Fuentes de alimentación para laboratorio doméstico

Vea la primera parte del artículo aquí: Fuentes de alimentación para dispositivos electrónicos.

En términos de todo lo que se dijo anteriormente, lo más razonable y lo menos costoso parece ser fabricación de transformador de alimentación. Se puede seleccionar un transformador listo para usar para alimentar estructuras de semiconductores de viejas grabadoras, televisores de tubo, altavoces de tres programas y otros equipos obsoletos. Los transformadores de red confeccionados se venden en mercados de radio y en tiendas en línea. Siempre puedes encontrar la opción correcta.

Externamente, el transformador es un núcleo en forma de W hecho de láminas de acero especial para transformadores. En el núcleo hay un marco de plástico o cartón en el que se encuentran los devanados. Las placas generalmente están barnizadas para que no haya contacto eléctrico entre ellas. De esta manera, luchan contra corrientes de Foucault o corrientes de Foucault. Estas corrientes solo calientan el núcleo, es solo una pérdida.

Para los mismos fines, el transformador de hierro está hecho de cristales grandes, que también están aislados entre sí por películas de óxido. En transformadores de hierro de tamaños muy grandes, estos cristales son visibles a simple vista. Si tal hierro se corta con unas tijeras para techos, entonces el corte se asemeja a una hoja de sierra para metal, contiene pequeños dientes.

El transformador en la fuente de alimentación realiza dos funciones a la vez. En primer lugar, se trata de una disminución de la tensión de red al nivel deseado. En segundo lugar, proporciona aislamiento galvánico de la red eléctrica: los devanados primario y secundario no están conectados entre sí, la resistencia eléctrica es idealmente infinita. La conexión de los devanados primario y secundario se realiza a través de un campo magnético alterno del núcleo creado por el devanado primario.

Diseño de transformador simplificado

Al comprar o bobinar un transformador, debe guiarse por los siguientes parámetros, que se expresan con solo cuatro fórmulas.

La primera de ellas puede llamarse la ley de la transformación.

U1 / U2 = n1 / n2 (1),

Un simple ejemplo. Dado que este es solo un transformador de red, el voltaje en el devanado primario siempre será de 220V. Suponga que el devanado primario contiene 220 vueltas y el secundario 22 vueltas. Este es un transformador bastante grande, por lo que tiene pocas vueltas por voltio.

Si se aplica un voltaje de 220V al devanado primario, entonces el devanado secundario producirá 22V, que corresponde totalmente al coeficiente de transformación n1 / n2, que en nuestro ejemplo es 10. Suponga que una carga que consume exactamente 1A de corriente está incluida en el devanado secundario. Entonces la corriente primaria será 0.1A, ya que las corrientes están en la relación inversa.

La potencia consumida por los devanados: para el secundario 22V * 1A = 22W, y para el primario 220V * 0.1A = 22W. Este cálculo muestra que la potencia de los devanados primario y secundario son iguales. Si hay varios devanados secundarios, entonces, al calcular su potencia, debe agregarlo, esta será la potencia del devanado primario.

De la misma fórmula se deduce que es muy simple determinar el número de vueltas por voltio: es suficiente enrollar un devanado de prueba, por ejemplo, 10 vueltas, medir el voltaje en él, dividir el resultado entre 10. El número de vueltas por voltio ayudará mucho cuando necesite enrollar el devanado. tensión Cabe señalar que los devanados deben enrollarse con un cierto margen, teniendo en cuenta el voltaje de "caída" en los propios devanados y en los elementos reguladores de los estabilizadores. Si el voltaje mínimo requiere 12 V, entonces el devanado se puede clasificar a 17 ... 18 V. Se debe observar la misma regla al comprar un transformador terminado.

La potencia total del transformador se calcula como la suma de la potencia de todos los devanados secundarios, como se describió anteriormente. Según este cálculo, puede elegir un núcleo adecuado, o más bien su área. La fórmula para elegir el área central:.

Aquí S es el área central en centímetros cuadrados, y P es la potencia de carga total en vatios. Para un núcleo en forma de W, el área es la sección transversal de la barra central en la que se encuentran los devanados, y para una sección transversal toroidal, el toro. Según el área central calculada, puede seleccionar el hierro transformador adecuado.

El valor calculado debe redondearse al valor estándar más grande más cercano. Todos los demás valores calculados en el proceso de cálculo también se redondean. Si, supongamos, la potencia es de 37.5 vatios, entonces se redondea a 40 vatios.

Una vez que se conoce el área central, se puede calcular el número de vueltas en el devanado primario. Esta es la tercera fórmula de cálculo.

Aquí n1 es el número de vueltas del devanado primario, U1 - 220V - voltaje del devanado primario, S es el área central en centímetros cuadrados. Un coeficiente empírico de 50, que puede variar dentro de ciertos límites, merece especial atención.

