Расчет блока питания выпрямителя: Полупроводниковые выпрямители блоков питания, схемы, онлайн расчёт – 9. Блок питания. Расчет выпрямителя

Полупроводниковые выпрямители блоков питания, схемы, онлайн расчёт

Классификация, свойства, схемы, онлайн калькулятор.
Расчёт ёмкости сглаживающего конденсатора.

«- Почему пульт не работает?
  — Я, конечно, не электрик, но, по-моему, пульт не работает, потому что телевизора нет».

— А для чего нам ещё «нахрен не упал» профессиональный электрик?
— Для чего? Да много для чего! Например, для того, чтобы быть в курсе, что без источника питания, а точнее без преобразователя сетевого переменного напряжения в постоянное, не обходится ни одно электронное устройство.
— А электрик?
— Электрик, электрик… Что электрик?… «Электрик Сидоров упал со столба и вежливо выругался…»

Итак, приступим.
Выпрямитель — это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное.
Выпрямитель содержит трансформатор,
необходимый для преобразования напряжения сети Uc до величины U2, определяемой требованиями нагрузки;
вентильную группу (в нашем случае диодную),

которая обеспечивает одностороннее протекание тока в цепи нагрузки;
фильтр, передающий на выход схемы постоянную составляющую напряжения и сглаживающий пульсации напряжения.

Расчёт трансформатора — штука громоздкая, в рамках этой статьи рассматриваться не будет, поэтому сразу перейдём к основным и наиболее распространённым схемам выпрямителей блоков питания радиоэлектронной аппаратуры.
В процессе повествования давайте сделаем допущение, что под величинами переменных напряжений и токов в цепях выпрямителей мы будем подразумевать их действующие (эффективные) значения:
Uдейств = Uампл/√2 и Iдейств = Iампл/√2.
Именно такие значения приводятся в паспортных характеристиках обмоток трансформаторов, да и большинство измерительных приборов отображают — не что иное, как аккурат эффективные значения сигналов переменного тока.

Однополупериодный выпрямитель.

Выпрямители блоков питанияВыпрямители блоков питанияВыпрямители блоков питания
Рис.1

На Рис.1 приведена однофазная однополупериодная схема выпрямления, а также осциллограммы напряжений в различных точках (чёрным цветом — напряжение на нагрузке при отсутствии сглаживающего конденсатора С1, красным — с конденсатором).
В данном типе выпрямителя напряжение с вторичной обмотки трансформатора поступает в нагрузку через диод только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды полупроводник закрыт, и напряжение в нагрузку подаётся только с заряженного в предыдущий полупериод конденсатора.

Однополупериодная схема выпрямителя применяется крайне редко и только для питания цепей с низким током потребления ввиду высокого уровня пульсаций выпрямленного напряжения, низкого КПД, и неэффективного использования габаритной мощности трансформатора.

Здесь обмотка трансформатора должна обеспечивать величину тока, равную удвоенному значению максимального тока в нагрузке Iобм = 2×Iнагр  и напряжение холостого хода ~U2 ≈ 0,75×Uн.
При выборе диода D1 для данного типа схем, следует придерживаться следующих его параметров:
Uобр > 3,14×Uн

  и   Iмакс > 3,14×Iн.

Едем дальше.
Двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой.

Выпрямители блоков питанияВыпрямители блоков питанияВыпрямители блоков питания
Рис.2

Схема, приведённая на Рис.2, является объединением двух противофазных однополупериодных выпрямителей, подключённых к общей нагрузке. В одном полупериоде переменного напряжения ток в нагрузку поступает с верхней половины вторичной обмотки через открытый диод D1, в другом полупериоде — с нижней, через второй открытый диод D2.
Как и любая двухполупериодная, эта схема выпрямителя имеет в 2 раза меньший уровень пульсации по сравнению с однополупериодной схемой. К недостаткам следует отнести более сложную конструкцию трансформатора и такое же, как в однополупериодной схеме — нерациональное использование трансформаторной меди и стали.

Каждая из обмоток трансформатора должна обеспечивать величину тока, равную значению максимального тока в нагрузке Iобм = Iнагр  и напряжение холостого хода ~U2 ≈ 0,75×Uн.
Полупроводниковые диоды D1 и D2 должны обладать следующими параметрами:
Uобр > 3,14×Uн   и   Iмакс > 1,57×Iн.

И наконец, классика жанра —
Мостовые схемы двухполупериодных выпрямителей.

Выпрямители блоков питания

Выпрямители блоков питанияВыпрямители блоков питания
Рис.3

На Рис.3 слева изображена схема однополярного двухполупериодного мостового выпрямителя с использованием одной обмотки трансформатора. Графики напряжений на входе и выходе выпрямителя аналогичны осциллограммам, изображённым на Рис.2.
Во время положительного полупериода переменного напряжения ток протекает через цепь, образованную D2 и D3, во время отрицательного — через цепь D1 и D4. В обоих случаях направление тока, протекающего через нагрузку, одинаково.

Если сравнивать данную схему с предыдущей схемой выпрямителя с нулевой точкой, то мостовая имеет более простую конструкцию трансформатора при таком же уровне пульсаций, менее жёсткие требования к обратному напряжению диодов, а главное — более рациональное использование трансформатора и возможность уменьшения его габаритной мощности.

