基本模擬電源設計

俗話說：“授人以魚，他可以吃一天；授人以漁，他可以吃一輩子。” 有很多文章為讀者提供了構建電源的具體設計，這些食譜設計沒有任何問題。 他們往往有非常好的表現。 然而，他們並沒有教讀者如何自己設計電源。 這篇由兩部分組成的文章將從頭開始，解釋構建基本模擬電源所需的每個步驟。 該設計將重點關注無處不在的三端穩壓器，並對基本設計進行了許多增強。

務必記住，電源（無論是針對特定產品還是作為通用測試設備）都有可能使用戶觸電、引發火災或毀壞其供電的設備。 顯然，這些都不是什麼好事。 因此，保守地進行此設計至關重要。 為元件提供充足的餘量。 一款設計精良的電源是不會被注意到的。

輸入功率轉換

圖 1 顯示了典型模擬電源的基本設計。 它由三個主要部分組成：輸入功率轉換和調節； 整頓和過濾； 和監管。 輸入功率轉換通常是電源變壓器，並且是這裡考慮的唯一方法。 然而，有幾點值得一提。

圖 1. 基本模擬電源由三部分組成。 本文將討論前兩個問題，下一部分將討論最後一個問題。

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首先，117 VAC（交流電壓）實際上是 RMS（均方根）測量值。 （請注意，我見過普通家用電源指定為110 VAC 到125 VAC 之間的任何地方。我剛剛測量了我的電源，發現它正好是120.0 VAC。）正弦波的RMS 測量值遠低於實際峰值電壓，代表提供相同功率所需的等效直流電壓。

RMS 轉換根據波形而變化； 對於正弦波，該值為 1.414。 這意味著零伏附近的偏差實際上是 169.7 伏（對於我的 120 VAC 電源）。 每個週期功率從-169.7 伏變為+169.7 伏。 因此，峰峰值電壓實際上是339.4伏！

當向主電源線添加旁路電容器以抑制噪聲進入或離開電源（常見情況）時，該電壓變得尤為重要。 如果您認為實際電壓是120伏，則可以使用150伏的電容器。 如您所見，這是不正確的。 電容器的絕對最低安全工作電壓是 200 伏（250 伏更好）。 不要忘記，如果您期望在線路上看到噪聲/尖峰，則需要將該噪聲/尖峰電壓添加到峰值電壓。

在美國，輸入頻率普遍為 60 Hz。 在歐洲，50 Hz 很常見。 額定頻率為 60 Hz 的變壓器通常在 50 Hz 下表現良好，反之亦然。 此外，電源線的頻率穩定性通常非常好，很少需要考慮。 有時，您可能會發現可用的 400 Hz 變壓器。 這些通常是軍事或航空設備，通常不適合在 50/60 Hz 電源上使用（反之亦然）。

變壓器的輸出也指定為 RMS 電壓。 此外，指定的電壓是滿負載下預期的最小電壓。 通常空載時額定輸出會增加 10% 左右。 （我的 25.2 伏/兩安培變壓器空載時測量值為 28.6 伏。）這意味著我的 25.2 伏變壓器的實際空載/峰值輸出電壓為 40.4 伏！ 正如您所看到的，務必記住交流電源的額定 RMS 電壓遠低於實際峰值電壓。

圖 2 提供了典型的輸入功率轉換和調節設計。 我更喜歡使用雙極開關，儘管這不是絕對必要的。 它可以防止電源插座接線錯誤（如今很少見）或電源本身的電源線接線錯誤（更為常見）。 至關重要的是，當電源開關關閉時，火線與電源斷開。

圖 2. 輸入調節非常基本，但必須記住，RMS 電壓與峰值電壓不同。 120 VAC RMS 的峰值電壓約為 170 伏。

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保險絲（或斷路器）是必要的。 它的主要目的是防止火災，因為如果沒有它，變壓器或初級電路短路將允許大量電流流動，導致金屬部件變紅甚至白熱。 它通常是額定電壓為 250 伏的慢熔型。 額定電流應約為變壓器預期消耗電流的兩倍。

例如，上述 25.2 伏 0.42 安培變壓器將消耗約 25.2 安培的初級電流（120 伏/XNUMX 伏 x XNUMX 安培）。 因此，一安培保險絲是合理的。 次級保險絲將在下一篇文章中討論。

旁路電容器有助於濾除噪聲，並且是可選的。 由於峰值電壓約為 170 伏，因此 250 伏額定值優於 200 伏額定值邊緣。 您可能需要使用“電源輸入濾波器”。 這些單位有多種類型。 有些在一個小包裝中包含標準電源連接器、開關、保險絲座和濾波器。 其他人可能只有其中一些組件。 通常情況下，擁有一切的單位相當昂貴，但通常可以以非常合理的價格找到多餘的單位。

