옛말에 "사람에게 물고기를 주면 그는 하루 동안 먹을 수 있고, 사람에게 물고기 잡는 법을 가르쳐주면 그는 영원히 먹을 수 있다"는 말이 있습니다. 독자에게 전원 공급 장치 구축을 위한 특정 디자인을 제공하는 많은 기사가 있으며 이러한 요리책 디자인에는 잘못된 것이 없습니다. 그들은 종종 매우 좋은 성능을 보입니다. 그러나 독자들에게 스스로 전원 공급 장치를 설계하는 방법을 가르치지는 않습니다. 두 부분으로 구성된 이 기사는 처음부터 시작하여 기본 아날로그 전원 공급 장치를 구축하는 데 필요한 모든 단계를 설명합니다. 설계는 유비쿼터스 XNUMX단자 조정기에 초점을 맞추고 기본 설계에 대한 여러 개선 사항을 포함합니다.

특정 제품용 또는 일반 테스트 장비용 전원 공급 장치는 사용자를 감전시키거나 화재를 일으키거나 전원을 공급하는 장치를 파괴할 가능성이 있다는 점을 항상 기억하는 것이 중요합니다. 분명히 이것은 좋은 일이 아닙니다. 이러한 이유로 이 디자인에 보수적으로 접근하는 것이 중요합니다. 구성 요소에 충분한 여백을 제공하십시오. 잘 설계된 전원 공급 장치는 눈에 띄지 않습니다.

입력 전력 변환

그림 1은 일반적인 아날로그 전원 공급 장치의 기본 설계를 보여줍니다. 세 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다. 입력 전력 변환 및 컨디셔닝; 정류 및 필터링; 및 규제. 입력 전원 변환은 일반적으로 전원 변압기이며 여기에서 고려하는 유일한 방법입니다. 그러나 언급해야 할 몇 가지 중요한 사항이 있습니다.

그림 1. 기본 아날로그 전원 공급 장치는 세 부분으로 구성됩니다. 처음 두 개는 이 문서에서 설명하고 마지막은 다음 편에서 설명합니다.

첫 번째는 117VAC(Volts Alternating Current)가 실제로 RMS(Root Mean Square) 측정이라는 것입니다. (나는 110 VAC에서 125 VAC 사이의 일반 가정 전력이 지정된 것을 본 적이 있습니다. 방금 광산을 측정한 결과 정확히 120.0 VAC인 것으로 나타났습니다.) 사인파의 RMS 측정은 실제 피크 전압보다 훨씬 낮고 다음을 나타냅니다. 동일한 전력을 제공하는 데 필요한 등가 DC(직류) 전압.

RMS 변환은 파형에 따라 다릅니다. 사인파의 경우 값은 1.414입니다. 이것은 169.7볼트 주변의 편차가 실제로 120볼트(내 169.7VAC 전원의 경우)임을 의미합니다. 전력은 매 주기마다 -169.7볼트에서 +339.4볼트로 바뀝니다. 따라서 피크 대 피크 전압은 실제로 XNUMXV입니다!

이 전압은 주 전원 라인에 바이패스 커패시터를 추가하여 노이즈가 전원 공급 장치로 들어오거나 나가는 것을 억제할 때(일반적인 상황) 특히 중요합니다. 실제 전압이 120볼트라고 생각되면 150볼트 커패시터를 사용할 수 있습니다. 보시다시피 이것은 올바르지 않습니다. 커패시터의 절대적인 최소 안전 작동 전압은 200볼트입니다(250볼트가 더 좋음). 라인에 노이즈/스파이크가 나타날 것으로 예상되는 경우 해당 노이즈/스파이크 전압을 피크 전압에 추가해야 한다는 점을 잊지 마십시오.

입력 주파수는 미국에서 보편적으로 60Hz입니다. 유럽에서는 50Hz가 일반적입니다. 60Hz 정격 변압기는 일반적으로 50Hz에서 잘 작동하며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 또한 전력선의 주파수 안정성은 일반적으로 우수하며 거의 고려 대상이 아닙니다. 경우에 따라 400Hz 변압기를 사용할 수 있습니다. 이들은 일반적으로 군사 또는 항공 장치이며 일반적으로 50/60Hz 전력(또는 그 반대)에서 사용하기에 적합하지 않습니다.