К недостаткам следует отнести необходимость увеличения числа диодов, что приводит к повышенным тепловым потерям за счёт большего падения напряжения в выпрямителе.

Обмотка трансформатора должна обеспечивать величину тока, равную Iобм = 1,41×Iнагр  и напряжение холостого хода ~U2 ≈ 0,75×Uн.
Полупроводниковые диоды следует выбирать исходя из следующих соображений:
Uобр > 1,57×Uн   и   Iмакс > 1,57×Iн.

При наличии у трансформатора двух одинаковых вторичных обмоток, или одной с отводом от середины выводом, однополярная схема преобразуется в

схему двуполярного выпрямителя со средней точкой (Рис.3 справа).
Естественным образом, диоды в двуполярном исполнении должны выбираться исходя из двойных значений Uобр и Iмакс по отношению к однополярной схеме.

Значения Uобр и Iмакс приведены исходя из величин наибольшего (амплитудного) значения обратного напряжения, приложенного к одному диоду, и наибольшего (амплитудного) значения тока через один диод при отсутствии сглаживающих фильтров на выходе.

Конденсатор С1 во всех схемах — это простейший фильтр, выделяющий постоянную составляющую напряжения и сглаживающий пульсации напряжения в нагрузке.

Для выпрямителей, не содержащих стабилизатор, его ёмкость рассчитывается по формулам:
С1 = 6400×Iн/(Uн×Кп) для однополупериодных выпрямителей и
С1 = 3200×Iн/(Uн×Кп) — для двухполупериодных,
где Кп — это коэффициент пульсаций, численно равный отношению амплитудного значения пульсирующего напряжения к его постоянной составляющей.
Для стабилизированных источников питания ёмкость С1 можно уменьшить в 5-10 раз.

«Коэффициент пульсаций выбирают самостоятельно в зависимости от предполагаемой нагрузки, допускающей питание постоянным током вполне определённой «чистоты»:
10-3… 10

-2   (0,1-1%) — малогабаритные транзисторные радиоприёмники и магнитофоны,
10-4… 10-3   (0,01-0,1%) — усилители радио и промежуточной частоты,
10-5… 10-4   (0,001-0,01%) — предварительные каскады усилителей звуковой частоты и микрофонных усилителей.» — авторитетно учит нас печатное издание.

Ну и под занавес приведём незамысловатую онлайн таблицу.

КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ВЫПРЯМИТЕЛЯ ДЛЯ БЛОКА ПИТАНИЯ.

А на следующей странице рассмотрим сглаживающие фильтры силовых выпрямителей, не только ёмкостные, но и индуктивные, а также активные фильтры на биполярных транзисторах.

Выпрямители блоков питания

 

9. Блок питания. Расчет выпрямителя

        Поскольку в преобладающем большинстве конструкций блоков питания используется двухполупериодный выпрямитель, диоды которого включены по мостовой схеме (рис. 1), о выборе его элементов здесь и пойдет разговор. Рассчитать выпрямитель — значит правильно выбрать выпрямительные диоды и конденсатор фильтра, а также определить необходимое переменное напряжение, снимаемое для выпрямления с вторичной обмотки сетевого трансформатора. Исходными данными для расчета выпрямителя служат: требуемое напряжение на нагрузке (Uн) и потребляемый ею максимальный ток (Iн).

1. Определяют переменное напряжение, которое должно быть на вторичной обмотке сетевого трансформатора:

U2 = B Uн,

где: Uн — постоянное напряжение на нагрузке, В;
В — коэффициент, зависящий от тока нагрузки, который определяют по табл. 1.

КоэффициентТок нагрузки,А
0,10,20,40,60,81,0
В0,81,01,91,41,51,7
С2,42,22,01,91,81,8

2. По току нагрузки определяют максимальный ток, текущий через каждый диод выпрямительного моста:

Iд = 0,5 С Iн,

где: Iд — ток через диод, А;
Iн — максимальный ток нагрузки, А;
С — коэффициент, зависящий от тока нагрузки (определяют по табл. 1).

3. Подсчитывают обратное напряжение, которое будет приложено к каждому диоду выпрямителя:

Uобр = 1,5 Uн,

где: Uобр — обратное напряжение, В;
Uн — напряжение на нагрузке, В.

4. Выбирают диоды, у которых значения выпрямленного тока и допустимого обратного напряжения равны или превышают расчетные.

5. Определяют емкость конденсатора фильтра:

Сф = 3200 Iн / Uн Kп,

где: Сф — емкость конденсатора фильтра, мкФ;
Iн — максимальный ток нагрузки. A;
Uн — напряжение на нагрузке, В;
Kп — коэффициент пульсации выпрямленного напряжения (отношение амплитудного значения переменной составляющей частотой 100 Гц на выходе выпрямителя к среднему значению выпрямленного напряжения).

