimentación está apagado, o cable quente estea desconectado da fonte de alimentación.

FIGURA 2. O condicionamento de entrada é bastante básico, pero hai que lembrar que a tensión RMS non é a mesma que a tensión de pico. A tensión máxima de 120 VAC RMS é duns 170 voltios.

---

O fusible (ou interruptor automático) é necesario. O seu principal obxectivo é previr incendios xa que sen el, un transformador ou un curtocircuito primario permitirá o paso de correntes masivas facendo que as pezas metálicas se poñan vermellas ou mesmo brancas. Normalmente é un tipo de golpe lento clasificado en 250 voltios. A clasificación actual debería ser aproximadamente o dobre do que o transformador pode esperar.

Por exemplo, o transformador de dous amperes de 25.2 voltios mencionado anteriormente consumirá uns 0.42 amperios de corrente primaria (25.2 voltios/120 voltios x dous amperios). Polo tanto, un fusible dun amperio é razoable. Un fusible no secundario será discutido no seguinte artigo.

Os capacitores de derivación axudan a filtrar o ruído e son opcionais. Dado que a tensión máxima é duns 170 voltios, unha clasificación de 250 voltios é mellor que unha clasificación marxinal de 200 voltios. Pode querer usar un "filtro de entrada de enerxía". Hai moitos tipos destas unidades. Algúns conteñen un conector de alimentación estándar, un interruptor, un portafusibles e un filtro nun pequeno paquete. Outros poden ter só algúns destes compoñentes. Normalmente, os que teñen todo son bastante caros, pero as unidades excedentes adoitan atoparse a prezos moi razoables.

Poder determinar se o circuíto primario está alimentado é importante polo que se utiliza unha luz piloto. Móstranse dous circuítos típicos. A lámpada de neón úsase durante décadas. É sinxelo e barato. Ten os inconvenientes de que é algo fráxil (sendo de vidro); pode parpadear se a resistencia é demasiado grande; e realmente pode xerar algún ruído eléctrico (debido á repentina ruptura iónica do gas neón).

O circuíto LED tamén require unha resistencia limitadora de corrente. A 10,000 hms, prodúcese uns 12 mA de corrente. A maioría dos LED están clasificados para unha corrente máxima de 20 mA, polo que 12 mA son razoables. (Os LED de alta eficiencia poden funcionar satisfactoriamente con só 1 ou 2 mA, polo que a resistencia pode aumentarse segundo sexa necesario).

Teña en conta que os LED teñen voltaxes de avaría inversa moi pobres (normalmente de 10 a 20 voltios). Por ese motivo, é necesario un segundo díodo. Este debe poder funcionar con polo menos 170 voltios de PIV (Peak Inverse Voltage). O estándar 1N4003 está clasificado en 200 PIV, o que non proporciona moita marxe. O 1N4004 está clasificado en 400 PIV e custa quizais un centavo máis. Ao colocalo en serie co LED, o PIV global é de 400 máis o LED PIV.

RECTIFICACIÓN E FILTRADO

As figuras 3, 4 e 5 mostran os circuítos de rectificación máis típicos coa forma de onda de saída mostrada arriba. (O condensador do filtro non se mostra porque ao engadilo, a forma de onda cambia a algo así como unha tensión continua.) É útil examinar estes tres circuítos básicos para identificar os puntos fortes e débiles dos mesmos.

A figura 3 mostra o rectificador básico de media onda. A única característica redentor disto é que é moi sinxelo, usando só un rectificador. A mala característica é que usa só a metade do ciclo de enerxía facendo que a eficiencia teórica do circuíto sexa inferior ao 50% só para comezar. Moitas veces, as fontes de alimentación do rectificador de media onda son só un 30 % de eficiencia. Dado que os transformadores son artigos caros, esta ineficiencia é moi custosa. En segundo lugar, a forma de onda é moi difícil de filtrar. A metade das veces non hai enerxía en absoluto procedente do transformador. Suavizar a saída require valores moi altos de capacitancia. Raramente se usa para unha fonte de alimentación analóxica.

FIGURA 3. O circuíto rectificador de media onda é sinxelo pero produce unha forma de onda de saída deficiente que é moi difícil de filtrar. Ademais, desperdicia a metade da potencia do transformador. (Ten en conta que os capacitores de filtrado omítense por motivos de claridade porque cambian a forma de onda).

