Расчет блоков питания. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Начинающему радиолюбителю

 Комментарии к статье

Подавляющее большинство радиолюбительских конструкций получает питание от электросети через блок питания. Он обычно содержит сетевой трансформатор Т1 (рис.45), диодный выпрямитель VD1 -VD4 и оксидный сглаживающий конденсатор большой емкости С1. К вспомогательным, но нужным устройствам относятся выключатель SA1, предохранитель FU1 и индикатор включения - миниатюрная лампа накаливания HL1, с номинальным напряжением, несколько большим напряжения вторичной обмотки трансформатора (лампы, горящие с недокалом, гораздо дольше служат).

Стабилизатор напряжения, если он имеется, включается между выходом выпрямителя и нагрузкой. Напряжение на его выходе, как правило, меньше Uвых, и на стабилизаторе тратится заметная мощность.

Начнем с расчета сетевого трансформатора. Его габариты и масса полностью определяются той мощностью, которую должен отдавать блок питания: Рвых = Uвых ·Iвых. Если вторичных обмоток несколько, то надо просуммировать все мощности, потребляемые по каждой из обмоток. К посчитанной мощности следует добавить мощность индикаторной лампочки Ринд и мощность потерь на диодах выпрямителя

Рвыпр = 2Uпр · Iвых

где Unp - прямое падение напряжения на одном диоде, для кремниевых диодов оно составляет 0,6... 1 В, в зависимости от тока. Unp можно определить по характеристикам диодов, приводимых в справочниках.

От сети трансформатор будет потреблять мощность, несколько большую рассчитанной, что связано с потерями в самом трансформаторе. Различают "потери в меди" - на нагрев обмоток при прохождении по ним тока - это обычные потери, вызванные активным сопротивлением обмоток, и "потери в железе", вызванные работой по перемагничиванию сердечника и вихревыми токами в его пластинах. Отношение потребляемой из сети к отдаваемой мощности равно КПД трансформатора η. КПД маломощных трансформаторов невелик и составляет 60...65 %, возрастая до 90 % и более лишь для трансформаторов мощностью несколько сотен ватт. Итак,

Ртр = (Рвых + Ринд + Рвыпр)/η

Теперь можно определить площадь сечения центрального стержня сердечника (проходящего сквозь катушку), пользуясь эмпирической формулой:

S2=Pтp.

В обозначениях магнитопроводов уже заложены данные для определения сечения. Например, Ш25х40 означает ширину центральной части Ш-образной пластины 25 мм, а толщину набора пластин 40 мм. Учитывая неплотное прилегание пластин друг к другу и слой изоляции на пластинах, сечение такого сердечника можно оценить в 8...9 см2, а мощность намотанного на нем трансформатора - в 65...80 Вт.

Площадь сечения центрального стержня магнитопровода трансформатора S определяет следующий важный параметр - число витков на вольт. Оно не должно быть слишком малым, иначе возрастает магнитная индукция в магнитопроводе, материал сердечника заходит в насыщение, при этом резко возрастает ток холостого хода первичной обмотки, а форма его становится не синусоидальной - возникают большие пики тока на вершинах положительной и отрицательной полуволн. Резко возрастают поле рассеяния и вибрация пластин. Другая крайность - излишнее число витков на вольт - приводит к перерасходу меди и повышению активного сопротивления обмоток. Приходится также уменьшать диаметр провода, чтобы обмотки уместились в окне магнитопровода. Подробнее эти вопросы рассмотрены в [1].

Число витков на вольт n у фабричных трансформаторов, намотанных на стандартном сердечнике из Ш-образных пластин, обычно рассчитывают из соотношения n = (45...50)/S, где S берется в см2. Определив n и умножив его на номинальное напряжение обмотки, получают ее число витков. Для вторичных обмоток напряжение следует брать на 10 % больше номинального, чтобы учесть падение напряжения на их активном сопротивлении.

Все напряжения на обмотках трансформатора (UI и UII на рис. 45) берутся в эффективных значениях.

