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

Автор: В.Поляков