---

Unha cousa interesante e importante ocorre cando se engade un condensador de filtro a un circuíto rectificador de media onda. O diferencial de tensión sen carga duplícase. Isto débese a que o capacitor almacena enerxía da primeira metade (parte positiva) do ciclo. Cando ocorre a segunda metade, o capacitor mantén a tensión de pico positiva e a tensión de pico negativa aplícase ao outro terminal facendo que o capacitor vexa unha tensión de pico a pico completa e, a través diso, o díodo. Así, para un transformador de 25.2 voltios anterior, a tensión de pico real observada por estes compoñentes pode ser superior a 80 voltios.

A figura 4 (circuíto superior) é un exemplo dun circuíto rectificador típico de onda completa/punto central. Cando se usa isto, na maioría dos casos, probablemente non debería ser. Proporciona unha boa saída que está totalmente rectificada. Isto fai que o filtrado sexa relativamente sinxelo. Usa só dous rectificadores, polo que é bastante barato. Non obstante, non é máis eficiente que o circuíto de media onda presentado anteriormente.

FIGURA 4. O deseño de onda completa (arriba) produce unha boa saída. Ao redeseñar o circuíto (abaixo), pódese ver que realmente son só dous rectificadores de media onda conectados entre si. De novo, desperdicia a metade da potencia do transformador.

---

Isto pódese ver debuxando de novo o circuíto con dous transformadores (Figura 4 inferior). Cando se fai isto, queda claro que a onda completa son realmente só dous circuítos de media onda conectados entre si. Non se utiliza a metade de cada ciclo de alimentación do transformador. Así, a máxima eficiencia teórica é do 50% con eficiencias reais ao redor do 30%.

O PIV do circuíto é a metade do circuíto de media onda porque a tensión de entrada aos díodos é a metade da saída do transformador. A billa central proporciona a metade da tensión aos dous extremos dos enrolamentos do transformador. Así, para o exemplo do transformador de 25.2 voltios, o PIV é de 35.6 voltios máis o aumento sen carga, que é un 10% máis.

A figura 5 presenta o circuíto rectificador en ponte que, en xeral, debería ser a primeira opción. A saída está totalmente rectificada, polo que o filtrado é bastante sinxelo. O máis importante é que usa as dúas metades do ciclo de enerxía. Este é o deseño máis eficiente e saca o máximo proveito do caro transformador. Engadir dous díodos é moito menos custoso que duplicar a potencia nominal do transformador (medida en "Volt-Amps" ou VA).

FIGURA 5. O enfoque do rectificador en ponte (arriba) proporciona un uso completo da potencia do transformador e cunha rectificación de onda completa. Ademais, cambiando a referencia de terra (abaixo), pódese obter unha fonte de alimentación de dobre voltaxe.

---

O único inconveniente deste deseño é que a potencia debe pasar por dous díodos cunha caída de tensión resultante de 1.4 voltios en lugar de 0.7 voltios para os outros deseños. Xeralmente, isto é só unha preocupación para fontes de alimentación de baixa tensión onde os 0.7 voltios adicionais representan unha fracción substancial da saída. (Nestes casos, adoita utilizarse unha fonte de alimentación conmutada en lugar de calquera dos circuítos anteriores).

Dado que se utilizan dous díodos para cada medio ciclo, só ve a metade da tensión do transformador. Isto fai que o PIV sexa igual á tensión de entrada máxima ou 1.414 veces a tensión do transformador, que é o mesmo que o circuíto de onda completa anterior.

Unha característica moi agradable do rectificador de ponte é que a referencia de terra pódese cambiar para crear unha tensión de saída positiva e negativa. Isto móstrase na parte inferior da Figura 5.

FILTRACIÓN

Case todo o filtrado para unha fonte de alimentación analóxica provén dun condensador de filtro. É posible usar un indutor en serie coa saída, pero a 60 Hz, estes indutores deben ser bastante grandes e son caros. En ocasións, úsanse para fontes de alimentación de alta tensión onde os capacitores axeitados son caros.

A fórmula para calcular o condensador do filtro (C) é bastante sinxela, pero cómpre coñecer a tensión de ondulación de pico a pico (V), o tempo de medio ciclo (T) e a corrente absorbida (I). A fórmula é C=I*T/V, onde C está en microfaradios, I en miliamperios, T en milisegundos e V en voltios. O tempo de medio ciclo para 60 Hz é de 8.3 milisegundos (referencia: 1997 Radio Amateur's Handbook).