Амплитудное значение напряжений будет в 1,41 раза выше. Если вторичная обмотка нагружена на мостовой выпрямитель, то напряжение на выходе выпрямителя Uвых на холостом ходу получается практически равным амплитудному на вторичной обмотке. Под нагрузкой выпрямленное напряжение уменьшается и становится равным:

Uвых = 1,41UII-2Unp-Iвыхrтp.

Здесь rтp - сопротивление трансформатора со стороны вторичной обмотки. С достаточной для практики точностью можно положить rтp = (0,03...0,07)Uвых/Iвых, причем меньшие коэффициенты берутся для более мощных трансформаторов.

Определив числа витков, следует найти токи в обмотках. Ток вторичной обмотки Iii = Iинд + Pвых/UII. Активный ток первичной обмотки (обусловленный током нагрузки) Iia = Ртр/UI. Кроме того, в первичной обмотке течет еще и реактивный, "намагничивающий" ток, создающий магнитный поток в сердечнике, практически равный току холостого хода трансформатора. Его величина определяется индуктивностью L первичной обмотки: Iip = Ui/2πfL

На практике ток холостого хода определяют экспериментально - у правильно спроектированного трансформатора средней и большой мощности он составляет (0,1...0,3)IiА. Реактивный ток зависит от числа витков на вольт, уменьшаясь с увеличением n. Для маломощных трансформаторов допускают Iip = (0,5...0,7)IiА. Активный и реактивный токи первичной обмотки складываются в квадратуре, поэтому полный ток первичной обмотки Ii2 = Iiai2 + Iipi2.

Определив токи обмоток, следует найти диаметр провода исходя из допустимой для трансформаторов плотности тока 2...3 А/мм2. Расчет облегчает график, показанный на рис. 46 [2].

Оценивают возможность размещения обмоток в окне следующим образом: измерив высоту окна (ширину катушки), определяют число витков одного слоя каждой обмотки и затем требуемое число слоев. Умножив число слоев на диаметр провода и прибавив толщину изолирующих прокладок, получают толщину обмотки. Толщина всех обмоток должна быть не более ширины окна. Более того, поскольку плотная намотка вручную невозможна, следует полученную толщину обмоток увеличить в 1,2...1,4 раза.

В заключение приведем упрощенный расчет выпрямителя (рис. 45). Допустимый прямой средний ток диодов в мостовой схеме должен быть не менее 0,5Iвых, практически выбирают (для надежности) диоды с большим прямым током. Допустимое обратное напряжение не должно быть меньше 0,71 Uii + 0,5Uвых, но поскольку на холостом ходу Uвых достигает 1,41Uii, обратное напряжение диодов целесообразно выбирать не меньше этой величины, т. е. амплитудного значения напряжения на вторичной обмотке. Полезно учесть еще и возможные колебания напряжения сети.

Амплитуду пульсаций выпрямленного напряжения в вольтах можно оценить по упрощенной формуле:

Uпульс = 5Iвых/С.

Выходной ток подставляется в амперах, емкость конденсатора С1 - в микрофарадах.

При токах нагрузки, составляющих несколько десятков миллиампер и менее, допустимо ограничиться простейшим устройством со стабилитроном.

При больших токах нагрузки рекомендуем применить несколько более сложный стабилизатор, схема которого показана на рис. 47.

Как видим, здесь к простейшему стабилизатору на элементах R1, VD1 добавлен эмиттерный повторитель, собранный на транзисторе VT1. Если в простейшем стабилизаторе ток нагрузки не может быть больше тока стабилитрона, то здесь он может превосходить ток стабилитрона в h21э раз, где h21э - статический коэффициент передачи тока базы транзистора в схеме с общим эмиттером. Для его увеличения часто на месте VT1 используют составной транзистор. Выходное напряжение стабилизатора на 0,6 В меньше напряжения стабилизации VD1 (на 1,2 В для составного транзистора).

Расчет стабилизированного блока питания рекомендуется начинать именно со стабилизатора. Исходя из требуемых напряжения и тока нагрузки, выбирают транзистор VT1 и стабилитрон VD1. Ток базы транзистора составит:

Iб = Iвых/h21э.