        Для различных нагрузок коэффициент пульсаций не должен превышать определенного значения, иначе в динамической головке или громкоговорителе будет прослушиваться фон переменного тока. Для питания портативных приемников и магнитофонов, например, допустим коэффициент пульсации выпрямленного напряжения в пределах 10-3…10-2, усилителей ВЧ и ПЧ — 10-4…10-3, предварительных каскадов усилителей НЧ и микрофонных усилителей — 10-5…10-4. Если выходное напряжение выпрямителя будет дополнительно стабилизироваться транзисторным стабилизатором напряжения, то расчетная емкость конденсатора фильтра может быть уменьшена в 5…10 раз.

 

Расчет выпрямителя


Расчет выпрямителя


  Поскольку в преобладающем большинстве конструкций блоков питания используется двухполупериодный выпрямитель, диоды которого включены по мостовой схеме (рис. 1), о выборе его элементов здесь и пойдет разговор. Рассчитать выпрямитель — значит правильно выбрать выпрямительные диоды и конденсатор фильтра, а также определить необходимое переменное напряжение, снимаемое для выпрямления с вторичной обмотки сетевого трансформатора. Исходными данными для расчета выпрямителя служат: требуемое напряжение на нагрузке (Uн) и потребляемый ею максимальный ток (Iн).

Расчет ведут в таком порядке:

1. Определяют переменное напряжение, которое должно быть на вторичной обмотке сетевого трансформатора:

U2 = B Uн,

где: Uн — постоянное напряжение на нагрузке, В;
В — коэффициент, зависящий от тока нагрузки, который определяют по табл. 1.

Коэффициент Ток нагрузки,А
0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
В 0,8 1,0 1,9 1,4 1,5 1,7
С 2,4 2,2 2,0 1,9 1,8 1,8

2. По току нагрузки определяют максимальный ток, текущий через каждый диод выпрямительного моста:

Iд = 0,5 С Iн,

где: Iд — ток через диод, А;
Iн — максимальный ток нагрузки, А;
С — коэффициент, зависящий от тока нагрузки (определяют по табл. 1).

3. Подсчитывают обратное напряжение, которое будет приложено к каждому диоду выпрямителя:

Uобр = 1,5 Uн,

где: Uобр — обратное напряжение, В;
Uн — напряжение на нагрузке, В.

4. Выбирают диоды, у которых значения выпрямленного тока и допустимого обратного напряжения равны или превышают расчетные.

5. Определяют емкость конденсатора фильтра:

Сф = 3200 Iн / Uн Kп,

где: Сф — емкость конденсатора фильтра, мкФ;
Iн — максимальный ток нагрузки. A;
Uн — напряжение на нагрузке, В;
Kп — коэффициент пульсации выпрямленного напряжения (отношение амплитудного значения переменной составляющей частотой 100 Гц на выходе выпрямителя к среднему значению выпрямленного напряжения).

  Для различных нагрузок коэффициент пульсаций не должен превышать определенного значения, иначе в динамической головке или громкоговорителе будет прослушиваться фон переменного тока. Для питания портативных приемников и магнитофонов, например, допустим коэффициент пульсации выпрямленного напряжения в пределах 10-3…10-2, усилителей ВЧ и ПЧ — 10-4…10-3, предварительных каскадов усилителей НЧ и микрофонных усилителей — 10-5…10-4. Если выходное напряжение выпрямителя будет дополнительно стабилизироваться транзисторным стабилизатором напряжения, то расчетная емкость конденсатора фильтра может быть уменьшена в 5…10 раз.
Источник: shems.h2.ru

Сглаживающие фильтры выпрямителей блоков питания. Схемы, онлайн расчёт

Ёмкостные, индуктивно-ёмкостные, активные сглаживающие фильтры.
Схемы, свойства, онлайн калькулятор.

Потолковали мы основательно на предыдущей странице про разные виды диодных выпрямителей, перебросились парой фраз на тему простейших ёмкостных фильтров, а вопрос достижения параметра коэффициента пульсаций Кп   в пределах 10-5… 10-4 так и повис в воздухе — уж очень немалым получается номинал ёмкости сглаживающего конденсатора.

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения Кп является важнейшим параметром выпрямителя. Его численное значение равно отношению амплитудного значения пульсирующего напряжения к его постоянной составляющей.
Напомню выдержку из печатного издания, приведённую на предыдущей странице:

«Коэффициент пульсаций выбирают самостоятельно в зависимости от предполагаемой нагрузки, допускающей питание постоянным током вполне определённой «чистоты»:
10-3… 10-2   (0,1-1%) — малогабаритные транзисторные радиоприёмники и магнитофоны,
10-4… 10-3   (0,01-0,1%) — усилители радио и промежуточной частоты,
10-5… 10-4  (0,001-0,01%) — предварительные каскады усилителей звуковой частоты и микрофонных усилителей.»

Помимо этого в характеристиках выпрямителей может использоваться и понятие коэффициента фильтрации (коэффициента сглаживания).
Коэффициент фильтрации, он же коэффициент сглаживания — величина, численно равная отношению коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра Кс = Кп-вхп-вых .
Для многозвенных фильтров коэффициент фильтрации равен произведению коэффициентов фильтрации отдельных звеньев.

В слаботочных цепях вопрос снижения пульсаций решается легко и кардинально — применением интегральных стабилизаторов. Параметр подавления пульсаций (Ripple Rejection) у подобных массовых ИМС составляет не менее 50дБ (в 360раз по напряжению), что при высокой «чистоте» выходного напряжения позволяет уменьшить ёмкости электролитов в 5-10 раз.

