Fontes de alimentação para laboratórios domésticos

Veja a primeira parte do artigo aqui: Fontes de alimentação para dispositivos eletrônicos

Em termos de tudo o que foi dito acima, o mais razoável e menos oneroso parece ser fabricação de fonte de alimentação do transformador. Um transformador pronto para acionar estruturas de semicondutores pode ser selecionado a partir de gravadores antigos, televisores de tubo, alto-falantes de três programas e outros equipamentos obsoletos. Os transformadores de rede prontos para venda são vendidos nos mercados de rádio e nas lojas online. Você sempre pode encontrar a opção certa.

Externamente, o transformador é um núcleo em forma de W, feito de chapas de aço especial para transformadores. No núcleo, há uma moldura de plástico ou papelão na qual os enrolamentos estão localizados. As placas são geralmente envernizadas para que não haja contato elétrico entre elas. Dessa forma, eles combatem correntes de Foucault ou correntes de Foucault. Essas correntes apenas aquecem o núcleo, é apenas uma perda.

Para os mesmos fins, o ferro transformador é feito de cristais grandes, que também são isolados um do outro por filmes de óxido. Em ferro transformador de tamanhos muito grandes, esses cristais são visíveis a olho nu. Se esse ferro for cortado com uma tesoura para telhado, o corte se assemelha a uma lâmina de serra para metal, contém pequenos dentes.

O transformador na fonte de alimentação executa duas funções ao mesmo tempo. Em primeiro lugar, é uma diminuição da tensão da rede elétrica até o nível desejado. Em segundo lugar, fornece isolamento galvânico da rede elétrica: os enrolamentos primário e secundário não estão conectados um ao outro, a resistência elétrica é idealmente infinita. A conexão dos enrolamentos primário e secundário é realizada através de um campo magnético alternado do núcleo criado pelo enrolamento primário.

Projeto simplificado de transformador

Ao comprar ou enrolar automaticamente um transformador, você deve ser guiado pelos seguintes parâmetros, que são expressos por apenas quatro fórmulas.

O primeiro deles pode ser chamado de lei da transformação.

U1 / U2 = n1 / n2 (1),

Um exemplo simples. Como este é apenas um transformador de rede, a tensão no enrolamento primário será sempre de 220V. Suponha que o enrolamento primário contenha 220 voltas e o secundário 22 voltas. Este é um transformador bastante grande, portanto, possui poucas voltas por um volt.

Se uma tensão de 220V for aplicada ao enrolamento primário, o enrolamento secundário produzirá 22V, o que corresponde totalmente ao coeficiente de transformação n1 / n2, que em nosso exemplo é 10. Suponha que uma carga que consome exatamente 1A de corrente seja incluída no enrolamento secundário. Então a corrente primária será 0.1A, uma vez que as correntes estão na razão inversa.

A energia consumida pelos enrolamentos: para o secundário 22V * 1A = 22W e para o primário 220V * 0.1A = 22W. Este cálculo mostra que a potência dos enrolamentos primário e secundário é igual. Se houver vários enrolamentos secundários, ao calcular sua potência, você deve adicioná-la, essa será a potência do enrolamento primário.

Da mesma fórmula, é muito simples determinar o número de voltas por volt: basta enrolar um enrolamento de teste, por exemplo, 10 voltas, medir a voltagem, dividir o resultado por 10. O número de voltas por volt ajudará muito quando você precisar enrolá-lo tensão. Deve-se notar que os enrolamentos devem ser enrolados com uma certa margem, levando em consideração a tensão de "flacidez" nos próprios enrolamentos e nos elementos reguladores dos estabilizadores. Se a tensão mínima requer 12V, o enrolamento pode ser avaliado em 17 ... 18V. A mesma regra deve ser observada ao comprar um transformador acabado.

A potência total do transformador é calculada como a soma das capacidades de todos os enrolamentos secundários, conforme descrito acima. Com base nesse cálculo, você pode escolher um núcleo adequado, ou melhor, sua área. A fórmula para escolher a área principal:.

Aqui S é a área central em centímetros quadrados e P é a potência total de carga em watts. Para um núcleo em forma de W, a área é a seção transversal da haste central na qual os enrolamentos estão localizados e, para uma seção transversal toroidal, o toro. Com base na área central calculada, você pode selecionar o ferro do transformador apropriado.

O valor calculado deve ser arredondado para o valor padrão maior mais próximo. Todos os outros valores calculados no processo de cálculo também são arredondados para cima. Se, suponha, a potência é de 37,5 watts, é arredondada para 40 watts.

Depois que a área central é conhecida, o número de voltas no enrolamento primário pode ser calculado. Esta é a terceira fórmula de cálculo.

Aqui n1 é o número de voltas do enrolamento primário, U1 - 220V - tensão do enrolamento primário, S é a área central em centímetros quadrados. Um coeficiente empírico de 50, que pode variar dentro de certos limites, merece atenção especial.