Он и явится выходным током простейшего стабилизатора на элементах R1 и VD1. Затем оцените минимальное напряжение на выходе выпрямителя Uвых-Uпульс - оно должно быть на 2...3 В больше требуемого напряжения на нагрузке даже при минимально допустимом напряжении сети. Далее расчет ведется описанным способом. Более совершенные схемы и расчет стабилизаторов даны в [3].

Вопросы для самопроверки

1. Пользуясь сведениями предыдущих разделов (импульсными характеристиками RC-цепочки), выведите приведенную выше формулу для амплитуды пульсаций на выходе нестабилизированного выпрямителя. При этом допустите длительность разрядки конденсатора на нагрузку выпрямителя равным 0,01 с (частота пульсаций 100 Гц) и используйте приближение e-t/RC - 1 - t/RC.

2. Найдя старый сетевой трансформатор (можно сгоревший), разберите и размотайте его, запоминая или даже записывая, как он устроен (это пригодится при самостоятельном изготовлении трансформаторов). Оцените числа витков обмоток и диаметр провода. Рассчитайте этот трансформатор по описанной методике и сравните результаты.

3. Рассчитайте полностью стабилизированный блок питания на напряжение 13,5 В и ток 1 А.

Ответы

Форма напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя без сглаживающего конденсатора показана на рис. 64 тонкой линией. Видим, что напряжение пульсирует от нуля до U_m с частотой 100 Гц. При наличии конденсатора он заряжается на пиках выпрямленного напряжения до значения, несколько меньшего U_m, и разряжается в промежутках между пиками. Среднее значение выпрямленного напряжения обозначено как U_вых. амплитуда пульсаций - U_пульс.

Во время разрядки конденсатора напряжение на нем изменяется по указанному в условии закону от значения U_вых + U_пульс до значения U_вых - U_пульс

Поэтому можно записать

U_вых - U_пульс =(U_вых + U_пульс)e^-t/RC-(U_вых + U_пульс).(1 - t/RC),

где t = 0,01 с; R - сопротивление нагрузки выпрямителя; С - емкость сглаживающего конденсатора.

Раскрывая скобки, сокращая U_вых и пренебрегая членом U_пульс·t/RC ввиду его малости (амплитуда пульсаций меньше U_вых) получаем 2U_пульс = U_вых·t/RC.

Отметим теперь, что U_вых/R равно току нагрузки I, и подставим t: U_пульс = 5·10^-3l/С,

где все величины надо подставлять в основных единицах - вольтах, амперах и фарадах. Если же ток взять в миллиамперах, а емкость - в микрофарадах, получим приведенную формулу для напряжения пульсаций в вольтах:

U_пульс= 5·l/C.

Литература

1. Поляков В. Уменьшение поля рассеяния трансформатора. - Радио, 1983, № 7, с. 28, 29.
2. Малинин Р.М. Питание радиоаппаратуры от электросети. - М.: Энергия, 1970.
3. Москвин А. Транзисторные стабилизаторы напряжения с защитой от перегрузки. - Радио, 2003, № 2, с. 26-28.

Автор: В.Поляков

Смотрите другие статьи раздела Начинающему радиолюбителю.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Ощущение текстуры через экран гаджета 27.11.2025

Гаджеты научились передавать изображение и звук с впечатляющей реалистичностью, но тактильные ощущения по-прежнему остаются недоступными для полноценной цифровой симуляции. Именно поэтому инженеры и исследователи во всем мире стремятся создать технологии, которые позволят "почувствовать" виртуальный объект так же естественно, как и настоящий. Новая разработка специалистов Северо-Западного университета США стала одним из самых заметных шагов в этом направлении. Возглавлявшая исследование аспирантка Сильвия Тан (Sylvia Tan) подчеркивает, что прикосновение остается последним фундаментальным чувственным каналом, для которого пока нет зрелого цифрового аналога. По ее словам, если визуальные и звуковые интерфейсы давно обеспечивают высокую степень реалистичности, то осязание лишь начинает приближаться к этому уровню. В недавней публикации в журнале Science Advances Тан отмечает, что новая технология способна изменить само представление о взаимодействии человека с устройствами. Разработ ...>>

