Сигнальные и управляющие контакты питания 4

Обновлено: 21.11.2024

Уровень навыков: начинающий

до 08 августа 2008 г. | 29 комментариев

Введение

Эй! Почему моя настенная бородавка на 9 В выдает 14 В?!

Мы написали это руководство, чтобы показать вам внутренности настенной бородавки и объяснить, почему иногда вы можете измерить более высокое напряжение, чем указано на этикетке вашей настенной бородавки.

На нерегулируемом блоке питания, сетевой розетке, адаптере переменного тока, блоке питания или как бы вы это ни называли, вы обычно видите две характеристики:

ВХОД: 120 В переменного тока, 60 Гц, 6 Вт
ВЫХОД: 6 В постоянного тока, 300 мА

Параметры входного сигнала очевидны, если вы находитесь в США и используете стандартную настенную розетку. Что насчет вывода?

Если вы измерите выходной сигнал разомкнутой цепи с помощью мультиметра на устройстве с выходными характеристиками, как показано выше, что, по вашему мнению, вы должны получить?

Глупый ответ: около 6 В и не менее 300 мА. Верно. НЕПРАВИЛЬНО!

На самом деле вы часто получаете гораздо более высокое напряжение. Более высокое напряжение может нанести ущерб вашей системе, если вы этого не планируете. Такое поведение от нерегулируемого источника является нормальным, и в этом руководстве вы узнаете, почему выходные характеристики далеки от фактического выхода разомкнутой цепи. Кроме того, я покажу, насколько на самом деле нерегулируемы поставки. В выходных данных указано значение постоянного тока, но в некоторых случаях вывод может быть далек от чистого постоянного тока.

Кишки нерегулируемого источника питания

Давайте сначала рассмотрим внутренности нерегулируемого источника питания. Сейчас я не буду подробно описывать функциональность каждого компонента, в Интернете есть куча ресурсов, которые рассказывают, как эти вещи работают. Вот схема и краткое описание компонентов, которые вы можете найти:

Это схема блока питания, который я разобрал. Слева находится место, где вы подключаете устройство к стене, а справа — место, где вы подключаете устройство к входу питания вашей системы.

Сигнал переменного тока настенной розетки сначала увидит микросхему термовыключателя, используемую для защиты источника питания, если к нему подключена большая нагрузка, потребляющая слишком большой ток. Это приятный дополнительный уровень защиты, который можно найти не во всех настенных бородавках, а только в хороших.

Далее у вас есть однофазный оболочковый разрезной шпульный (раковинный) понижающий трансформатор. Обратите внимание, что катушка провода в первичной катушке тоньше и содержит больше витков, чем во вторичной катушке (понижающий трансформатор).

Двухполупериодный выпрямитель с центральным отводом и двумя диодами. Блок питания также имеет монтажные отверстия на печатной плате для мостового выпрямителя для более высоких выходных напряжений с использованием того же трансформатора. Кроме того, имеется простой фильтрующий конденсатор для сглаживания выпрямленного сигнала.

Почему вы получаете 10 Вольт при напряжении питания 6 В постоянного тока?

Короче говоря, когда вы измеряете напряжение холостого хода этого примера настенной бородавки 6 В, вы получаете около 10 В. В этой ситуации через вторичную обмотку источника питания протекает очень небольшой ток и, следовательно, падение напряжения невелико. Когда к выходу источника питания подключена нагрузка или ваша схема, происходит падение напряжения. Трансформатор будет иметь падение напряжения от разомкнутой цепи 10В, в соответствии с законом Ома.

В более детальном подходе источник питания в идеале должен иметь эквивалентную схему Thevenin (источник напряжения и некоторое общее сопротивление), которая подключена к нагрузочному резистору, вызывающему падение напряжения. Вот как в идеале выглядит схема с подключенной нагрузкой:

Отсюда получается цикл KVL:

V0 является постоянным, так как существует определенное напряжение, индуцируемое трансформатором. Однако ток нагрузки непостоянен.

При измерении разомкнутой цепи (без нагрузки) протекает очень небольшой ток, а источник питания по своей природе имеет небольшое сопротивление (около 4 Ом), поэтому ток нагрузки ILoad, умноженный на Thevenin сопротивление, R0, близко к нулю, а напряжение нагрузки почти эквивалентно напряжению Thevenin, V0. Из приведенного выше уравнения вы получите около 10 В.

Допустим, вы замкнули источник питания накоротко или использовали нагрузку с очень малым сопротивлением, теперь через цепь будет протекать сгусток тока. Судя по приведенному выше уравнению, будет обнаружено значительное падение напряжения на напряжении нагрузки.

Вот диаграмма различных нагрузок на нашем примере настенной бородавки 6 В / 300 мА и их измеренные пиковое напряжение, пиковый ток, размах пульсаций и процент пульсаций на каждом выходе (на данный момент вы можете игнорировать пульсации):

При малых нагрузках (больших сопротивлениях) существенного падения напряжения не происходит, поскольку ток невелик.