Se for necessário que o transformador não entre em saturação, não crie interferências eletromagnéticas desnecessárias (especialmente relevantes para equipamentos de reprodução de som), esse coeficiente pode ser aumentado para 60. Nesse caso, o número de voltas nos enrolamentos aumentará, o modo de operação do transformador será facilitado, o núcleo não poderá mais entrar em saturação. O principal é que todos os enrolamentos se ajustem.

Depois que a potência do transformador é determinada, as voltas e as correntes nos enrolamentos são calculadas, é hora de determinar a seção transversal do fio dos enrolamentos. Supõe-se que os enrolamentos sejam enrolados com um fio de cobre. Este cálculo ajudará a cumprir a fórmula:

Aqui, di mm, Ii A, respectivamente, o diâmetro do fio e a corrente do i-ésimo enrolamento. O diâmetro do fio calculado também deve ser arredondado para o valor padrão maior mais próximo.

Na verdade, esse é o cálculo simplificado de um transformador de rede, para propósitos práticos, mesmo que seja suficiente. No entanto, deve-se notar que esse cálculo é válido apenas para transformadores de rede que operam a uma frequência de 50 Hz. Para transformadores fabricados em núcleos de ferrita e operando em alta frequência, o cálculo é realizado usando fórmulas completamente diferentes, exceto talvez o coeficiente de transformação de acordo com a fórmula 1.

Depois que o transformador é projetado, enrolado ou comprado apenas o tamanho certo, você pode começar a fabricar uma fonte de alimentação, sem a qual nenhum circuito pode funcionar.

Fontes de alimentação não estabilizadas

O circuito mais simples são fontes de alimentação não estabilizadas. Eles são usados ​​com frequência em vários projetos, o que simplifica o circuito sem afetar sua funcionalidade. Por exemplo, poderoso amplificadores de áudio na maioria das vezes eles são alimentados a partir de uma fonte não estabilizada, pois é quase impossível perceber de ouvido que a tensão de alimentação mudou em 2 ... 3 volts. Também não há diferença em que voltagem o relé funcionará: se ao menos funcionasse e, no futuro, não queimaria.

Fontes de alimentação não estabilizadas são simples, o circuito é mostrado na Figura 1.

Uma ponte retificadora com diodos é conectada ao enrolamento secundário do transformador. Embora existam muitos circuitos retificadores, um circuito em ponte é o mais comum. Na saída da ponte, é obtida uma tensão pulsante com uma freqüência duplicada da rede, o que é típico para todos os circuitos de retificadores de meia onda (Figura 2, curva 1).

Naturalmente, essa tensão de ondulação não é adequada para alimentar circuitos de transistor: imagine como o amplificador rugirá com tanta potência! Para suavizar a ondulação para um valor aceitável, os filtros são instalados na saída do retificador (Figura 2, curva 2).No caso mais simples, pode ser apenas capacitor eletrolítico de alta capacidade. O precedente é ilustrado na Figura 2.

O cálculo da capacitância deste capacitor é bastante complicado, portanto, é possível recomendar os valores testados na prática: para cada ampère de corrente na carga, é necessária uma capacidade do capacitor de 1000 ... 2000 μF. Um valor mais baixo de capacitância é válido para o caso em que é proposto o uso de um estabilizador de tensão após a ponte retificadora.

À medida que a capacitância do capacitor aumenta, a ondulação (Figura 2, curva 2) diminui, mas nunca desaparece. Se a ondulação for inaceitável, é necessário introduzir estabilizadores de tensão no circuito da fonte de alimentação.

Fonte de alimentação bipolar

No caso em que a fonte é necessária para obter uma tensão bipolar, o circuito terá que ser ligeiramente alterado. A ponte permanecerá a mesma, mas o enrolamento secundário do transformador deve ter um ponto médio. Capacitores de suavização já haverá dois, cada um para sua própria polaridade. Esse esquema é mostrado na Figura 3.

A conexão dos enrolamentos secundários deve ser em série - consoante - o início do enrolamento III é conectado ao final do enrolamento II. Os pontos marcam, em regra, o início dos enrolamentos. Se o transformador industrial e todas as saídas estiverem numeradas, você poderá seguir esta regra: todos os números ímpares dos terminais são o começo dos enrolamentos, respectivamente, pares - os extremos. Ou seja, com uma conexão serial, é necessário conectar a saída uniforme de um enrolamento à saída ímpar de outro. Naturalmente, em nenhum caso você pode causar um curto-circuito nas descobertas de um enrolamento, por exemplo, 1 e 2.

Fontes de alimentação estabilizadas

Mas, muitas vezes, os estabilizadores de tensão são indispensáveis. O mais simples é estabilizador paramétricoque contém apenas três partes. Após o diodo zener, um capacitor eletrolítico é instalado, cujo objetivo é suavizar as pulsações residuais. Seu circuito é mostrado na Figura 4.