Если же у разработчика нет возможности (либо желания) включать в состав устройства стабилизаторы напряжения, то реальным подспорьем окажутся индуктивно-ёмкостные или активные сглаживающие фильтры.

Начнём с фильтров, выполненных из индуктивных элементов – дросселей и из ёмкостных элементов – конденсаторов.
Индуктивно-ёмкостные LC сглаживающие фильтры
Рис.1

На Рис.1а приведена схема простейшего ёмкостного сглаживающего фильтра. Принцип действия заключается в накоплении электрической энергии конденсатором фильтра и последующей отдачи этой энергии в нагрузку.

Для того чтобы не ограничиваться 50-ти герцовыми блоками питания, но и иметь возможность расчёта фильтров импульсных ИБП, приведу универсальные формулы, учитывающие частоту входного сигнала F:
С1 = Iн/(3,14×Uн×F×Кп) для однополупериодных выпрямителей и
С1 = Iн/(6,28×Uн×F×Кп) — для двухполупериодных.
Кп   — это коэффициент пульсаций, равный отношению амплитудного значения пульсирующего напряжения к его постоянной составляющей, а
F   — частота переменного напряжения на входе диодного выпрямителя.

Переходим к индуктивно-ёмкостным LC фильтрам.
ВНИМАНИЕ!!!
Потребность в такого рода цепях возникает исключительно в случаях необходимости получить низкий уровень пульсаций в достаточно мощных сетевых блоках питания, либо в высокочастотных импульсных ИБП. Связано это с тем, что для эффективной работы LC-фильтра, индуктивное сопротивление катушки XL на частоте подавления стремятся сделать значительно больше Rн. А это, в свою очередь, приводит к тому, что в условиях низких частот и малых токов (высоких Rн) индуктивность дросселя получается необоснованно высокой.

Г-образный индуктивно-ёмкостной LC фильтр 2-го порядка (Рис.1б) обладает значительно лучшими фильтрующими свойствами по сравнению с обычным ёмкостным.
Произведение LC (Гн*мкФ) зависит от необходимого коэффициента сглаживания фильтра и определяется по приближенной формуле:
L1(Гн)×С1(МкФ) = 25000/(F2(Гц)×Кп) для однополупериодных выпрямителей и
L1×С1 = 12500/(F2×Кп) — для двухполупериодных, где
С1(МкФ)/L1(мГн) = 1000/Rн2(Ом).

Схема П-образного LC-фильтра приведена на Рис.1в. Сглаживающее действие П-образного LC-фильтра можно упрощённо представить как совместное действие двух фильтров, описанных выше, а коэффициент сглаживания — как произведение коэффициентов сглаживания звеньев: ёмкостного и Г-образного индуктивно-ёмкостного.
Наилучшими фильтрующими свойствами обладают LC-фильтры Чебышева. Напишем формулу, исходя из рекомендаций, изложенных на странице   ссылка на страницу:
С1 = С2 ;   С1(МкФ)/L1(мГн) = 1176/Rн2(Ом).

Уменьшить напряжение пульсаций на выходе однозвенного П-образного LC-фильтра можно, включив параллельно дросселю L1 неполярный конденсатор С3 (Рис.1г), который вместе с индуктивностью катушки образует режекторный фильтр. Если ёмкость конденсатора С3 выбрать такой, чтобы резонансная частота контура L1-С3 равнялась частоте пульсаций (F при однополупериодном выпрямлении или 2F при двухполупериодном), то большая часть напряжения пульсаций задержится этим контуром и лишь незначительная перейдёт в нагрузку.
Итак:    С3 = 1/(39,44×L1×F2) для однополупериодных выпрямителей и
С3 = 1/(9,86×L1×F2) — для двухполупериодных.
Все остальные номиналы элементов — такие же, как в предыдущей схеме.

Давайте сдобрим пройденный материал онлайн таблицей.

КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ СЛАЖИВАЮЩЕГО ФИЛЬТРА БЛОКА ПИТАНИЯ.

Транзисторные фильтры по сравнению с ёмкостными сглаживающими фильтрами имеют меньшие габариты, массу и более высокий коэффициент сглаживания пульсаций. Они позволяют уменьшить в десяток раз (при том же уровне пульсаций) номинал сглаживающего конденсатора, либо уменьшить в аналогичное количество раз амплитуду пульсаций при неизменном значении ёмкости.
Активные транзисторные сглаживающие фильтры
Рис.2

На Рис.2а представлена схема наиболее распространённого транзисторного фильтра.

