Was entscheidet über den Strom eines Wechselstrom-zu-Gleichstrom-Kreises?

Schauen wir uns an, was jeder Teil Ihrer Schaltung tut:

Der Transformator wandelt 230 VAC in 12 VAC um. Der bei diesen 12 V verfügbare Strom ist eine Funktion des Transformators. Schauen Sie sich das Datenblatt des Transformators an. Es hat entweder direkt einen Nennausgangsstrom oder eine Gesamt-VA-Bewertung. Die VA-Bewertung ist die maximale Amperezahl mal Volt, die der Transformator verarbeiten kann. Beispielsweise kann ein 15-VA-, 12-V-Transformator angeblich (15 VA)/(12 V) = 1,25 A verarbeiten.

Beachten Sie, dass diese 12 V Effektivwerte sind. Die Spitzen einer Sinuswelle sind sqrt(2) höher als der Effektivwert. 12 V RMS bedeutet also in diesem Fall 17 V Spitzen, insgesamt ±17 V.

Die vier Dioden sind in einer Vollweggleichrichterkonfiguration angeordnet . Dies nimmt im Grunde den absoluten Wert der Eingangsspannung. Der Absolutwert einer ±17-V-Wellenform variiert zwischen 0 und 17 V. Effektiv werden die negativen Spitzen gefaltet, um zu positiven Spitzen zu werden. Ihre Zeichnung ist eine vernünftige Darstellung davon.

Die Vollwellenbrücke ist jedoch nicht ideal. Es gibt zwei nicht ideale Dioden in Reihe mit jedem Teil des Ausgangssignals. Stellen Sie sich vor, jede Diode fällt um etwa 700 mV ab, sodass der Ausgang etwa 1,4 V unter den idealen 17 V liegt. Stellen Sie sich vor, die Spitzenwerte liegen bei etwa 15,6 V, die aus der Vollwellenbrücke kommen.

Der Kondensator ist wie ein Tank, der Spannung hält. Es wird mit dem gefüllt, was aus der Vollwellenbrücke kommt, und von der Schaltung geleert, wenn sie Strom benötigt. Der Kondensator wird bei jeder Spitze immer bis zur Spitzenspannung aufgeladen. Das heißt, es würde bei etwa konstanten 15,6 V liegen, wenn die Schaltung keinen Strom zieht. Wenn die Schaltung Strom zieht, fällt die Spannung zwischen den Spitzen etwas ab und wird dann bei jeder Spitze wieder auf den 15,6-V-Pegel aufgefüllt. Da es 2 Spitzen pro Netzzyklus gibt, wird der Kondensator zweimal pro Netzzyklus oder alle 10 ms für einen 50-Hz-Eingang auf den vollen 15,6-V-Pegel aufgeladen.

Wir können berechnen, wie stark die Spannung zwischen Spitzen abfällt. Nehmen wir der Einfachheit halber an, dass die Kappe alle 10 ms sofort auf 15,6 V aufgeladen wird und die Schaltung kontinuierlich 700 mA zieht. Der Spannungsabfall an einem Kondensator beträgt in gängigen Einheiten:

    V = As / F

Wenn wir unsere Zahlen einsetzen, erhalten wir:

    (700 mA)(10 ms)/(1 mF) = 7 V

Die Spannung am Kondensator ist daher ungefähr ein Sägezahn mit Spitzen von 15,6 V und Tiefpunkten von 8,6 V. Das ist tatsächlich eine ziemlich große Welligkeit.

Der verbleibende Teil in Ihrem Schaltplan ist ein 7805-Regler. Es gibt konstante 5 V aus, solange die Eingangsspannung hoch genug bleibt, damit der 7805 funktioniert. Das sind etwa 7,5 V für die meisten 7805-Varianten. Da die minimale Eingangsspannung des 7805 in diesem Fall 8,6 V beträgt, sind die erforderlichen Bedingungen erfüllt.

Allerdings muss man die Verlustleistung berücksichtigen. Eine Möglichkeit, sich den 7805 vorzustellen, ist ein variabler Widerstand zwischen Eingang und Ausgang sowie einige Steuerschaltungen. Die Steuerschaltung passt den Widerstand ständig so an, dass er um den richtigen Betrag abfällt, um den Ausgang auf 5 V zu halten. Der Eingangsstrom des 7805 ist daher derselbe wie der Ausgangsstrom. Tatsächlich verbraucht die Steuerschaltung ein wenig zusätzlichen Eingangsstrom, aber dieser ist so gering, dass Sie ihn in den meisten Fällen vernachlässigen können.