변압기의 출력도 RMS 전압으로 지정됩니다. 또한 지정된 전압은 최대 부하에서 예상되는 최소 전압입니다. 종종 무부하 상태에서 정격 출력이 약 10% 증가합니다. (내 25.2볼트/28.6암페어 변압기는 무부하 상태에서 25.2볼트를 측정합니다.) 이것은 내 40.4볼트 변압기의 실제 무부하/피크 출력 전압이 XNUMX볼트임을 의미합니다! 보시다시피 AC 전원의 정격 RMS 전압은 실제 피크 전압보다 상당히 낮다는 점을 기억하는 것이 항상 중요합니다.

그림 2는 일반적인 입력 전력 변환 및 컨디셔닝 설계를 제공합니다. 절대적으로 필요한 것은 아니지만 이중 극 스위치를 사용하는 것을 선호합니다. 이것은 잘못 배선된 전기 콘센트(오늘날은 드물다) 또는 전원 공급 장치 자체의 잘못 배선된 전원 리드(훨씬 더 일반적임)로부터 보호합니다. 전원 스위치가 꺼지면 핫 리드가 전원 공급 장치에서 분리되는 것이 중요합니다.

그림 2. 입력 컨디셔닝은 매우 기본적이지만 RMS 전압이 피크 전압과 동일하지 않다는 점을 기억해야 합니다. 120VAC RMS의 피크 전압은 약 170볼트입니다.

퓨즈(또는 회로 차단기)가 필요합니다. 그것의 주요 목적은 화재를 예방하는 것입니다. 왜냐하면 그것 없이는 변압기 또는 250차 회로 단락으로 인해 막대한 전류가 흐르게 되어 금속 부품이 붉어지거나 심지어 하얗게 뜨거워질 수 있기 때문입니다. 일반적으로 XNUMX볼트 정격의 슬로우 블로우 유형입니다. 전류 등급은 변압기가 그릴 것으로 예상할 수 있는 것의 약 두 배여야 합니다.

예를 들어 위에서 언급한 25.2볼트 0.42암페어 변압기는 약 25.2암페어의 기본 전류(120볼트/XNUMX볼트 x XNUMX암페어)를 끌어옵니다. 따라서 XNUMX 암페어 퓨즈가 합리적입니다. 보조 퓨즈는 다음 기사에서 설명합니다.

바이패스 커패시터는 노이즈를 필터링하는 데 도움이 되며 옵션입니다. 피크 전압이 약 170볼트이므로 250볼트 정격이 한계 200볼트 정격보다 낫습니다. "전원 입력 필터"를 사용할 수 있습니다. 이러한 단위에는 많은 유형이 있습니다. 일부는 하나의 소형 패키지에 표준 전원 커넥터, 스위치, 퓨즈 홀더 및 필터를 포함합니다. 다른 것들은 이러한 구성 요소 중 일부만 가질 수 있습니다. 일반적으로 모든 것을 갖춘 것은 상당히 비싸지만 잉여 단위는 일반적으로 매우 합리적인 가격으로 찾을 수 있습니다.

기본 회로에 전원이 공급되는지 확인할 수 있는 것이 중요하므로 표시등이 사용됩니다. 두 개의 일반적인 회로가 표시됩니다. 네온 램프는 수십 년 동안 사용되었습니다. 간단하고 저렴합니다. 그것은 다소 깨지기 쉬운 단점이 있습니다 (유리로 만들어짐). 저항이 너무 크면 깜박일 수 있습니다. 실제로 약간의 전기 노이즈를 생성할 수 있습니다(네온 가스의 갑작스러운 이온 분해로 인해).

LED 회로에는 전류 제한 저항도 필요합니다. 10,000hms에서 약 12mA의 전류가 제공됩니다. 대부분의 LED는 최대 전류가 20mA이므로 12mA가 적당합니다. (고효율 LED는 1mA 또는 2mA만으로도 만족스럽게 작동할 수 있으므로 필요에 따라 저항을 증가시킬 수 있습니다.)