Напряжение с высокой амплитудой пульсаций, поступающее на коллектор транзистора, по сути, является напряжением питания эмиттерного повторителя, образованного Т1.
В это же самое время цепь базы питается через резисторы смещения и интегрирующую цепь R1C1, которая сглаживает пульсации напряжения на базе. Чем больше постоянная времени T=R1C1, тем меньше пульсации напряжения на базе, а так как устройство представляет собой эмиттерный повторитель, то на выходе фильтра пульсации будут столь же малыми, как и на базе.
Для того, чтобы снизить зависимость напряжения на выходе фильтра от уровня передаваемой мощности, ток через делитель R1R2 выбирают в 5…10 раз большим, чем ток, ответвляющийся в базу при минимальном сопротивлении нагрузки.
При расчёте номиналов элементов делителя, следует исходить из напряжения на базе транзистора:
Uб = Uвх — Uвх пульсаций — (2,5…3В) .
В этом случае будет обеспечена работа регулирующего транзистора в активном режиме, а падение напряжения на нём составит величину:
Uкэ = Uвх пульсаций + (3,1…3,6В) .
Коэффициент полезного действия транзисторного фильтра будет тем больше, чем меньше падание постоянного напряжения на силовом транзисторе. Из формулы видно, что для обеспечения высокого КПД активного сглаживающего фильтра, на вход устройства следует подавать уже отфильтрованное до определённого уровня напряжение.
На практике это делается включением на вход простейшего ёмкостного фильтра (Рис.1а), уровень пульсаций которого можно посчитать на приведённом выше калькуляторе.

Эффективность активных сглаживающих фильтров напрямую зависит от величины коэффициента усиления транзистора. Чем выше h31 полупроводника, тем больших величин можно выбрать номиналы резисторов R1, R2 — тем лучшими фильтрующими свойствами будет обладать схема. Поэтому в данной ситуации не стоит даже рассматривать транзисторы с h31

Для дальнейшего улучшения фильтрующих свойств сглаживающего фильтра можно применить двухзвенный RC-фильтр в цепи базы транзистора (Рис.2б).
Здесь сумма значений сопротивления резисторов R1 и R2 равна сопротивлению резистора R1 в предыдущем устройстве, а сопротивление резистора R3 равно сопротивлению резистора R2 в фильтре (Рис.2а).

Ещё эффективней будет работать транзисторный фильтр, у которого в цепь базы транзистора вместо R2 (Рис.1а), либо R3 (Рис.1б) включить стабилитрон с напряжением пробоя, равным значению, рассчитанному для резистивного делителя.

Активные транзисторные сглаживающие фильтры

 

Расчет блоков питания | Начинающим


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

Pвыпр = 2Unp • 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 = Pтр.

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.) 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 — 2Uпр — Iвых rтр.

Здесь rтр — 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) I = 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: I = UI/2пfL.

На практике ток холостого хода определяют экспериментально — у правильно спроектированного трансформатора средней и большой мощности он составляет (0,1…0,3)IIA. Реактивный ток зависит от числа витков на вольт, уменьшаясь с увеличением n. Для маломощных трансформаторов допускают llp = (0,5…0,7)lIA. Активный и реактивный токи первичной обмотки складываются в квадратуре, поэтому полный ток первичной обмотки II2 = IIA2 + I2.

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

Расчет самодельного регулируемого блока питания 0

Схема двухполупериодного выпрямителяРис. 1. Схема двухполупериодного выпрямителя с фильтрующим конденсатором

Расчет выпрямителя

Поскольку в преобладающем большинстве кон­струкций самодельных блоков питания использу­ется двухполупериодный выпрями­тель, диоды которого включены по мостовой схеме (рис. 1), о выборе и расчете БП элементов здесь и пойдет раз­говор.

Рассчитать выпрямитель — зна­чит правильно выбрать выпрями­тельные диоды и конденсатор фильтра, а также определить необходимое переменное на­пряжение, снимаемое для выпрямления со вторичной об­мотки сетевого трансформатора.

Исходными данными для расчета выпрямителя служат: требуемое напряжение на нагрузке (Uн) и потребляемый ею максимальный ток (Iн). Расчет ведут в таком порядке.

  1. Определяют переменное напряжение, которое долж­но быть на вторичной обмотке сетевого трансформатора:

Un = вI,

где UH — постоянное напряжение на нагрузке, В; В — коэффициент, зависящий от тока нагрузки, который опре­деляют по табл. 1.

таблица 1

2. По току нагрузки определяют максимальный ток, те­кущий через каждый диод выпрямительного моста:

Iд = 0,5СIн,

где Iд — ток через диод, А; Iн — максимальный ток нагруз­ки, А; С — коэффициент, зависящий от тока нагрузки (определяют по табл. 1).

  1. Подсчитывают обратное напряжение, которое будет приложено к каждому диоду выпрямителя:

Uобр=1,5 Uн,

где Uобр — обратное напряжение, В; Us — напряжение на нагрузке, В.

  1. Выбирают диоды, у которых значения выпрямленно­го тока и допустимого обратного напряжения равны или превышают расчетные.
  2. Определяют емкость конденсатора фильтра:

Сф = 3200 IB/UHKП.

Здесь Сф — емкость конденсатора фильтра, мкФ; Iн — максимальный ток нагрузки, A; Usнапряжение на на­грузке, В; Ки — коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения (отношение амплитудного значения перемен­ной составляющей частотой 100 Гц на выходе выпрямителя к среднему значению выпрямленного напряжения).

Для различных нагрузок коэффициент пульсаций не должен превышать определенного значения, иначе в дина­мической головке или громкоговорителе будет прослуши­ваться фон переменного тока. Для питания портативных приемников и магнитофонов, например, допустим коэффи­циент пульсаций выпрямленного напряжения в пределах 10~3…10-2, усилителей ВЧ и ПЧ — 10-4…10~3, предваритель­ных каскадов усилителей НЧ и микрофонных усилителей — 10~5…10~4. Если выходное напряжение выпрямителя будет дополнительно стабилизироваться транзисторным стабили­затором напряжения, то расчетная емкость конденсатора фильтра может быть уменьшена в 5…10 раз.