能夠確定主電路是否通電非常重要，因此需要使用指示燈。 顯示了兩個典型電路。 霓虹燈已經使用了幾十年。 它簡單又便宜。 它的缺點是有點易碎（由玻璃製成）； 電阻太大會出現閃爍； 並且實際上會產生一些電噪聲（由於氖氣的突然離子擊穿）。

LED電路還需要限流電阻。 在 10,000 hms 時，提供約 12 mA 的電流。 大多數 LED 的最大額定電流為 20 mA，因此 12 mA 是比較合理的。 （高效率 LED 只需 1 或 2 mA 即可令人滿意地工作，因此可以根據需要增加電阻。）

請注意，LED 的反向擊穿電壓非常差（通常為 10 至 20 伏）。 因此，需要第二個二極管。 它必須能夠在至少 170 伏的 PIV（峰值反向電壓）下運行。 標準 1N4003 的額定值為 200 PIV，沒有提供太多餘量。 1N4004 的額定值為 400 PIV，價格可能要高一分錢。 通過將其與 LED 串聯，總體 PIV 為 400 加上 LED PIV。

整頓和過濾

圖 3、圖 4 和圖 5 顯示了最典型的整流電路，其輸出波形如上所示。 （未顯示濾波電容器，因為添加它後，波形會變成類似直流電壓的東西。）檢查這三個基本電路以確定它們的優缺點很有用。

圖 3 顯示了基本的半波整流器。 唯一可取之處是它非常簡單，僅使用一個整流器。 缺點是它僅使用一半的功率週期，使得電路在啟動時的理論效率低於 50%。 通常，半波整流器電源的效率僅為 30%。 由於變壓器是昂貴的物品，這種低效率的成本非常高。 其次，波形很難過濾。 有一半的時間變壓器根本沒有電力。 平滑輸出需要非常高的電容值。 它很少用於模擬電源。

圖 3. 半波整流器電路很簡單，但它產生的輸出波形很差，很難過濾。 此外，一半的變壓器功率被浪費了。 （請注意，為了清楚起見，省略了濾波電容器，因為它們會改變波形。）

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當半波整流電路中添加濾波電容器時，會發生一件有趣且重要的事情。 空載電壓差加倍。 這是因為電容器存儲了周期前半部分（正部分）的能量。 當後半部分發生時，電容器保持正峰值電壓，而負峰值電壓施加到另一個端子，導致電容器看到完整的峰峰值電壓，並通過它看到二極管。 因此，對於上述 25.2 伏變壓器，這些組件看到的實際峰值電壓可能超過 80 伏！

圖 4（頂部電路）是典型全波/中心抽頭整流器電路的示例。 在大多數情況下，當使用它時，可能不應該這樣做。 它提供了一個經過完全校正的良好輸出。 這使得過濾相對容易。 它僅使用兩個整流器，因此非常便宜。 然而，它並不比上面介紹的半波電路更有效。

圖 4. 全波設計（頂部）產生良好的輸出。 通過重新繪製電路（底部），可以看出它實際上只是兩個連接在一起的半波整流器。 同樣，一半的變壓器功率被浪費了。

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通過重新繪製帶有兩個變壓器的電路可以看出這一點（圖 4 底部）。 完成此操作後，很明顯全波實際上只是連接在一起的兩個半波電路。 每個變壓器功率週期的一半未被使用。 因此，最大理論效率為 50%，實際效率約為 30%。

該電路的 PIV 是半波電路的一半，因為二極管的輸入電壓是變壓器輸出的一半。 中心抽頭向變壓器繞組的兩端提供一半的電壓。 因此，對於 25.2 伏變壓器示例，PIV 為 35.6 伏加上空載電壓，大約增加了 10%。

圖 5 顯示了橋式整流電路，通常應作為首選。 輸出經過完全整流，因此濾波相當容易。 然而，最重要的是，它使用了兩個半功率週期。 這是最高效的設計，可以充分利用昂貴的變壓器。 添加兩個二極管比將變壓器額定功率加倍（以“伏安”或 VA 為單位測量）要便宜得多。

圖 5. 橋式整流器方法（頂部）充分利用變壓器功率並進行全波整流。 此外，通過改變接地參考（底部），可以獲得雙電壓電源。

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該設計的唯一缺點是電源必須通過兩個二極管，從而產生 1.4 伏的壓降，而不是其他設計的 0.7 伏。 一般來說，這只是低壓電源的一個問題，其中額外的 0.7 伏代表了輸出的很大一部分。 （在這種情況下，通常使用開關電源而不是上述電路。）