LED는 역방향 항복 전압(일반적으로 10~20볼트)이 정말 좋지 않습니다. 이러한 이유로 두 번째 다이오드가 필요합니다. 최소 170볼트의 PIV(Peak Inverse Voltage)에서 작동할 수 있어야 합니다. 표준 1N4003은 많은 마진을 제공하지 않는 200 PIV로 평가됩니다. 1N4004는 400 PIV로 평가되며 비용은 400페니 더 비쌉니다. LED와 직렬로 배치하면 전체 PIV는 XNUMX에 LED PIV를 더한 값이 됩니다.

수정 및 필터링

그림 3, 4 및 5는 위에 표시된 출력 파형이 있는 가장 일반적인 정류 회로를 보여줍니다. (필터 커패시터는 추가하면 파형이 DC 전압과 같은 것으로 바뀌기 때문에 표시하지 않았습니다.) 이 세 가지 기본 회로를 검토하여 장단점을 식별하는 것이 유용합니다.

그림 3은 기본 반파 정류기를 보여줍니다. 이것의 유일한 보상 특성은 단 하나의 정류기를 사용하여 매우 간단하다는 것입니다. 나쁜 기능은 전원 주기의 절반만 사용하여 회로의 이론적 효율성을 시작하는 데 50% 미만으로 만드는 것입니다. 종종 반파 정류기 전원 공급 장치는 효율이 30%에 불과합니다. 변압기는 고가의 품목이기 때문에 이러한 비효율은 비용이 많이 듭니다. 둘째, 파형은 필터링하기가 매우 어렵습니다. 절반의 시간은 변압기에서 전혀 전원이 들어오지 않습니다. 출력을 평활화하려면 매우 높은 커패시턴스 값이 필요합니다. 아날로그 전원 공급 장치에는 거의 사용되지 않습니다.

그림 3. 반파 정류기 회로는 단순하지만 필터링하기 매우 어려운 열악한 출력 파형을 생성합니다. 또한 변압기 전력의 절반이 낭비됩니다. (필터링 커패시터는 파형을 변경하기 때문에 명확성을 위해 생략되었습니다.)

필터 커패시터가 반파 정류기 회로에 추가될 때 흥미롭고 중요한 일이 발생합니다. 무부하 전압 차이는 두 배가 됩니다. 이는 커패시터가 사이클의 전반부(양극 부분)에서 에너지를 저장하기 때문입니다. 후반부가 발생하면 커패시터는 양의 피크 전압을 유지하고 음의 피크 전압은 다른 단자에 적용되어 전체 피크 대 피크 전압이 커패시터와 이를 통해 다이오드에 표시됩니다. 따라서 위의 25.2볼트 변압기의 경우 이러한 구성 요소에서 볼 수 있는 실제 피크 전압은 80볼트 이상일 수 있습니다!

그림 4(상단 회로)는 일반적인 전파/중앙 탭 정류기 회로의 예입니다. 이것이 사용될 때, 대부분의 경우 아마도 그렇게 해서는 안됩니다. 완전히 정류된 멋진 출력을 제공합니다. 이렇게 하면 필터링이 상대적으로 쉬워집니다. 정류기 XNUMX개만 사용하므로 매우 저렴합니다. 그러나 위에 제시된 반파 회로보다 효율적이지 않습니다.

그림 4. 전파 설계(위)는 멋진 출력을 생성합니다. 회로(하단)를 다시 그려보면 실제로는 함께 연결된 두 개의 반파 정류기임을 알 수 있습니다. 다시 말하지만 변압기 전력의 절반이 낭비됩니다.

이것은 4개의 변압기로 회로를 다시 그리면 알 수 있습니다(그림 50 하단). 이것이 완료되면 전파가 실제로 함께 연결된 두 개의 반파 회로라는 것이 분명해집니다. 각 변압기 전원 주기의 절반은 사용되지 않습니다. 따라서 최대 이론 효율은 30%이고 실제 효율은 약 XNUMX%입니다.