Расчет трансформатора блока питания

Зная необходимое на­пряжение на вторичной обмотке (Un) и максимальный ток нагрузки (Iн), трансформатор рассчитывают в такой после­довательности.

  1. Определяют значение тока, текущего через вторичную обмотку трансформатора:

III=1.5Iн,

где IИ — ток через обмотку II трансформатора, А; Iн — максимальный ток нагрузки, А.

  1. Определяют мощность, потребляемую выпрямителем от вторичной обмотки трансформатора:

где РII — максимальная мощность, потребляемая от вторич­ной обмотки, Вт; UII — напряжение на вторичной обмотке, В; III — максимальный ток через вторичную обмотку транс­форматора, А.

  1. Подсчитывают мощность трансформатора:

Pтр = 1,25 РП,

где РТр — мощность трансформатора, Вт; Рц — максималь­ная мощность, потребляемая от вторичной обмотки трансформатора, Вт. Если трансформатор должен иметь не­сколько вторичных обмоток, то сначала подсчитывают их суммарную мощность, а затем мощность самого трансфор­матора.

  1. Определяют значение тока, текущего в первичной обмотке:

где II — ток через обмотку I, А; Ртр — подсчитанная мощ­ность трансформатора, Вт; UI — напряжение на первичной обмотке трансформатора (сетевое напряжение).

  1. Рассчитывают необходимую площадь сечения сердеч­ника магнитопровода:

где S — сечение сердечника магнитопровода, см2; Ртр — мощность трансформатора, Вт.

  1. Определяют число витков первичной (сетевой) об­мотки:

wI = 50 UI/S,

где wI — число витков обмотки; Ui — напряжение на пер­вичной обмотке, В; S — сечение сердечника магнитопро­вода, см2.

  1. Подсчитывают число витков вторичной обмотки:

wII = 55 UII/S,

где дои — число витков вторичной обмотки; Uu — напря­жение на вторичной обмотке, В; S — сечение сердечника магнитопровода, см2.

  1. Определяют диаметры проводов обмоток трансфор­матора:

где d — диаметр провода, мм; I — ток через обмотку, мА. Диаметр провода обмотки можно также определить по табл. 2.

таблица 1таблица 2

 

После этого можно приступить к подбору подходящего трансформаторного железа и провода, изготовлению кар­каса и, наконец, выполнению обмоток. Но Ш-образные трансформаторные пластины имеют неодинаковую площадь окна, поэтому нужно проверить, подойдут ли выбранные пластины для трансформатора, т. е. разместится ли про­вод на каркасе трансформатора. Для этого достаточно под­считанную ранее мощность трансформатора умножить на 50 — получится необходимая площадь окна, выраженная в мм2. Если в подобранных пластинах она больше или рав­на вычисленной, железо можно использовать для трансфор­матора.

При выборе сердечника магнитопровода нужно также учитывать и то обстоятельство, что отношение ширины сер­дечника к толщине набора (отношение сторон сердечника) должно быть в пределах 1…2.

В качестве трансформаторов питания радиолюбители часто используют унифицированные выходные трансформа­торы кадровой развертки телевизоров (трансформаторы ТВК). Промышленность выпускает несколько видов таких трансформаторов, и каждый из них при работе с выпря­мителем, выполненным по мостовой схеме, позволяет полу­чить на нагрузке вполне определенные напряжения в за­висимости от потребляемого ею тока. Эти параметры све­дены в табл. 3, которая поможет в выборе трансформатора ТВК для того или иного блока питания.

Таблица 3Таблица 3

Расчет стабилизатора напряжения. Для получения бо­лее постоянного напряжения на. нагрузке при изменении потребляемого тока к выходу выпрямителя подключают стабилизатор, который может быть выполнен по схеме, приведенной на рис. 2. В таком устройстве работают стаби­литрон V5 и регулирующий транзистор V6, Расчет позволит выбрать все элементы стабилизатора, исхо­дя из заданного выходного напряжения Un и максимального тока нагрузки Iн. Однако оба эти параметра не должны превышать параметры уже рассчитанного выпрямителя. А если это условие нарушается, тогда сна­чала рассчитывают стабилизатор, а затем — выпрямитель и трансформатор питания

Рис. 2. Схема стабилизатора напряженияРис. 2. Схема стабилизатора напряженияРис. 3. Схема стабилизатора с дополни¬тельным регулирую¬щим транзисторомРис. 3. Схема стабилизатора с дополнительным регулирующим транзистором

Расчет стабилизатора БП

Расчет стабилизатора ведут в следую­щем порядке.

  1. Определяют необходимое для работы стабилизатора входное напряжение (UBbm) при заданном выходном (UB):

Здесь цифра 3, характеризующая минимальное напря­жение между коллектором и эмиттером транзистора, взята в расчете на использование как кремниевых, так и герма­ниевых транзисторов. Если стабилизатор будет подклю­чаться к готовому или уже рассчитанному выпрямителю, в дальнейших расчетах необходимо использовать реальное значение выпрямленного напряжения UBЫП.