A partir da fórmula está claro que os requisitos de filtrado aumentan para fontes de alimentación de alta corrente e/ou baixa ondulación, pero isto é só de sentido común. Un exemplo fácil de lembrar é que 3,000 microfaradios por amperio de corrente proporcionarán uns tres voltios de onda. Podes traballar varias proporcións deste exemplo para proporcionar estimacións razoables do que necesitas con bastante rapidez.

Unha consideración importante é o aumento da corrente ao acender. Os capacitores do filtro actúan como curtos mortos ata que se cargan. Canto máis grandes sexan os capacitores, maior será este aumento. Canto maior sexa o transformador, maior será a sobretensión. Para a maioría das fontes de alimentación analóxicas de baixa tensión (<50 voltios), a resistencia do enrolamento do transformador axuda algo. O transformador de 25.2 voltios/dous amperios ten unha resistencia secundaria medida de 0.6 ohmios. Isto limita a entrada máxima a 42 amperios. Ademais, a inductancia do transformador reduce isto algo. Non obstante, aínda hai un gran aumento de corrente potencial ao acender.

A boa noticia é que os rectificadores de silicio modernos adoitan ter enormes capacidades de corrente de sobretensión. A familia estándar de díodos 1N400x adoita especificarse con 30 amperios de sobretensión. Cun circuíto ponte, hai dous díodos que levan isto, polo que o peor dos casos é de 21 amperios cada un, o que está por debaixo da especificación de 30 amperios (asumindo que a corrente compartida é igual, o que non sempre é o caso). Este é un exemplo extremo. Xeralmente, úsase un factor de aproximadamente 10, en lugar de 21.

Non obstante, este aumento actual non é algo para ignorar. Gastar uns céntimos máis para usar unha ponte de tres amperes en lugar dunha ponte de un pode ser un diñeiro ben gastado.

Deseño práctico

Agora podemos utilizar estas regras e principios e comezar a deseñar unha fonte de alimentación básica. Usaremos o transformador de 25.2 voltios como núcleo do deseño. A figura 6 pódese ver como unha composición das figuras anteriores pero con valores de parte práctico engadidos. Unha segunda luz piloto no secundario indica o seu estado. Tamén mostra se hai carga no capacitor. Con un valor tan grande, esta é unha consideración de seguridade importante. (Ten en conta que, dado que se trata dun sinal de CC, non é necesario o díodo de tensión inversa 1N4004).

FIGURA 6. Deseño final da fonte de alimentación con especificacións prácticas das pezas. A regulación do poder é discutida no seguinte artigo.

---

Pode ser máis barato usar dous capacitores máis pequenos en paralelo que un grande. A tensión de traballo para o capacitor debe ser polo menos de 63 voltios; 50 voltios non son marxe suficiente para o pico de 40 voltios. Unha unidade de 50 voltios ofrece só un 25 % de marxe. Isto pode estar ben para unha aplicación non crítica, pero se o capacitor falla aquí, os resultados poden ser catastróficos. Un capacitor de 63 voltios proporciona unha marxe de aproximadamente 60% mentres que un dispositivo de 100 voltios proporciona unha marxe do 150%. Para fontes de alimentación, unha regra xeral é entre o 50% e o 100% de marxe para os rectificadores e capacitores. (A onda debe ser duns dous voltios, como se mostra).

O rectificador da ponte debe ser capaz de manexar a alta sobretensión inicial, polo que paga a pena gastar un ou dous centavos adicionais para mellorar a fiabilidade. Teña en conta que a ponte está especificada polo que o transformador pode fornecer e non polo que finalmente se especifica a fonte de alimentación. Isto faise no caso de que exista unha curta de saída. Neste caso, a corrente total do transformador pasará polos díodos. Lembre, un fallo de alimentación é algo malo. Entón, deseñalo para que sexa robusto.

CONCLUSIÓN

Os detalles son unha consideración importante no deseño dunha fonte de alimentación. Observar a diferenza entre a tensión RMS e a tensión de pico é fundamental para determinar as tensións de traballo adecuadas para a subministración. Ademais, a corrente de sobretensión inicial é algo que non se pode ignorar.

Na parte 2, completaremos este proxecto engadindo un regulador de tres terminais. Deseñaremos unha fonte de alimentación de voltaxe axustable de propósito xeral, limitada por corrente e con apagado remoto. Ademais, os principios utilizados para este deseño pódense aplicar a calquera deseño de fonte de alimentación. 

Deixar unha mensaxe 

Lista de mensaxes