Em geral, esse capacitor é instalado mesmo na saída estabilizadores de tensão integrados tipo LM78XX. Isso é exigido mesmo pelas especificações técnicas (Folha de dados) dos estabilizadores de microcircuito.

Um estabilizador paramétrico pode fornecer até vários miliamperes de corrente na carga, neste caso cerca de vinte. Nos circuitos de dispositivos eletrônicos, esse estabilizador é usado com bastante frequência. O coeficiente de estabilização (a razão entre a mudança na tensão de entrada em %% e a mudança na saída, também em %%) desses estabilizadores, em regra, não é superior a 2.

Se o estabilizador paramétrico for suplementado seguidor emissor, com apenas um transistor, como mostrado na Figura 5, as capacidades do estabilizador paramétrico se tornarão muito mais altas. O coeficiente de estabilização de tais esquemas atinge um valor de 70.

Com os parâmetros indicados no diagrama e a corrente de carga 1A, energia suficiente será dissipada no transistor. Essa potência é calculada da seguinte forma: a diferença de tensão do coletor-emissor é multiplicada pela corrente de carga. Nesse caso, essa é a corrente do coletor. (12V - 5V) * 1A = 7W. Com essa potência, o transistor terá que ser colocado no radiador.

A potência fornecida à carga será de apenas 5V * 1A = 5W. Os números mostrados na Figura 5 são suficientes para fazer esse cálculo. Assim, a eficiência de uma fonte de energia com esse estabilizador com uma tensão de entrada de 12V é de apenas cerca de 40%. Para aumentar um pouco, você pode reduzir a tensão de entrada, mas não menos que 8 volts, caso contrário, o estabilizador deixará de funcionar.

Para montar um estabilizador de tensão de polaridade negativa, é suficiente no circuito considerado substituir o transistor de condutividade n-p-n pela condutividade p-n-p, alterar a polaridade do diodo zener e a tensão de entrada. Mas esses circuitos já se tornaram um anacronismo, não são usados ​​atualmente, foram substituídos por reguladores de tensão integrados.

Parecia que era o suficiente para completar o circuito considerado na versão integrada e tudo estaria em ordem. Mas os desenvolvedores não começaram a repetir o esquema ineficaz, sua eficiência é muito pequena e a estabilização é baixa. Para aumentar o coeficiente de estabilização, feedback negativo foi introduzido nos modernos estabilizadores integrais.

Tais estabilizadores foram desenvolvidos em amplificadores operacionais de uso geral, enquanto o projetista e desenvolvedor de circuitos R. Widlar não propôs a integração desse amplificador operacional no estabilizador. O primeiro estabilizador desse tipo foi o lendário UA723, que exigiu um certo número de peças adicionais durante a instalação.

Uma versão mais moderna dos estabilizadores integrais é Estabilizadores da série LM78XX para tensão de polaridade positiva e LM79XX para negativa. Nesta marcação 78, este é realmente o nome do microcircuito - estabilizador, as letras LM na frente dos números podem ser diferentes, dependendo do fabricante em particular. Em vez das letras XX, são inseridos números indicando a tensão de estabilização em volts: 05, 08, 12, 15, etc. Além da estabilização de tensão, os microcircuitos possuem proteção contra curto-circuito na carga e proteção térmica. Exatamente o que é necessário para criar uma fonte de alimentação de laboratório simples e confiável.

A indústria eletrônica doméstica produz esses estabilizadores sob a marca KR142ENXX. Como as marcações são sempre criptografadas conosco, a tensão de estabilização só pode ser determinada por referência ou memorizada como poema na escola. Todos esses estabilizadores têm um valor fixo de tensão de saída. Um diagrama de fiação típico para os estabilizadores da série 78XX é mostrado na Figura 6.

No entanto, eles também podem ser usados ​​para criar fontes regulamentadas. Um exemplo é o diagrama mostrado na Figura 7.

A desvantagem do circuito pode ser considerada que a regulação é realizada não a partir do zero, mas a partir de 5 volts, ou seja, do microcircuito de estabilização de tensão. Não está claro por que os fios estabilizadores são numerados como 17, 8, 2, quando na verdade existem apenas três!

E a Figura 9 mostra como montar uma fonte de alimentação ajustável com base no burguês LM317 original, que pode ser usado como laboratório.

Se for necessária uma fonte regulada bipolar, é mais fácil montar dois estabilizadores idênticos em um alojamento, alimentando-os com diferentes enrolamentos de transformadores. Ao mesmo tempo, envie a saída de cada estabilizador para o painel frontal da unidade com terminais separados. Será possível alternar as tensões simplesmente com os jumpers.

Boris Aladyshkin