Навигация
5. Расчет блока питания
Подавляющее большинство радиолюбительских конструкций получает питание от электросети через блок питания. Он обычно содержит сетевой трансформатор, диодный выпрямитель и оксидный сглаживающий конденсатор большой емкости. К вспомогательным, но нужным устройствам относятся выключатель, предохранитель и индикатор включения — миниатюрная лампа накаливания, 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.
5.1 Расчет трансформатора
Силовой трансформатор обычно состоит из двух или более обмоток, намотанных на общем железном сердечнике. Одна обмотка - сетевая (первичная), на неё подается переменное напряжение из сетевой розетки. Это напряжение переменное, поэтому, магнитное поле, создаваемое этой обмоткой в сердечнике все время меняется и пронизывает витки вторичной обмотки (или вторичных обмоток, если их несколько).
Номинальная мощность (Р) - сумма мощностей вторичных обмоток трансформатора, в которой мощность каждой обмотки определяется как произведения номинального выходного тока обмотки на номинальное напряжение. Например, номинальный выходной ток 2А, а, при таком токе, номинальное напряжение на концах обмотки 10 V. Таким образом, номинальная мощность будет 2А* 10V = 20W.
Коэффициент трансформации (N) - соотношение входного напряжения и выходного, численно равное соотношению числа витков первичной (сетевой) обмотки к числу витков вторичной. Например, есть трансформатор, у которого на первичную обмотку подается 220V, при этом на вторичной будет 11 V. Коэффициент трансформации будет равен отношению 220 /11 = 20.
И так, допустим нужен трансформатор, на первичную обмотку которого подается переменное напряжение 220V, при этом на вторичной обмотке должно быть напряжение 11V, а номинальный ток на выходе должен быть 1 А. Значит, мощность на нагрузке вторичной обмотки будет Р=11V * 1А=11W. Определим коэффициент трансформации : N=220/11=20. Определим мощность трансформатора:
на всякий случай возьмем Ра побольше, - 13W.
Большинство трансформаторов имеют Ш-образные сердечники (рис. 5.1.1.).
Рассчитаем площадь сечения такого сердечника:
.
Таким образом, площадь сечения Ш-образного сердечника для нашего трансформатора должна быть 4,3 квадратных сантиметра. Далее, нужно рассчитать необходимое число витков (Н) на 1V напряжения:
Итак, на 1 V напряжения требуется 10,5 витков. Теперь определим сколько витков нужно намотать в первичной (сетевой) обмотке : 220V • 10,5 = 2310 витков.
Во вторичной обмотке: 11V • 10,5 = 115,5 витков.
Следующее, что мы должны узнать, - это диаметр провода для намотки обмоток. Ток во вторичной обмотке (I2) мы знаем - 1А, мы его задали в самом начале, Так, что, диаметр провода для вторичной обмотки (D2) берем по формуле:
.
Таким образом, диаметр провода для вторичной обмотки должен быть около 0,8 мм.
Теперь нужно рассчитать диаметр провода для первичной обмотки, но для этого нужно сначала найти ток I1 через неё. Для этого нужно знать мощность (Ра) и напряжение. Напряжение (U) нам известно - 220V, а мощность мы определили - 13 W.
I1=P/U = 13/220 = 0,059A.
Это дает нам определить диаметр провода для первичной обмотки (D1):
Кроме приведенных формул, диаметр провода можно определить по графику (рис 5.1.2.), исходя из допустимой для трансформаторов плотности тока 2..3 А/мм2
Рис 5.1.2.
В итоге для нашего трансформатора нам нужен Ш-образный сердечник сечением не менее 4,3 см2. Еще нужен намоточный провод, например, ПЭВ, диаметром 0,19-0,2 для сетевой обмотки и 0,76-0,9 для вторичной. [4,7]
5.2 Расчет выпрямителя
После трансформатора в сетевом источнике питания, обычно, следует выпрямитель. Выпрямитель служит для преобразования переменного напряжения на вторичной обмотке силового трансформатора в постоянное напряжение. Выпрямители делаются на диодах, используется свойство диода пропускать ток только в одном направлении. Существует несколько видов выпрямителей -однополупериодные, двухполупериодные с выводом средней точки, мостовые, с удвоением напряжения. Поскольку выпрямитель построен на диодах, которые пропускают ток только в одном направлении, то на его выходе получается не постоянное, а пульсирующее напряжение, чтобы сделать его постоянным на выходе выпрямителя включают электролитический конденсатор. Во время полуволн пульсаций на конденсаторе накапливается напряжение, а в промежутках между ними (когда синусоида сетевого напряжения проходит через нуль) конденсатор отдает энергию в нагрузку. Таким образом он сглаживает пульсации и на нем получается уже постоянное напряжение, а не пульсирующее.
Схема однополупериодного выпрямителя показана на рисунке 5.2.1.
Это просто диод, через который переменное напряжение от трансформатора поступает на конденсатор Положительные полуволны проходят через диод на выпрямитель, а отрицательные не проходят таким образом, положительные полуволны поддерживают конденсатор заряженным, а напряжение с конденсатора поступает в нагрузку.
Рис. 5.2.1. Однополупериодный конденсатор
Достоинство такого выпрямителя в минимальном числе деталей. Недостаток в низкой частоте пульсаций, и как следствие, для сглаживания пульсаций требуется конденсатор большей емкости.