다이오드에 대한 입력 전압이 변압기 출력의 절반이기 때문에 회로의 PIV는 반파 회로의 절반입니다. 중앙 탭은 변압기 권선의 두 끝에 전압의 절반을 제공합니다. 따라서 25.2볼트 변압기 예의 경우 PIV는 35.6볼트에 약 10% 더 많은 무부하 증가를 더한 값입니다.

그림 5는 일반적으로 가장 먼저 선택해야 하는 브리지 정류기 회로를 나타냅니다. 출력이 완전히 정류되므로 필터링이 매우 쉽습니다. 그러나 가장 중요한 것은 전원 주기의 절반을 모두 사용한다는 것입니다. 이것은 가장 효율적인 설계이며 고가의 변압기를 최대한 활용합니다. XNUMX개의 다이오드를 추가하는 것은 변압기 전력 등급("Volt-Amps" 또는 VA로 측정)을 두 배로 늘리는 것보다 훨씬 저렴합니다.

그림 5. 브리지 정류기 방식(상단)은 변압기 전력을 최대한 활용하고 전파 정류를 제공합니다. 또한 접지 기준(하단)을 변경하여 이중 전압 전원 공급 장치를 얻을 수 있습니다.

이 설계의 유일한 단점은 전력이 다른 설계의 경우 1.4볼트가 아닌 0.7볼트의 전압 강하로 인해 두 개의 다이오드를 통과해야 한다는 것입니다. 일반적으로 이는 추가 0.7V가 출력의 상당 부분을 나타내는 저전압 전원 공급 장치에만 해당됩니다. (이러한 경우 위의 회로가 아닌 스위칭 전원 공급 장치가 일반적으로 사용됩니다.)

각 반주기에 두 개의 다이오드가 사용되기 때문에 변압기 전압의 절반만 각각에 표시됩니다. 이것은 PIV를 피크 입력 전압 또는 변압기 전압의 1.414배와 같게 하며, 이는 위의 전파 회로와 동일합니다.

브리지 정류기의 매우 좋은 기능은 접지 기준을 변경하여 양극 및 음극 출력 전압을 생성할 수 있다는 것입니다. 이는 그림 5의 하단에 나와 있습니다.

회로	필터 요구 사항	PIV 계수	변압기 사용
반파	큰	2.82	50%(이론적)
전파	작은	1.414	50%(이론적)
다리	작은	1.414	100%(이론적)

표 1. 다양한 정류기 회로의 특성 요약.

필터링

아날로그 전원 공급 장치의 거의 모든 필터링은 필터 커패시터에서 나옵니다. 인덕터를 출력과 직렬로 사용하는 것이 가능하지만 60Hz에서 이러한 인덕터는 상당히 크고 비쌉니다. 때때로 적절한 커패시터가 비싼 고전압 전원 공급 장치에 사용됩니다.

필터 커패시터(C)를 계산하는 공식은 매우 간단하지만 허용 가능한 피크 대 피크 리플 전압(V), 반주기 시간(T) 및 소비되는 전류(I)를 알아야 합니다. 공식은 C=I*T/V입니다. 여기서 C는 마이크로패럿, I는 밀리암페어, T는 밀리초, V는 볼트입니다. 60Hz의 반주기 시간은 8.3밀리초입니다(참조: 1997년 라디오 아마추어 핸드북).

높은 전류 및/또는 낮은 리플 전원 공급 장치에 대해 필터링 요구 사항이 증가한다는 것은 공식에서 분명하지만 이는 상식에 불과합니다. 기억하기 쉬운 예는 전류 암페어당 3,000마이크로패럿이 약 XNUMX볼트의 리플을 제공한다는 것입니다. 이 예에서 다양한 비율을 사용하여 상당히 신속하게 필요한 것에 대한 합리적인 추정치를 제공할 수 있습니다.

한 가지 중요한 고려 사항은 전원을 켤 때의 전류 서지입니다. 필터 커패시터는 충전될 때까지 데드 쇼트 역할을 합니다. 커패시터가 클수록 이 서지는 더 커집니다. 변압기가 클수록 서지가 커집니다. 대부분의 저전압 아날로그 전원 공급 장치(<50볼트)의 경우 변압기 권선 저항이 어느 정도 도움이 됩니다. 25.2볼트/0.6암페어 변압기의 측정된 42차 저항은 XNUMX옴입니다. 이렇게 하면 최대 돌입이 XNUMX암페어로 제한됩니다. 또한 변압기의 인덕턴스는 이를 다소 감소시킵니다. 그러나 전원을 켤 때 여전히 큰 잠재적인 전류 서지가 있습니다.