AirPods Pro с инфракрасными камерами 27.11.2025

Apple традиционно играет роль новатора, поэтому ожидания от следующего поколения AirPods Pro особенно высоки. Новая модель, над которой компания уже активно работает, должна не просто улучшить звук, но и расширить способы взаимодействия человека с цифровой средой. Одним из наиболее заметных нововведений станет появление чипа Apple H3. Сегодняшние AirPods Pro используют поколение H2, обеспечивающее высокую скорость обработки звука, однако переход к H3 обещает еще более точное шумоподавление и сокращение задержки при беспроводной передаче аудио. По данным источников, новая архитектура улучшит энергоэффективность, а также позволит чипу глубже интегрироваться с устройствами экосистемы Apple. Особенно это касается гарнитуры Vision Pro, которая получит более синхронную работу с будущими наушниками. Не менее интригующей выглядит вторая инновация - миниатюрные инфракрасные камеры, встроенные непосредственно в корпус AirPods. Специалисты предполагают, что эти сенсоры смогут фиксировать дв ...>>

ИИ нужно воспринимать как пользователя 26.11.2025

Искусственный интеллект постепенно перестает быть скрытым компонентом программных решений и выходит на передний план. Сегодня алгоритмы не просто помогают обрабатывать данные, но и активно участвуют в рабочих процессах, принимают решения, взаимодействуют с корпоративными сервисами и получают доступ к критически важной инфраструктуре. Такое расширение их возможностей заставляет специалистов по безопасности переосмыслить, что именно означает присутствие ИИ в цифровой среде. Президент по продуктам и технологиям Okta Рик Смит подчеркивает, что воспринимать ИИ исключительно как технологическую надстройку уже невозможно. По его словам, компании обязаны учитывать, что искусственные агенты становятся участниками процессов наравне с живыми сотрудниками, а значит, требуют аналогичных мер защиты. Он формулирует это предельно прямо: "Мы должны защищать клиентов не только от людей, но и от ИИ-агентов - относиться к ним как к пользователям". Однако многие организации продолжают рассматривать И ...>>

Случайная новость из Архива Горячее прошлое кометы 13.09.2006 Пробы вещества из хвоста кометы Вилд-2, доставленные на Землю космическим аппаратом "Стардаст" в январе 2006 года, как оказалось, содержат вулканические минералы, которые могли образоваться только при очень высоких температурах. Это оливин, пироксен и шпинель. Между тем считается, что кометы образуются и проводят большую часть своей "жизни" в так называемом поясе Койпера - кольце космических обломков разного рода за орбитой Нептуна, то есть в условиях дальнего космоса, где температура близка к абсолютному нулю. Недаром кометы называют "грязными снежками" - они, как принято считать, состоят изо льда с примесью минеральной пыли. Получается, что, по крайней мере часть вещества кометы Вилд-2 возникла где-то в непосредственной близости от Солнца, ближе Меркурия, либо вблизи другой звезды и лишь затем каким-то образом была перенесена в холодный пояс Койпера. Частицы кометной пыли были уловлены при пролете через хвост в специальную ловушку с ячейками из "студня" на основе двуокиси кремния. Пылинки влетали в этот материал и застревали в нем.

Другие интересные новости:

▪ Комнатный цветок - мини-электростанция

▪ Лунный телескоп из подручных материалов

▪ Ажурный велосипед

▪ Компьютер для установки в сердце

▪ 1,5 миллиарда телефонов к 2011 году

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Цифровая техника. Подборка статей

▪ статья Бесплодная смоковница. Крылатое выражение

▪ статья Как растут наши зубы? Подробный ответ

▪ статья Заместитель главного бухгалтера. Должностная инструкция

▪ статья Датчик контроля уровня воды. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Вечноговорящее радио. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025