Такие выпрямители применяются, когда не требуется низкий уровень пульсаций. Обычно для питания устройств потребляющих небольшой ток или сильноточных схем, в которых уровень пульсаций большого значения не имеет. Следует заметить, что при питании номинальной нагрузки, выходное постоянное напряжение будет ниже входного переменного.
В данном типе выпрямителей зарядка конденсатора происходит тогда, когда диод открывается, то есть на положительных полуволнах переменного напряжения. На отрицательных полуволнах конденсатор разряжается только через нагрузку, потому что диод на отрицательных полуволнах закрыт. Вот и получается, что на холостом ходу, когда нет нагрузки, то есть, разрядной цепи, напряжение на конденсаторе может достигнуть амплитудного значения переменного напряжения (то есть, быть даже больше действующего переменного напряжения). С подключением нагрузки это напряжение будет снижаться. И степень этого снижения будет зависеть от тока протекающего через нагрузку, то есть, разрядного тока, а так же, и от емкости конденсатора и множества других факторов (сопротивления вторичной обмотки трансформатора или внутреннего сопротивления источника переменного напряжения, прямого и обратного сопротивления диода, тока утечки конденсатора и т.д.).
Этот недостаток, свойственный практически всем выпрямителям. Недостаток устраняется, обычно, установкой конденсатора большей емкости или при помощи стабилизаторов.
На основе однополупериодного выпрямителя несложно сделать двуполярный источник питания (рис. 5.2.2), например, для питания схемы на операционном усилителе. Здесь два выпрямителя, диод одного пропускает только положительные полуволны, диод второго– только отрицательные.
Рис 5.2.2. Однополупериодный выпрямитель
В результате, на конденсаторе получаются равные по модулю, но противоположные по знаку напряжения.
Точно такую же схему имеет и выпрямитель с удвоением напряжения (рис. 5.2.3.). Только нулевая точка не подключена. Выпрямитель с удвоением выгоден, если нужно получить напряжение побольше, чем может обеспечить имеющийся трансформатор. Фактически, он выдает напряжение в 2 раза превышающее напряжение выпрямителя напряжения, показанного на рис. 5.2.1.
Рис. 5.2.3. Выпрямитель с удвоением
Двухполупериодная схема (рис. 5.2.4.) характеризуется повышенной частотой пульсаций, потому что на диоды подаются напряжения с разных противоположных концов обмотки. Поэтому частота пульсация удваивается (получается не 50Гц, а 100Гц). Это выгодно в том смысле, что для получения такого же сглаживания пульсаций как в однополупериодном выпрямителе требуется меньшая емкость конденсатора.
Вообще, это нужно учитывать в дальнейшем, потому что, чем выше частота выпрямленного переменного тока, тем меньше может быть емкость сглаживающего конденсатора.
Рис. 5.2.4. Двухполупериодная схема выпрямителя
Недостаток двухполупериодной схемы в том, что необходим трансформатор, у которого есть отвод от середины вторичной обмотки, и число витков (суммарное) вторичной обмотки получается в два раза больше.
Мостовая схема (рис. 5.2.5.) – самая популярная схема выпрямителя, она отличается тем, что обеспечивает удвоенную частоту пульсация при работе от обмотки без отводов, имеющей число витков такое же, как в схеме однополупериодного выпрямителя. То есть те же преимущества, что и в двухполупериодной схеме, но для этого удваивать число витков вторичной обмотки трансформатора и делать от нее отводы не нужно.
Теперь рассчитаем выпрямитель (рис. 5.2.5). Допустимый прямой средний ток диодов в мостовой схеме должен быть не менее 0,5Iвых, практически выбирают (для надежности) диоды с большим прямым током.
Рис. 5.2.5. Выпрямитель, выполненный по мостовой схеме
Допустимое обратное напряжение не должно быть меньше 0,71UII, + 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 = 5 Iвых/С- выходной ток подставляется в амперах, емкость конденсатора С1 — в микрофарадах.[5,7]
Похожие работы
... Л.П. Задание принял к исполнению 01.09.98 г. Студент гр. 260831 Вяткин И.Н. Справка-отчет о патентном исследовании. Тема дипломного проекта: «Специализированный источник питания для АТС». Начало поиска 01.09.98 г. Окончание поиска 10.09.98 г. Таблица 1.2. Предмет поиска Страна, индекс /МКИ, НКИ/ № заявки, патента Сущность ...
... 2 – управляющее напряжение 2; 3 – выходной сигнал. Рисунок 3.12 – Диаграммы работы буфера управляющего напряжения. Промоделируем динамику работы всей схемы электрической принципиальной (приложение В). Реальный анализ схемы в составе импульсного источника питания в программе проектирования электронных схем не возможен ввиду использования с схеме импульсного трансформатора, модель которого в ...
а транзистор закрыт, конденсатор отдает в нагрузку накопленную энергию. Напряжение на выходе такого источника не зависит от тока нагрузки и частоты переключения транзистора, но определяется коэффициентом трансформации обмоток и коэффициентом заполнения импульсов t/T, т.е. регулировка выходного напряжения или его стабилизация может осуществляться за счет широтно-импульсной модуляции (ШИМ) путем ...
... ток в такой цепи находится в фазе с выходным напряжением, поэтому напряжение нагрузочного сопротивления синусоидально. Применение реактивных фильтров предпочтительно для высокочастотных устройств. 2 Инверторные источники питания для дуговой сварки 2.1 Начало развития и внедрение в производство инверторных источников питания В наступившем веке бесспорным лидером в производстве сварочной техники ...
0 комментариев