좋은 소식은 최신 실리콘 정류기에는 종종 엄청난 서지 전류 기능이 있다는 것입니다. 표준 1N400x 다이오드 제품군은 일반적으로 30암페어의 서지 전류로 지정됩니다. 브리지 회로에는 이를 전달하는 21개의 다이오드가 있으므로 최악의 경우는 각각 30A이며 이는 10A 사양 미만입니다(항상 그런 것은 아니지만 동일한 전류 공유를 가정). 이것은 극단적인 예입니다. 일반적으로 21 대신 약 XNUMX의 계수가 사용됩니다.

그럼에도 불구하고 이 전류 급증은 무시할 수 있는 것이 아닙니다. XNUMX암페어 브리지 대신 XNUMX암페어 브리지를 사용하기 위해 몇 센트를 더 쓰는 것은 돈을 잘 쓰는 것일 수 있습니다.

실용 디자인

이제 이러한 규칙과 원칙을 적용하고 기본 전원 공급 장치 설계를 시작할 수 있습니다. 25.2볼트 변압기를 설계의 핵심으로 사용하겠습니다. 그림 6은 이전 그림을 합성한 것으로 볼 수 있지만 실제 부품 값이 추가되었습니다. 보조의 두 번째 표시등은 상태를 나타냅니다. 커패시터에 전하가 있는지 여부도 표시합니다. 값이 너무 크므로 이는 중요한 안전 고려 사항입니다. (이것은 DC 신호이므로 1N4004 역 전압 다이오드가 필요하지 않습니다.)

그림 6. 실제 부품 사양이 포함된 전원 공급 장치의 최종 설계. 권한을 규제하는 방법은 다음 기사에서 설명합니다.

하나의 큰 커패시터보다 두 개의 작은 커패시터를 병렬로 사용하는 것이 더 저렴할 수 있습니다. 커패시터의 작동 전압은 63볼트 이상이어야 합니다. 50볼트는 40볼트 피크에 대한 여유가 충분하지 않습니다. 50볼트 장치는 25%의 마진만 제공합니다. 중요하지 않은 애플리케이션에는 괜찮을 수 있지만 여기에서 커패시터가 실패하면 그 결과는 치명적일 수 있습니다. 63볼트 커패시터는 약 60%의 마진을 제공하는 반면 100볼트 장치는 150%의 마진을 제공합니다. 전원 공급 장치의 경우 일반적으로 정류기와 커패시터의 마진은 50%~100% 사이입니다. (리플은 그림과 같이 약 XNUMX볼트여야 합니다.)

브리지 정류기는 높은 초기 전류 서지를 처리할 수 있어야 하므로 안정성 향상을 위해 추가 비용을 지출하는 것이 좋습니다. 브리지는 전원 공급 장치가 최종적으로 지정되는 것이 아니라 변압기가 공급할 수 있는 것에 의해 지정됩니다. 이것은 출력 단락이 있는 경우에 수행됩니다. 이 경우 변압기의 전체 전류가 다이오드를 통해 전달됩니다. 전원 공급 장치 오류는 나쁜 것임을 기억하십시오. 따라서 견고하게 설계하십시오.

결론

세부 사항은 전원 공급 장치를 설계할 때 중요한 고려 사항입니다. RMS 전압과 피크 전압의 차이에 주목하는 것은 공급 장치에 대한 적절한 작동 전압을 결정하는 데 중요합니다. 또한 초기 서지 전류는 무시할 수 없는 것입니다.

2부에서는 XNUMX단자 조정기를 추가하여 이 프로젝트를 완료합니다. 우리는 원격 차단 기능이 있는 범용, 전류 제한, 가변 전압 전원 공급 장치를 설계할 것입니다. 또한 이 설계에 사용된 원칙은 모든 전원 공급 장치 설계에 적용할 수 있습니다.

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