Si se requiere que el transformador no entre en saturación, no cree interferencias electromagnéticas innecesarias (especialmente relevantes para equipos de reproducción de sonido), este coeficiente se puede aumentar a 60. En este caso, el número de vueltas en los devanados aumentará, se facilitará el modo de operación del transformador, el núcleo ya no podrá ingresar en saturación Lo principal es que todos los devanados encajan.

Después de determinar la potencia del transformador, se calculan las vueltas y las corrientes en los devanados, es hora de determinar la sección transversal del cable de los devanados. Se supone que los devanados están enrollados con un cable de cobre. Este cálculo ayudará a cumplir la fórmula:

Aquí, di mm, Ii A, respectivamente, el diámetro del cable y la corriente del enésimo devanado. El diámetro del cable calculado también debe redondearse al valor estándar más grande más cercano.

Ese es en realidad el cálculo simplificado de un transformador de red, para fines prácticos, incluso muy suficiente. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que este cálculo es válido solo para transformadores de red que funcionan a una frecuencia de 50 Hz. Para los transformadores hechos con núcleos de ferrita y que funcionan a una frecuencia alta, el cálculo se lleva a cabo utilizando fórmulas completamente diferentes, excepto quizás el coeficiente de transformación de acuerdo con la fórmula 1.

Después de que el transformador se diseña, se enrolla o simplemente se compra el tamaño correcto, puede comenzar a fabricar una fuente de alimentación, sin la cual ningún circuito puede funcionar.

Suministros de energía no estabilizados

El circuito más simple son las fuentes de alimentación no estabilizadas. Se usan con bastante frecuencia en varios diseños, lo que simplifica el circuito sin afectar su funcionalidad. Por ejemplo, poderoso amplificadores de audio con mayor frecuencia se alimentan de una fuente no estabilizada, ya que es casi imposible notar de oído que el voltaje de suministro ha cambiado en 2 ... 3 voltios. Tampoco hay diferencia a qué voltaje funcionará el relé: si solo funcionara, y en el futuro no se quemará.

Las fuentes de alimentación no estabilizadas son simples, el circuito se muestra en la Figura 1.

Un puente rectificador con diodos está conectado al devanado secundario del transformador. Aunque hay muchos circuitos rectificadores, un circuito puente es el más común. En la salida del puente, se obtiene un voltaje pulsante con una frecuencia duplicada de la red, que es típico para todos los circuitos de rectificadores de media onda (Figura 2, curva 1).

Naturalmente, tal voltaje de ondulación no es adecuado para alimentar circuitos de transistores: ¡imagine cómo el amplificador rugirá con tanta potencia! Para suavizar la ondulación a un valor aceptable, los filtros se instalan en la salida del rectificador (Figura 2, curva 2).En el caso más simple, podría ser condensador electrolítico de alta capacidad. Lo anterior se ilustra en la Figura 2.

El cálculo de la capacitancia de este capacitor es bastante complicado, por lo tanto, es posible recomendar los valores probados en la práctica: para cada amperio de corriente en la carga, se requiere una capacidad de capacitor de 1000 ... 2000 μF. Un valor de capacitancia más bajo es válido para el caso en el que se propone utilizar un estabilizador de voltaje después del puente rectificador.

A medida que aumenta la capacitancia del capacitor, la ondulación (Figura 2, curva 2) disminuirá, pero no desaparecerá en absoluto. Si la ondulación es inaceptable, es necesario introducir estabilizadores de voltaje en el circuito de alimentación.

Fuente de alimentación bipolar

En el caso de que se requiera la fuente para obtener un voltaje bipolar, el circuito deberá cambiarse ligeramente. El puente seguirá siendo el mismo, pero el devanado secundario del transformador debe tener un punto medio. Condensadores de suavizado ya habrá dos, cada uno por su propia polaridad. Tal esquema se muestra en la Figura 3.

La conexión de los devanados secundarios debe ser en serie - consonante - el comienzo del devanado III está conectado al final del devanado II. Los puntos marcan, como regla, el comienzo de los devanados. Si el transformador industrial y todos los terminales están numerados, entonces puede cumplir con esta regla: todos los números impares de los terminales son el comienzo de los devanados, respectivamente, los extremos. Es decir, con una conexión en serie, es necesario conectar la salida par de un devanado con la salida impar de otro. Naturalmente, en ningún caso puede cortocircuitar los resultados de un devanado, por ejemplo, 1 y 2.

Fuentes de poder estabilizadas

Pero a menudo, los estabilizadores de voltaje son indispensables. Lo más simple es estabilizador paramétricoque contiene solo tres partes. Después del diodo zener, se instala un condensador electrolítico, cuyo propósito es suavizar las pulsaciones residuales. Su circuito se muestra en la Figura 4.

En general, este condensador se instala incluso en la salida estabilizadores de voltaje integrados tipo LM78XX. Esto es requerido incluso por las especificaciones técnicas (Hoja de datos) para estabilizadores de microcircuitos.

Un estabilizador paramétrico puede proporcionar hasta varios miliamperios de corriente en la carga, en este caso alrededor de veinte. En los circuitos de dispositivos electrónicos, dicho estabilizador se usa con bastante frecuencia. Coeficiente de estabilización (relación de cambio de voltaje de entrada en %% a cambio de salida, también en %%) de tales estabilizadores, como regla, no más de 2.

Si el estabilizador paramétrico se complementa seguidor de emisor, con solo un transistor, como se muestra en la Figura 5, las capacidades del estabilizador paramétrico serán mucho mayores. El coeficiente de estabilización de tales esquemas alcanza un valor de 70.

Con los parámetros indicados en el diagrama y la corriente de carga 1A, se disipará suficiente potencia en el transistor. Dicha potencia se calcula de la siguiente manera: la diferencia de voltaje del colector-emisor se multiplica por la corriente de carga. En este caso, esta es la corriente del colector. (12V - 5V) * 1A = 7W. Con tal potencia, el transistor tendrá que colocarse en el radiador.

La potencia dada a la carga será de solo 5V * 1A = 5W. Los números que se muestran en la Figura 5 son suficientes para realizar dicho cálculo. Por lo tanto, la eficiencia de una fuente de energía con un estabilizador de este tipo con un voltaje de entrada de 12 V es solo del 40%. Para aumentarlo ligeramente, puede reducir el voltaje de entrada, pero no menos de 8 voltios, de lo contrario el estabilizador dejará de funcionar.

Para ensamblar un regulador de voltaje de polaridad negativa, es suficiente en el circuito considerado reemplazar el transistor de conductividad n-p-n con la conductividad p-n-p, cambiar la polaridad del diodo zener y el voltaje de entrada. Pero tales circuitos ya se han convertido en un anacronismo, no se usan actualmente, fueron reemplazados por reguladores de voltaje integrados.

Parecía que era suficiente completar el circuito considerado en la versión integrada y todo estaría en orden. Pero los desarrolladores no comenzaron a repetir el esquema ineficaz, su eficiencia es demasiado pequeña y la estabilización es baja. Para aumentar el coeficiente de estabilización, se ha introducido retroalimentación negativa en los estabilizadores integrales modernos.

Dichos estabilizadores se desarrollaron en amplificadores operacionales de uso general, mientras que el diseñador y desarrollador de circuitos R. Widlar no propuso integrar este amplificador operacional en el estabilizador. El primer estabilizador de este tipo fue el legendario UA723, que requirió una cierta cantidad de piezas adicionales durante la instalación.

Una versión más moderna de estabilizadores integrales son Estabilizadores de la serie LM78XX para voltaje de polaridad positiva y LM79XX para negativo. En esta marca 78, este es en realidad el nombre del microcircuito - estabilizador, las letras LM delante de los números pueden ser diferentes, dependiendo del fabricante en particular. En lugar de las letras XX, se insertan números que indican el voltaje de estabilización en voltios: 05, 08, 12, 15, etc. Además de la estabilización de voltaje, los microcircuitos tienen protección contra cortocircuitos en la carga y protección térmica. Justo lo que se requiere para crear una fuente de alimentación de laboratorio simple y confiable.

La industria electrónica nacional produce tales estabilizadores bajo la marca KR142ENXX. Pero las marcas siempre están encriptadas con nosotros, por lo que el voltaje de estabilización solo puede determinarse por referencia o memorizarse como poemas en la escuela. Todos estos estabilizadores tienen un valor de voltaje de salida fijo. En la Figura 6 se muestra un diagrama de cableado típico para los estabilizadores de la serie 78XX.

Sin embargo, también se pueden usar para crear fuentes reguladas. Un ejemplo es el diagrama que se muestra en la Figura 7.

La desventaja del circuito puede considerarse que la regulación se lleva a cabo no desde cero, sino desde 5 voltios, es decir. del microcircuito de estabilización de voltaje. ¡No está claro por qué los cables del estabilizador están numerados como 17, 8, 2, cuando en realidad solo hay tres de ellos!

Y la Figura 9 muestra cómo ensamblar una fuente de alimentación ajustable basada en el LM317 burgués original, que puede usarse como laboratorio.

Si se requiere una fuente regulada bipolar, es más fácil ensamblar dos estabilizadores idénticos en una carcasa, alimentándolos desde devanados de transformadores diferentes. Al mismo tiempo, envíe la salida de cada estabilizador al panel frontal de la unidad con terminales separados. Será posible cambiar los voltajes simplemente con puentes de cables.

Boris Aladyshkin