При очень большой нагрузке (маленьком сопротивлении) идет сгусток тока и значительное падение напряжения. Кроме того, источник питания выходит за пределы своего номинального предела, когда нагрузка ниже 20 Ом, и коробка, которая подключается к стене, начинает нагреваться. В определенный момент тепловое отключение разорвет соединение в первичной обмотке, и пока коробка не остынет, тепловое отключение не пропустит ток.

Но на самом деле я не говорил, почему падает напряжение и каковы механизмы, вызывающие падение напряжения?

В приведенном выше уравнении, если вы подставите цифры для блока питания в норме (с нагрузкой 20 Ом), вы получите.

Тем не менее, мы измеряем 6,2 В (см. таблицу выше). Мы знаем, что есть падение на 1,2 В (–ILoad*R0) из-за потерь в меди (сопротивление в катушке) и нагрузка потребляет ток, но есть другие механизмы, которые способствуют остаточному падению напряжения. Падение напряжения из-за изменений магнитного поля внутри трансформатора называется потерями в железе. Приведенное выше уравнение теперь может выглядеть так:

VНагрузка = V0 – потери в меди – потери в стали

Таким образом, нагрузка, подключенная к источнику питания, позволяет протекать току, что, в свою очередь, создает падение напряжения на стороне источника питания из-за потерь в меди и потерь в стали на трансформаторе.

Пульсация

Давайте начнем с того, что делает конденсатор и как он влияет на пульсации на выходе, так как это первая линия защиты от переменного тока после выпрямления пониженного сигнала переменного тока. Выпрямленный сигнал без конденсатора в идеале будет выглядеть так:

В блоке питания, показанном в этом руководстве, есть только один фильтрующий конденсатор емкостью 470 мкФ. Конденсатор фильтра противостоит изменениям напряжения и в определенной степени сглаживает неровности выпрямленного сигнала. Конденсатор, который будет сглаживать сигнал, будет разряжаться и заряжаться почти так же быстро, как каждые 180 градусов фазы (каждое целое число выше представляет собой 180 градусов синусоиды) выпрямленного импульса. Таким образом, вы получите сигнал, который будет выглядеть примерно так:

Выбросы в полуфильтрованном сигнале называются пульсациями.

Поскольку сигнал находится в своем положительном цикле (обозначенном буквой «а») выше, конденсатор заряжается через последовательную комбинацию половины вторичной катушки и одного из диодов. Чем меньше внутреннее сопротивление источника питания, тем быстрее будет заряжаться крышка.

Разрядка конденсатора и наклон линии (обозначенной буквой «b») выше будут зависеть от емкости конденсатора и сопротивления нагрузки, подключенной к источнику питания. Во время этого цикла диод смещен в обратном направлении (ток не течет), а конденсатор будет разряжаться только через нагрузочный резистор. Чем больше сопротивление нагрузки, тем меньше ток нагрузки и тем медленнее разрядка цоколя. Если вы посмотрите на график выше, вы увидите уменьшение пульсации с увеличением сопротивления.

Вот как на самом деле выглядят пульсации сигнала с нагрузочным резистором 20 Ом.

20 Ом — это значение для идеальной нагрузки, при которой источник питания будет работать на уровне, близком к его номинальному пиковому выходному току. Выходной сигнал осциллографа пикового напряжения согласуется с расчетом.

R = V / I , где V = 6 В и I = 300 мА, R = 20 Ом

При нагрузке 20 Ом выходная мощность близка к номинальной. Однако сигнал совсем не чистый постоянный ток! Там 2V пульсации! Чтобы сгладить эту волну для использования в большинстве цифровых электронных устройств, необходимо использовать регулятор или дополнительную схему фильтра.

Есть некоторые настенные блоки питания, которые называются импульсными и обеспечивают более стабильную выходную мощность, чем блок питания в этом руководстве. Это означает, что когда вы измеряете выход разомкнутой цепи, вы увидите близкое к указанному напряжение. В настоящее время Spark Fun продает только импульсные расходные материалы.

Подводя итог, отметим, что выходная мощность, указанная на коробке блока питания, составляет 6 В, 300 мА постоянного тока. В большинстве случаев вы не увидите 6 В, 300 мА или хороший сигнал постоянного тока. Кажется, что на поставке должно быть что-то, что говорит «Номинальная мощность» вместо просто «Мощность» или, по крайней мере, немного больше информации о качестве выходного сигнала, но это может быть слишком много, чтобы просить часть электроники. это стоит несколько долларов.

Вопрос: почему сигнал осциллографа имеет частоту около 120 Гц, а частота переменного тока от сетевой розетки составляет 60 Гц?

Читайте также: