กแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นเป็นหน่วยจ่ายไฟ (PSU) ที่ไม่มีสวิตชิ่งหรือส่วนประกอบดิจิทัลใดๆ มีลักษณะเด่นบางประการเมื่อเทียบกับสวิตช์ PSU เช่น เสียงรบกวนต่ำมากและการกระเพื่อม การป้องกันเสียงรบกวนจากเมนหลัก ความเรียบง่าย ความทนทาน การออกแบบและการซ่อมแซมที่ง่าย นอกจากนี้ยังสามารถสร้างแรงดันไฟฟ้าที่สูงมาก (หลายพันโวลต์) และแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำมาก (น้อยกว่า 1V) พวกเขาสามารถสร้างแรงดันเอาต์พุตหลายค่าได้อย่างง่ายดาย ในทางกลับกัน พวกมันมีขนาดใหญ่และหนัก และต้องการมากกว่านี้การระบายความร้อน. พาวเวอร์ซัพพลายเชิงเส้นมีมานานหลายสิบปีแล้ว นานมาแล้วก่อนที่จะมีเซมิคอนดักเตอร์
Linear PSU สามารถแก้ไขได้ เช่น เป็นแหล่งจ่ายไฟ 5-V ที่คุณอาจต้องใช้สำหรับวงจรลอจิก หรืออุปกรณ์จ่ายไฟแบบคงที่หลายตัวที่จำเป็นสำหรับพีซี (+5, +12 หรือ -12V) สำหรับ PSU แบบตั้งโต๊ะในห้องปฏิบัติการ คุณต้องการใช้ PSU แบบแปรผัน นอกจากอุปกรณ์จ่ายเดี่ยวแล้ว คุณยังซื้ออุปกรณ์จ่ายไฟแบบคู่ได้อีกด้วย เช่น สำหรับวงจรออปแอมป์ ±15V และแม้แต่อุปกรณ์จ่ายไฟแบบติดตามคู่ที่ล็อคแรงดันไฟให้กันและกันในอุปกรณ์จ่ายไฟที่ไม่มีการเบี่ยงเบนเล็กน้อย
ตัวอย่างบางส่วน:
- +5V วงจรลอจิกและไมโครโปรเซสเซอร์
- ไฟ LED +12V, อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั่วไป
- วงจรออปแอมป์ ±15V
- แหล่งจ่ายไฟทดสอบแบบตั้งโต๊ะ 0-30V
- เครื่องชาร์จแบตเตอรี่ +14.5V
ในบทความนี้ เราจะดูส่วนประกอบแต่ละส่วนของ PSU จากนั้นออกแบบแหล่งจ่ายไฟ 12V ขนาดเล็กตั้งแต่เริ่มต้น และแหล่งจ่ายไฟแบบคู่ 1-30V ที่ปรับได้
การแยกโครงสร้าง Linear PSU
- ส่วนอินพุตหลักประกอบด้วยการเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟหลัก โดยปกติแล้ว aสวิตช์ ฟิวส์ และไฟแสดงสถานะของการเรียงลำดับ ใช้สายดินที่ดีและหุ้มฉนวนชิ้นส่วนหลักในสายไฟภายในด้วยปลอกหุ้มเพื่อป้องกันการสัมผัสโดยไม่ได้ตั้งใจ
- หม้อแปลงถูกเลือกตามแรงดันเอาท์พุตที่ต้องการ และแยกวงจรอื่นๆ ทั้งหมดออกจากการอ้างอิงเมนได้อย่างมีประสิทธิภาพ หม้อแปลงอาจมีแทปหลักหลายตัวเพื่อให้แรงดันอินพุตเมนที่แตกต่างกันและแทปรองหลายตัวที่เหมาะสมสำหรับแรงดันเอาต์พุตที่ต้องการ นอกจากนี้ยังมีแผ่นฟอยล์ทองแดงกั้นระหว่างก๊อกหลักและก๊อกรองเพื่อช่วยลดสัญญาณรบกวนจากเมนหลักที่มีความถี่สูง
- วงจรเรียงกระแสสามารถทำได้ง่ายๆ เช่น ไดโอดแบบอนุกรมเดียว (ไม่เหมาะสม), บริดจ์แบบแตะตรงกลางคลื่นแบบเต็มคลื่น หรือบริดจ์แบบเต็มคลื่นไดโอด (วงจรเรียงกระแส)ควรระบุการใช้งาน มีราคาถูก ขนาดเล็ก และใช้หนักกว่าที่ออกแบบไว้ จากประสบการณ์ของผมในการซ่อม PSU ที่ผิดพลาดหลายๆ ตัว ปัญหามักเกิดจากความล้มเหลวของไดโอด ทั้งจากกระแสที่มากเกินไปหรือแรงดันไฟเกินจากเมน ด้วยเหตุนี้ ให้เลือกไดโอดที่มีค่า PIV สูง (แรงดันผกผันสูงสุด) เมื่อคุณติดตั้งไดโอด ให้เก็บสายไฟไว้ด้านยาว เพราะนี่คือจุดที่ความร้อนส่วนใหญ่ถูกกระจายออกไป ในการจ่ายไฟฟ้าแรงสูง เป็นเรื่องปกติที่จะเห็นตัวเก็บประจุขนาดเล็กขนานกับไดโอดเพื่อช่วยให้ฟื้นตัวเร็วขึ้น
- ตัวเก็บประจุเป็นส่วนประกอบที่ทำงานหนักมาก และต้องชาร์จจนถึงจุดสูงสุดของแรงดันไฟฟ้าทุติยภูมิ (Vsec * 1.414) แล้วจึงคายประจุเข้าสู่โหลดอย่างรวดเร็ว อลูมิเนียมฟอยล์คาปาซิเตอร์โดยพื้นฐานแล้วก็เหมือนม้วนกระดาษชำระและอลูมิเนียมที่เต็มไปด้วยน้ำมัน และพวกมันมีชื่อเสียงในการทำให้แห้งและสูญเสียความจุ หากเป็นไปได้ ให้วางให้ห่างจากแหล่งความร้อนในผังของคุณตัวเก็บประจุแทนทาลัมมี ESR ที่ต่ำกว่ามาก (ความต้านทานซีรีส์เทียบเท่า) จึงจัดการกับการกระเพื่อมได้ดีกว่า คุณสามารถใช้มันในวงจรเรกูเลเตอร์ เมื่อเดินสายไฟ พยายามนำสายดินทั้งหมดมาไว้ที่จุดเดียว คาปาซิเตอร์เป็นจุดที่น่าใช้ รูปด้านล่างแสดงถึงตัวต้านทานซึ่งเป็นวิศวกรรมที่ยอดเยี่ยมในการทำให้ฝาปิดนี้ลดลงเมื่อปิด PSU ตัวควบคุมยังต้องมีกระแสเอาต์พุตเล็กน้อยเมื่อไม่ได้โหลด 1k ก็เพียงพอแล้ว
ในรูปด้านล่าง เส้นโค้งสีเขียวคือลักษณะของรูปคลื่นที่ไม่มีตัวเก็บประจุ และรูปคลื่นสีแดงคือ "การเติม" ของฝาปิดในแต่ละครึ่งรอบ จากนั้นจึงคายประจุเนื่องจากกระแสโหลด รูปคลื่นที่ได้คือแรงดันกระเพื่อม
- เรกูเลเตอร์มีหลายประเภท: ซีรีส์, shunt, เรียบง่ายและซับซ้อน จะมีบทความเกี่ยวกับเรกูเลเตอร์โดยเฉพาะ แต่สำหรับบทช่วยสอนนี้ เราจะมุ่งเน้นไปที่การออกแบบเรกูเลเตอร์แบบอิงไอซีสองตัวที่มี7812 ตัวควบคุมคงที่และตัวควบคุมแบบปรับได้ LM317.
การออกแบบแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้น
การออกแบบ PSU ก็เหมือนกับการอ่านภาษาฮิบรู—คุณเริ่มต้นจากจุดสิ้นสุดและย้อนกลับไปยังจุดเริ่มต้น ข้อกำหนดสำคัญคือแรงดันไฟฟ้าที่เราต้องการที่เอาต์พุตและจำนวนกระแสที่เราสามารถดึงออกมาโดยไม่ทำให้แรงดันตก สำหรับโปรเจกต์นี้ ตั้งเป้าไว้ที่ 12V ที่ 1A และ 3V dropout เหนือเรกูเลเตอร์ ตัวควบคุมใด ๆ จะมีความแตกต่างที่จำเป็นระหว่างแรงดันไฟฟ้าขาเข้าและขาออกเพื่อให้ทำงานได้อย่างถูกต้อง หากไม่ได้ระบุไว้ ให้ถือว่าค่านี้อยู่ที่ 3V ขั้นต่ำ ตัวควบคุมบางตัวที่เราใช้ที่นี่จะเป็น 2V เท่านั้น
ถ้าเราต้องการ 12V ที่เอาต์พุต เราก็ต้องมี 12+3 = 15V ที่ตัวเก็บประจุ ขณะนี้ เนื่องจากตัวเก็บประจุนี้มีการประจุและคายประจุ ควรมีส่วนประกอบไฟฟ้ากระแสสลับอยู่ และนี่คือแรงดันกระเพื่อม (Vระลอก). ยิ่งกระแสถูกดึงออกจากตัวเก็บประจุมากเท่าไหร่ การกระเพื่อมก็ยิ่งแย่ลงเท่านั้น และเราจำเป็นต้องระบุสิ่งนี้ด้วยเช่นกัน การเลือกรับ 10% เช่น 1.2 Vpp ขีดจำกัดจะคำนวณดังนี้:
ที่ไหนฉคือ 50 หรือ 60 ขึ้นอยู่กับความถี่ไฟหลักของคุณ ดังนั้นเราจึงต้องการ:
สิ่งนี้นำเรากลับไปที่ไดโอด เนื่องจากไดโอดไม่เพียงจ่ายกระแสโหลดเท่านั้น แต่ยังจ่ายกระแสประจุให้กับตัวเก็บประจุด้วย พวกเขาจะใช้กระแสมากขึ้น
ในสะพานเต็มคลื่น กระแสคือ 1.8 * Iโหลด. ที่เคาะตรงกลาง เท่ากับ 1.2 * Iโหลด. เราควรใช้ไดโอดอย่างน้อย 2A
ตอนนี้นำเรากลับไปที่รองของหม้อแปลงและแรงดันไฟฟ้าเฉพาะของมัน ในระบบที่แข็งแกร่ง เราต้องดูที่ค่าความคลาดเคลื่อน หากเราต้องปฏิบัติตามข้อกำหนดการออกแบบขั้นต่ำเท่านั้น อินพุตของเรกูเลเตอร์อาจต่ำกว่าดรอปเอาต์ซึ่งส่งผลกระทบต่อเมนหลัก การออกแบบเชิงพาณิชย์มักจะระบุ ±10% ดังนั้นหากแหล่งจ่ายไฟของเราคือ 230V นั่นหมายความว่าอาจลดลงเหลือ 207V
ดังนั้น แรงดันไฟฟ้าที่จำเป็นสำหรับตัวรองจะเป็นดังนี้:
โดยที่ 0.92 คือประสิทธิภาพของหม้อแปลงและ 0.707 คือ 1/√2
วีระเบียบเป็นตัวควบคุมการออกกลางคัน Vสี่เหลี่ยมผืนผ้าคือการตกคร่อมไดโอด 2 ตัวและเท่ากับ 2*0.7 สำหรับวงจรเซ็นเตอร์แทปและ 4*0.7 สำหรับฟูลบริดจ์ วีระลอกถูกระบุเป็น 10% ของ 12V หรือ 1.2V ดังนั้น
วีวินาที= 15.03V
ซึ่งหมายความว่าหม้อแปลง 15V ที่หาซื้อได้ตามชั้นวางก็เพียงพอแล้ว บางครั้งคุณไม่สามารถจับคู่หม้อแปลงได้ดีและจำเป็นต้องเลือกตัวอื่นที่มีแรงดันไฟฟ้าสูงกว่า ข้อเสียของสิ่งนี้คือเรกูเลเตอร์จะมีแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าและส่งผลให้มีการกระจายพลังงานในฮีตซิงก์มากขึ้น