由於每個半週期使用兩個二極管，因此每個二極管只能看到一半的變壓器電壓。 這使得PIV等於峰值輸入電壓或變壓器電壓的1.414倍，這與上面的全波電路相同。

橋式整流器的一個非常好的功能是可以更改接地參考以產生正輸出電壓和負輸出電壓。 如圖 5 底部所示。

篩選

幾乎所有模擬電源的濾波都來自濾波電容器。 可以使用與輸出串聯的電感器，但在 60 Hz 時，這些電感器必須相當大且昂貴。 有時，它們用於高壓電源，其中合適的電容器價格昂貴。

計算濾波電容 (C) 的公式非常簡單，但您需要知道可接受的峰峰值紋波電壓 (V)、半週期時間 (T) 和消耗電流 (I)。 公式為 C=I*T/V，其中 C 的單位為微法，I 的單位為毫安，T 的單位為毫秒，V 的單位為伏特。 60 Hz 的半週期時間為 8.3 毫秒（參考：1997 Radio Amateur's Handbook）。

從公式中可以清楚地看出，對於大電流和/或低紋波電源，濾波要求會增加，但這只是常識。 一個容易記住的例子是每安培 3,000 微法的電流將提供大約 XNUMX 伏的紋波。 您可以使用此示例中的各種比率來相當快速地提供對您所需內容的合理估計。

一個重要的考慮因素是導通時的電流浪湧。 濾波電容器在充電之前充當完全短路的角色。 電容器越大，浪湧就越大。 變壓器越大，浪湧越大。 對於大多數低壓模擬電源（<50 伏），變壓器繞組電阻會有所幫助。 25.2 伏/雙安變壓器的測量次級電阻為 0.6 歐姆。 這將最大浪湧電流限制為 42 安培。 此外，變壓器的電感會稍微降低這一點。 然而，導通時仍然存在很大的潛在電流浪湧。

好消息是，現代矽整流器通常具有巨大的浪湧電流能力。 標準 1N400x 系列二極管通常指定具有 30 安培的浪湧電流。 對於橋式電路，有兩個二極管承載該電流，因此最壞情況是每個二極管 21 安培，低於 30 安培規格（假設均流相等，但情況並非總是如此）。 這是一個極端的例子。 通常，使用大約 10 的係數，而不是 21。

然而，當前的激增不容忽視。 多花幾美分使用三安培橋接器而不是一安培橋接可能是值得的。

實用設計

我們現在可以運用這些規則和原則並開始設計基本電源。 我們將使用 25.2 伏變壓器作為設計的核心。 圖 6 可以看作是前面各圖的合成，但添加了實際部分值。 次級線圈中的第二個指示燈指示其狀態。 它還顯示電容器上是否有電荷。 由於值如此之大，這是一個重要的安全考慮因素。 （請注意，由於這是直流信號，因此不需要 1N4004 反向電壓二極管。）

圖 6. 具有實際零件規格的電源最終設計。 調節功率將在下一篇文章中討論。

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並聯使用兩個較小的電容器可能比使用一個大電容器更便宜。 電容器的工作電壓必須至少為63伏； 50 伏對於 40 伏峰值來說不夠裕量。 50 伏裝置僅提供 25% 的裕度。 對於非關鍵應用來說這可能沒問題，但如果電容器在這裡出現故障，結果可能是災難性的。 63 伏電容器可提供約 60% 的裕度，而 100 伏器件可提供 150% 的裕度。 對於電源，一般經驗法則是整流器和電容器的裕度在 50% 到 100% 之間。 （如圖所示，紋波應約為兩伏。）

橋式整流器必須能夠處理高初始電流浪湧，因此額外花費一兩毛錢來提高可靠性是值得的。 請注意，電橋是根據變壓器可以提供的電源來指定的，而不是根據電源最終指定的用途來指定的。 這樣做是為了防止輸出短路。 在這種情況下，變壓器的全部電流將通過二極管。 請記住，電源故障是一件壞事。 因此，將其設計得堅固耐用。

結論

細節是設計電源時的重要考慮因素。 注意 RMS 電壓和峰值電壓之間的差異對於確定電源的正確工作電壓至關重要。 此外，初始浪湧電流也是不容忽視的。

在第 2 部分中，我們將通過添加一個三端穩壓器來完成該項目。 我們將設計一種具有遠程關閉功能的通用、限流、可調電壓電源。 此外，該設計所使用的原理可以應用於任何電源設計。 

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