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:

Расставание действительно может причинять физическую боль 16.09.2026

Разрыв отношений с близким человеком способно вызывать настолько сильные переживания, что привычное выражение "разбитое сердце" иногда воспринимается почти буквально. Человек может испытывать тревогу, тоску и эмоциональное напряжение, сопровождающиеся вполне реальными телесными ощущениями. Исследования работы мозга показывают, что такая связь между эмоциональными и физическими страданиями может иметь вполне определенную нейробиологическую основу. Эксперимент, позволивший изучить этот вопрос, провела команда психолога Итана Кросса из Мичиганского университета. В исследовании участвовали 40 человек, недавно переживших расставание по инициативе партнера. Все добровольцы продолжали остро реагировать на произошедшее, что позволило исследователям изучить мозговую активность в период наиболее сильных переживаний. Во время эксперимента участников помещали в аппарат магнитно-резонансной томографии. Испытуемым поочередно показывали фотографию бывшего партнера и подвергали предплечье воздей ...>>

Научно доказана невозможность создания нейтринного лазера 16.09.2026

Лазер давно перестал быть исключительно лабораторной технологией: сегодня он используется в связи, медицине, промышленности и научных исследованиях. Поэтому физики периодически предлагают необычные варианты устройств, способных работать по аналогичным принципам, но с другими типами частиц. В 2025 году появилась идея создать лазер, формирующий направленный поток нейтрино. Однако последующий теоретический анализ показал, что привлекательная на первый взгляд концепция сталкивается не просто с техническими трудностями, а с фундаментальными законами квантовой физики. Первоначальную концепцию предложили профессор Массачусетского технологического института (MIT) Джо Формаджио (Joe Formaggio) и Бен Джонс (Ben Jones) из Техасского университета в Арлингтоне. Согласно их замыслу, облако радиоактивных атомов следовало охладить до сверхнизких температур порядка нанокельвинов - миллиардных долей кельвина. В таких условиях атомы могли бы сформировать Бозе - Эйнштейновский конденсат, особое квантов ...>>

Индекс нижнего белья раскрыл состояние швейцарских почв 15.09.2026

Почва кажется обычной частью окружающего нас ландшафта, однако под ее поверхностью существует сложная экосистема, от состояния которой напрямую зависит жизнь человека. Миллиарды микроорганизмов, черви, грибы и другие обитатели почвы перерабатывают органические вещества и участвуют в круговороте питательных элементов. Чтобы привлечь внимание общества к этой мало заметной проблеме, исследователи из Цюрихского университета придумали весьма необычный эксперимент: они закопали более 2000 пар хлопкового нижнего белья в садах, на лугах, полях и газонах по всей Швейцарии. Проект получил название "Доказательство в виде нижнего белья" и представлял собой не массовую шутку, а научный эксперимент, позволяющий наглядно оценить биологическую активность почвы. Исследователи помещали хлопковые изделия в землю, а примерно через два месяца извлекали их и сравнивали степень разрушения ткани. Некоторые образцы за это время практически исчезали, оставляя лишь отдельные фрагменты швов, тогда как на други ...>>

Случайная новость из Архива Браслет стреляет антисептиком 27.12.2020 Международная группа инженеров создала браслет SprayCare. Он будет дезинфицировать руки и предметы там, где не всегда удобно доставать антисептик. Например, в общественном транспорте, лифте, в магазине или автомобиле. Об этом сообщает Naked Science. На корпусе устройства есть небольшой флакон с антисептиком и кнопка, которая распыляет средство. По словам разработчиков, они заметили, как часто прикасаются к грязным поверхностям в течение дня, и решили создать простое устройство, которое поможет чувствовать себя в безопасности. Браслет является флаконом с антисептиком, прикрепленным к силиконовому ремешку. По размерам прибор близок к Apple Watch. Внутри находятся распылитель и насос, который запускает единственная кнопка. После ее нажатия устройство распыляет антисептик на любую поверхность в течение 3-х секунд на расстояние до 1,5 м. Антисептика во флаконе хватает примерно на 40 применений, после чего человек сможет добавить нужное средство (если оно не очень густое). Кроме того, во флакон можно залить репеллент от насекомых, духи или эфирное масло - в зависимости от потребности. Так что он останется актуальным и после пандемии. Инженеры предлагают использовать его и как инструмент самообороны: достаточно поменять антисептик на жидкость для перцового баллончика.

Другие интересные новости:

▪ Все мультимедийные возможности HSPA на одном кристалле

▪ Энергичные окна

▪ Однокристальные системы Dimensity 920 5G и Dimensity 810 5G

▪ Роботизированная нога на базе искусственных мышц

▪ Раковые клетки погибают в невесомости

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Справочные материалы. Подборка статей

▪ статья Хьюго Гернсбек. Знаменитые афоризмы

▪ статья Почему некоторые древние города оказались под слоями земли и откуда она взялась? Подробный ответ

▪ статья Кладовщик склада ГСМ. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Генератор Курица. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Электронный переключатель антенны. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026