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:

Растения сигнализируют об опасности вулканической активности 17.06.2025

Извержения вулканов - одни из самых разрушительных природных явлений, и своевременное их предсказание является важной задачей для защиты жизни и имущества людей. Современные технологии позволяют отслеживать сейсмическую активность, тепловые аномалии и газовые выбросы, однако ученые из разных стран продолжают искать новые, более ранние признаки приближающейся опасности. Недавнее исследование команды под руководством вулканолога Николь Гвинн продемонстрировало необычный способ раннего обнаружения вулканической активности с помощью изменений в растительности вокруг вулкана Этна - одного из самых активных вулканов Европы. В ходе двухлетних наблюдений ученые выявили 16 случаев, когда увеличение содержания углекислого газа (CO2) в воздухе или почве совпадало с ростом показателя NDVI - нормализованного индекса растительности, отражающего интенсивность фотосинтеза и здоровье зеленых насаждений. Этот индекс широко используется для оценки густоты и жизнеспособности растительного покрова на сп ...>>

Магнит без использования полезных ископаемых 17.06.2025

Технологии все больше зависят от редких и дорогих материалов, добыча которых сопряжена с экологическими и геополитическими рисками. В связи с этим поиск альтернативных решений становится одной из важнейших задач науки и промышленности. Недавно американские ученые во главе с исследователем китайского происхождения Цзянь-Пин Ванг разработали магнит, изготовленный исключительно из железа и азота, который не содержит традиционных редкоземельных элементов. Это открытие может кардинально изменить подход к производству магнитных материалов и значительно снизить зависимость от нестабильных международных поставок. В отличие от широко используемых сегодня магнитов, содержащих редкие полезные ископаемые, такие как самарий и диспрозий, новый магнит отличается более простой и экологичной составной частью. По словам ученых, магнит, созданный из железа и азота, обладает силой магнитного поля, которая превосходит многие известные материалы на рынке. Это делает его перспективной заменой для постоянн ...>>

Скука полезна творческим людям 16.06.2025

Когда информационный поток непрерывно заполняет наше сознание, умение сделать паузу становится особенно важным. Именно в моменты кажущейся скуки мозг получает возможность перезагрузиться и активировать скрытые ресурсы, стимулирующие творческое мышление и саморефлексию. Ученые из Университета Саншайн-Кост в Австралии провели исследование, которое подтверждает, что короткие периоды скуки могут быть полезны для творческих людей и не только. Скука возникает в тот момент, когда способность человека удерживать внимание начинает снижаться, и активируется так называемая сеть пассивного режима мозга. Эта система отвечает за внутренние мысли и саморефлексию, в то время как активность исполнительной сети, которая обычно помогает сосредоточиться, заметно снижается. Таким образом, скука становится не просто неприятным ощущением, а своего рода переключателем, дающим мозгу возможность отдохнуть от постоянной концентрации. Современный ритм жизни сопровождается постоянной стимуляцией симпатическо ...>>

Случайная новость из Архива Телефон заряжается от чашки с горячим кофе 18.08.2014 Группа предпринимателей и технологов из Epiphany Labs (США) в рамках работы над использованием на практике принципа двигателя Стирлинга (использует разницу температур) организовала компанию на краудфандинговом ресурсе Kickstarter. Инвесторы проекта смогут получить компактное устройство для зарядки устройств через USB. Для получения электроэнергии устройству понадобится только внешний источник тепла или холода. Любой внешний источник годится для работы, лишь бы он обеспечивал разницу температур. Причем, чем выше эта разница, тем более эффективно устройство производит электрическую энергию. Впрочем, максимальная мощность, которую может обеспечить новинка, не превышает 5 Вт. Необычное зарядное устройство - подставка под чашку - может работать только с аппаратами, потребляемый ток которых не превышает 1 А. Этого вполне достаточно для обычного сотового телефона, а вот для ноутбука или даже планшета уже не хватает. Впрочем, описанное устройство - только первый опыт компании Epiphany onE Puck по применению в быту эффекта выработки электричества за счет разницы температур. Разработчики планируют отработать технологию на устройствах небольшой мощности, после чего собираются заняться более серьезными проектами.

Другие интересные новости:

▪ На Земле заканчивается фосфор

▪ Датские ветроэлектростанции обеспечат потребность Великобритании

▪ Растительная целлюлоза для костных имплантатов

▪ Медузы древних морей

▪ Печать 3D-структур из стекла

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Советы радиолюбителям. Подборка статей

▪ статья Хирургические болезни. Шпаргалка

▪ статья Какая держава внушила страх Новой Зеландии и заставила ее создать систему береговых фортификаций? Подробный ответ

▪ статья Электромонтажник. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья УКВ ЧМ пpиемник на м/с КХА058. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Практическое применение таймера серии 555. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025