สิ่งสุดท้ายที่ต้องระบุตอนนี้คือขนาดหม้อแปลงใน VA เป็นข้อผิดพลาดที่ง่ายและทั่วไปที่จะคิดว่า VA จะเป็น Vวินาที*ฉันโหลดคือ 15*1 = 15VA. แต่เราต้องไม่ลืมว่าหม้อแปลงกำลังชาร์จตัวเก็บประจุด้วย ดังนั้นขึ้นอยู่กับการกำหนดค่า 1.2 หรือ 1.8 * Iโหลดหมายถึงความแตกต่างมาก เช่น 1.8*1*15 = 27VA
ตอนนี้สรุปการออกแบบแล้ว แต่สิ่งที่เกี่ยวกับฟิวส์? นั่นเป็นวิทยาศาสตร์ทั้งหมดในตัวมันเอง แต่สำหรับ PSU แบบธรรมดานี้ ฉันจะให้คะแนนเป็น 2 เท่าของกระแสอินพุตหลัก ดังนั้นในกรณีนี้ VA คือ 27 และไฟหลัก Vin คือ 230V และ I = 2*27/230 = 250mA
ตอนนี้เราสามารถเพิ่มส่วนประกอบสุดท้ายในเรกูเลเตอร์ได้:
สำหรับ C1 เราออกแบบให้เป็น 4200uF แต่เนื่องจากเรกกูเลเตอร์จะกำจัดการกระเพื่อมออกไปมาก มันอาจจะน้อยกว่านั้นหรือครึ่งหนึ่งของระลอกคลื่นนั้นก็คือ 2200uF จุดประสงค์ของ C2 และ C3 คือเพื่อให้ความเสถียรและการป้องกันเสียงรบกวนแก่ตัวควบคุม National Linear มักจะทำให้ C2 10uF และ C1 1uF ตามหลักการแล้ว สิ่งเหล่านี้ควรเป็นประเภทแทนทาลัม แต่ถ้าคุณถูกบังคับให้ใช้อะลูมิเนียม คุณควรเพิ่มมูลค่าเป็นสองเท่า
D3 มักถูกละเลยแต่มีความสำคัญ หากอินพุตของเรกูเลเตอร์สั้น ความจุใดๆ ที่เก็บไว้ในโหลด Vcc รวมถึง C3 จะระบายออกทางด้านหลังของเรกูเลเตอร์ และอาจทำให้สูญเสียได้ แต่ D3 ข้ามสิ่งนั้นไป
ตอนนี้ เรามาแทนที่เรกูเลเตอร์แบบตายตัวด้วยอันที่ปรับได้ตาม LM317 ที่ได้รับความนิยมและใช้งานง่าย และเพิ่ม LM337 เวอร์ชั่นเนกาทีฟเสริมเพื่อสร้าง PSU ที่ปรับได้สองทาง โปรดทราบว่าเราได้ใช้หม้อแปลงแบบแตะตรงกลางเช่นเดียวกับวงจรเรียงกระแสแบบเต็มสะพาน หมายเหตุต่อไปนี้ใช้กับค่าครึ่งลบของ PSU เท่าๆ กัน สิ่งเดียวที่เหลือในการออกแบบคือ R6 และ R7
หากคุณทำให้ R6 = 220 ดังนั้นสำหรับแรงดันไฟฟ้าใด ๆ ระหว่าง Vสูงสุดและ Vนาที, R7 = (176* Vออก) – 220 ดังนั้น ถ้าคุณต้องการ 9V R7 จะเป็น 176*9 – 220 = 1k4 คุณสามารถใช้หม้อแบบดูอัลแก๊งประมาณ 5 ถึง 10k (เชิงเส้น) เพื่อปรับทั้งสองด้านพร้อมกัน หม้อแปลงที่มีทุติยภูมิ 25/0/25 ก็ใช้ได้ C8 และ C9 ให้การป้องกันเสียงรบกวนและสามารถเป็น 10uF C10 และ C11 คือ 1uF และ C4 และ C7 คือ 1,000uF แรงดันเอาต์พุตต่ำสุดประมาณ 1.25V
ตัวอย่างของ DIY linear PSU ขนาดเล็ก
หวังว่าบทความนี้จะตอบคำถามใด ๆ ที่คุณมีเกี่ยวกับอุปกรณ์จ่ายไฟเชิงเส้น แต่แสดงความคิดเห็นด้านล่างหากคุณต้องการคำอธิบายเพิ่มเติม!