  1. Рассчитывают максимально рассеиваемую транзисто­ром мощность:

Pmax = l,3(UBЫПUH) Iн.

  1. Выбирают регулирующий транзистор. Его предельно допустимая рассеиваемая мощность должна быть больше значения Ртах, предельно допустимое напряжение между эмиттером и коллектором — больше UBЫП, а максимально допустимый ток коллектора — больше Iн.
  2. Определяют максимальный ток базы регулирующего транзистора:

Iб. макс = Iн/h21э мин,                

где h21Эмин — минимальный коэффициент передачи тока выбранного (по справочнику) транзистора.

  1. Подбирают подходящий стабилитрон. Его напряже­ние стабилизации должно быть равно выходному напряже­нию стабилизатора, а значение максимального тока стаби­лизации превышать максимальный ток базы Iб. макс.
  2. Подсчитывают сопротивление резистора R1;

Rl = (UВЫПUСT)/(Iб. МAКС + IСТ. МИН).

Здесь R1 — сопротивление резистора R1, Ом; Uст— — напряжение стабилизации стабилитрона, В; h. макс — вы­численное значение максимального тока базы транзистора, мА; Iст. мин — минимальный ток стабилизации для данного стабилитрона, указанный в справочнике (обычно 3…5 мА).

  1. Определяют мощность рассеяния резистора R1:

Может случиться, что маломощный стабилитрон не подойдет по максимальному току стабилизации и придется выбирать стабилитрон значительно большей мощности — такое случается при больших токах потребления и исполь­зовании транзистора с малым коэффициентом h21Э. В таком случае целесообразно ввести в стаби­лизатор дополнительный транзистор V7 малой мощности (рис. 3), который позволит снизить максимальный ток нагрузки для стабилитрона (а значит, и ток стабилизации) примерно в Й21э раз и применить, соответственно, мало­мощный стабилитрон.

В приведенных здесь расчетах от­сутствует поправка на изменение сете­вого напряжения, а также опущены некоторые другие уточнения, услож­няющие расчеты. Проще испытать соб­ранный стабилизатор в действии, изменяя его входное на­пряжение (или сетевое) на ±10 % и точнее подобрать ре­зистор R1 по наибольшей стабильности выходного напря­жения при максимальном токе нагрузки.

Блок питания «Проще не бывает». Часть вторая

РадиоКот >Обучалка >Аналоговая техника >Собираем первые устройства >

Блок питания «Проще не бывает». Часть вторая

Ага, все-таки зашел? Что, любопытство замучило? Но я очень рад. Нет, правда. Располагайся поудобнее, сейчас мы вместе произведем некоторые нехитрые расчеты, которые нужны, чтобы сварганить тот блок питания, который мы уже сделали в первой части статьи. Хотя надо сказать, что эти расчеты могут пригодиться и в более сложных схемах.

Итак, наш блок питания состоит из двух основных узлов — это выпрямитель, состоящий из трансформатора, выпрямительных диодов и конденсатора и стабилизатор, состоящий из всего остального. Как настоящие индейцы, начнем, пожалуй, с конца и рассчитаем сначала стабилизатор.

Схема стабилизатора показана на рисунке.

Это, так называемый параметрический стабилизатор. Состоит он из двух частей:
1 — сам стабилизатор на стабилитроне D с балластным резистором Rб
2 — эмиттерный повторитель на транзисторе VT.

Непосредственно за тем, чтобы напряжение оставалось тем каким нам надо, следит стабилизатор, а эмиттерный повторитель позволяет подключать мощную нагрузку к стабилизатору. Он играет роль как бы усилителя или если угодно — умощителя.

Два основных параметра нашего блока питания — напряжение на выходе и максимальный ток нагрузки. Назовем их:
Uвых — это напряжение
и
Imax — это ток.

Для блока питания, который мы отгрохали в прошлой части, Uвых = 14 Вольт, а Imax = 1 Ампер.

Сначала нам необходимо определить какое напряжение Uвх мы должны подать на стабилизатор, чтобы на выходе получить необходимое Uвых.
Это напряжение определяется по формуле:

Uвх = Uвых + 3

Откуда взялась цифра 3? Это падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора VT. Таким образом, для работы нашего стабилизатора на его вход мы должны подать не менее 17 вольт.

Едем дальше.

Определим, какой нам нужен транзистор VT. Для этого нам надо определить, какую мощность он будет рассеивать.

Считаем:

Pmax=1.3(Uвх-Uвых)Imax

Тут надо учесть один момент. Для расчета мы взяли максимальное выходное напряжение блока питания. Однако, в данном расчете, надо наоборот брать минимальное напряжение, которое выдает БП. А оно, в нашем случае, составляет 1,5 вольта. Если этого не сделать, то транзистор может накрыться медным тазом, поскольку максимальная мощность будет рассчитана неверно.
Смотри сам:

Если мы берем Uвых=14 вольтам, то получаем Pmax=1.3*(17-14)*1=3.9 Вт.
А если мы примем Uвых=1.5 вольта, то Pmax=1.3*(17-1.5)*1=20,15 Вт

То есть, если бы не учли этого, то получилось бы, что расчетная мощность в ПЯТЬ раз меньше реальной. Разумеется, транзистору это сильно не понравилось бы.

