|
ЭНЦИКЛОПЕДИЯ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ И ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ Расчет блоков питания
Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Начинающему радиолюбителю 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 Um с частотой 100 Гц. При наличии конденсатора он
заряжается на пиках выпрямленного напряжения до значения, несколько меньшего Um,
и разряжается в промежутках между пиками. Среднее значение выпрямленного
напряжения обозначено как Uвых. амплитуда пульсаций - Uпульс.
![]() Во время разрядки конденсатора напряжение на нем изменяется по указанному в
условии закону от значения Uвых + Uпульс до
значения Uвых - Uпульс
Поэтому можно записать
Uвых - Uпульс =(Uвых +
Uпульс)e-t/RC-(Uвых + Uпульс).(1
- t/RC),
где t = 0,01 с; R - сопротивление нагрузки выпрямителя; С - емкость
сглаживающего конденсатора.
Раскрывая скобки, сокращая Uвых и пренебрегая членом
Uпульс·t/RC ввиду его малости (амплитуда пульсаций меньше Uвых)
получаем 2Uпульс = Uвых·t/RC.
Отметим теперь, что Uвых/R равно току нагрузки I, и подставим t: Uпульс =
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:
Uпульс= 5·l/C.
Литература
Автор: В.Поляков
раздел сайта Инструкции по эксплуатации журналы Evil Genius (годовые архивы) книга Статическое электричество в промышленности и защита от него. Максимов Б.К., Обух А.А., 1978 книга Расчет трансформатора по номограммам. Сницерев Г.А., 1949 справочник Вхождение в режим сервиса зарубежных телевизоров. Книга №17
|