Das Problem dabei ist, dass dieser konzeptionell optimierte Widerstand eine erhebliche Leistung verbraucht. Leistung ist Spannung mal Strom. Sie haben 8,6 bis 15,6 V bei 700 mA Eingang und 5 V bei 700 mA Ausgang. Offensichtlich ist die eingehende Leistung höher als die ausgehende Leistung. Sie können dies auch direkt sehen, indem Sie sich die Spannung über dem Regler ansehen, die 3,6 bis 10,6 V beträgt. Das mal der 700-mA-Strom ergibt eine beträchtliche Leistung. Für eine ideale Sägezahnwelle würde diese durchschnittliche Leistung etwa 5 W betragen. Diese Leistung wird im Regler in Wärme umgewandelt.

5 W sind viel mehr Wärme, als etwas in einem TO-220-Gehäuse in freier Luft abführen kann, ohne zu heiß zu werden. Mit einem richtigen Kühlkörper kann es damit umgehen, aber Sie brauchen definitiv einen Kühlkörper. Ohne einen wird der 7805 schnell heiß. Dadurch wird es heruntergefahren, um zu verhindern, dass es sich selbst zerstört. Nachdem es für eine Weile abgekühlt ist, schaltet es sich wieder ein, wird dann wieder zu heiß usw. Der Ausgang geht weiter an und aus und lässt nicht zu, dass alles, was Sie angeschlossen haben, richtig läuft.

Um zu beginnen, können Sie dies zum Laufen bringen, indem Sie einen anständigen Kühlkörper auf den 7805-Regler setzen.

Eine bessere Antwort ist, den 7805 durch einen Abwärtsumschalter zu ersetzen. Die sind viel effizienter. Bei einem Linearregler wie dem 7805 ist der Eingangsstrom gleich dem Ausgangsstrom plus ein wenig Verlustleistung. Bei einem Umschalter ist die Eingangsleistung gleich der Ausgangsleistung plus etwas Verlustleistung. Angenommen, Sie verwenden einen Switcher mit einer Effizienz von 90 %. Das ist gut, aber erreichbar. Die Ausgangsleistung beträgt (700 mA)(5 V) = 3,5 W. Die Eingangsleistung des Umschalters wäre daher (3,5 W)/90 % = 3,9 W. Die Differenz von 400 mW erwärmt den Umschalter. In vielen Fällen ist dies niedrig genug, um keine absichtliche Wärmeableitung zu erfordern.

12 VDC bis 5 V mit einer linearen Ausrichtung sind 4,9 W Verlustleistung und viel zu viel. Verwenden Sie einen 6-V-Transformator und einen LDO oder einen Schaltregler, wenn Sie einen 12-V-Transformator verwenden. Suchen Sie im Datenblatt des/der Regler nach geeigneten Eingangs- und Ausgangskondensatoren.

Der verfügbare Strom hängt von dem von Ihnen gewählten Transformator und dann von dem von Ihnen gewählten Regler ab.

Beispielsweise liefert ein 1A-Regler bis zu 1A, vorausgesetzt, Sie verbrauchen nicht zu viel Strom und überhitzen ihn daher. Sie müssen ein wenig über die Verlustleistung recherchieren, wie sie einen Temperaturanstieg verursacht und wie Kühlkörper dazu beitragen können, diesen Anstieg zu begrenzen. Als P = VI, wenn Sie 12 V Eingang und 5 V Ausgang haben, lassen Sie 7 V über den 7805 fallen, wie er ist. Bei 0,7 A sind das 4,9 W. Schauen Sie einfach auf das Datenblatt, um herauszufinden, wie stark das das Gerät aufheizen würde!

Beim Trafo gilt es, darauf zu achten, ein Gerät zu wählen, dessen Sekundärwicklung ausreichend Strom liefern kann. Denken Sie auch daran, dass ein 12-V-Transformator 12 * Wurzel 2 (etwa 1,41) Volt Gleichstrom liefert, bevor die Spannung über dem Brückengleichrichter abfällt (etwa 1,4 V); mehr als 12 V einmal geglättet. (12 * 1,41) - 1,4 = etwa 15,5 V.

Schaltregler helfen sehr beim Umschalten von etwa 12 V auf 5 V, da Sie nicht nur die gesamte Leistung im Regler selbst verlieren, sondern das ist ein ganz anderes Problem, das untersucht werden muss.