Ну вот, теперь лезем в справочник и выбираем себе транзистор.
Помимо только что полученной мощности, надо учесть, что предельное напряжение между эмиттером и коллектором должно быть больше Uвх, а максимальный ток коллектора должен быть больше Imax. Я выбрал КТ817 — вполне приличный транзистор…

Фу, ну вроде с этим справились. Пошли дальше.

Сначала определим максимальный ток базы свежевыбранного транзистора ( а ты как думал? в нашем жестоком мире потребляют все — даже базы транзисторов).

Iб max=Imax / h31Э min

h31Э min — это минимальный коэффициент передачи тока транзистора и берется он из справочника Если там указаны пределы этого параметра — что то типа 30…40, то берется самый маленький. Ну, у меня в справочнике написано только одно число — 25, с ним и будем считать, а что еще остается?

Iб max=1/25=0.04 А (или 40 мА). Не мало.

Ну давайте будем теперь искать стабилитрон.
Искать его надо по двум параметрам — напряжению стабилизации и току стабилизации.

Напряжение стабилизации должно быть равно максимальному выходному напряжению блока питания, то есть 14 вольтам, а ток — не менее 40 мА, то есть тому, что мы посчитали.
Полезли опять в справочник…

По напряжению нам страшно подходит стабилитрон Д814Д, к тому же он у меня был под рукой. Но вот ток стабилизации… 5 мА нам никак не годится. Чего делать будем? Будем уменьшать ток базы выходного транзистора. А для этого добавим в схему еще один транзистор. Смотрим на рисунок. Мы добавили в схему транзистор VT2. Сия операция позволяет нам снизить нагрузку на стабилитрон в h31Э раз. h31Э, разумеется, того транзистора, который мы только что добавили в схему. Особо не думая, я взял из кучи железок КТ315. Его минимальный h31Э равен 30, то есть мы можем уменьшить ток до 40/30=1.33 мА, что нам вполне подходит.

Теперь посчитаем сопротивление и мощность балластного резистора Rб.

Rб=(Uвх-Uст)/(Iб max+Iст min)

где Uст — напряжение стабилизации стабилитрона,
Iст min — ток стабилизации стабилитрона.

Rб = (17-14)/((1.33+5)/1000) = 470 Ом.

Теперь определим мощность этого резистора

Prб=(Uвх-Uст)2/Rб.

То есть

Prб=(17-14)2/470=0,02 Вт.

Собственно и все. Таким образом, из исходных данных — выходного напряжения и тока, мы получили все элементы схемы и входное напряжение, которое должно быть подано на стабилизатор.

Однако не расслабляемся — нас еще ждет выпрямитель. Уж считать так считать, я так считаю (каламбур однако).

Итак, смотрим на схему выпрямителя.

Ну, тут все проще и почти на пальцах. Учитывая то, что мы знаем, какое напряжение нам надо подать на стабилизатор — 17 вольт, вычислим напряжение на вторичной обмотке трансформатора. Для этого пойдем, как и в начале — с хвоста. Итак, после конденсатора фильтра мы должны иметь напряжение 17 вольт.

Учитывая то, что конденсатор фильтра увеличивает выпрямленное напряжение в 1,41 раза, получаем, что после выпрямительного моста у нас должно получиться 17/1,41=12 вольт.
Теперь учтем, что на выпрямительном мосту мы теряем порядка 1,5-2 вольт, следовательно, напряжение на вторичной обмотке должно быть 12+2=14 вольт. Вполне может случится так, что такого трансформатора не найдется, не страшно — в данном случае можно применить трансформатор с напряжением на вторичной обмотке от 13 до 16 вольт.

Едем дальше. Определим емкость конденсатора фильтра.

Cф=3200Iн/UнKн

где Iн — максимальный ток нагрузки,
Uн — напряжение на нагрузке,
Kн — коэффициент пульсаций.

В нашем случае
Iн = 1 Ампер,
Uн=17 вольтам,
Kн=0,01.

Cф=3200*1/14*0,01=18823.

Однако, поскольку за выпрямителем идет еще стабилизатор напряжения, мы можем уменьшить расчетную емкость в 5…10 раз. То есть 2000 мкФ будет вполне достаточно.

Осталось выбрать выпрямительные диоды или диодный мост.

Для этого нам надо знать два основных параметра — максимальный ток, текущий через один диод и максимальное обратное напряжение, так же через один диод.

Необходимое максимальное обратное напряжение считается так

Uобр max=2Uн, то есть Uобр max=2*17=34 Вольта.

А максимальный ток, для одного диода должен быть больше или равен току нагрузки блока питания. Ну а для диодных сборок в справочниках указывают общий максимальный ток, который может протекать через эту сборку.

Ну вот вроде бы и все про выпрямители и параметрические стабилизаторы.
Впереди у нас стабилизатор для самых ленивых — на интегральной микросхеме и стабилизатор для самых трудолюбивых — компенсационный стабилизатор.

<<—Часть 1—-Часть 3—>>


Как вам эта статья?

Заработало ли это устройство у вас?

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о