Blok_pitania1

Расчет блока питания
Блок питания будет иметь выходное напряжения 5 вольт, а ток
нагрузки примем равным 0,5 амперу.
Прежде всего, потребуется трансформатор он обозначен на схеме как
Т1, диодный выпрямитель VD1, оксидный сглаживающий конденсатор
большой емкости С1, стабилитрон - D1 – стабилизирующий напряжение до 5
вольт, понадобятся постоянный резистор R1 и переменный резистор R2,
которым регулируется выходное напряжение, а так же транзистор VT1.
Паять все это можно как на плате, так и навесным монтажом.
Транзистор VT2 необходимо обязательно установить на радиатор.
Оптимальную площадь радиатора можно выбрать экспериментально, но она
должна быть не меньше 50 кв. см. При правильном монтаже схема
совершенно не нуждается в настройке и начинает работать сразу.
Подключаем тестер или вольтметр к выходу блока питания и устанавливаем
резистором R2 необходимое нам напряжение.
Блок питания состоит из двух основных узлов - это выпрямитель,
состоящий из трансформатора, выпрямительных диодов и конденсатора и
стабилизатор, состоящий из всего остального.
Рассчитаем 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
3
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 усилителя.
Два основных параметра нашего блока питания - напряжение на выходе и
максимальный ток нагрузки:
Uвых = 5 Вольт, а Imax = 0,5 Ампер.
Сначала необходимо определить какое напряжение Uвх подать на
стабилизатор, чтобы на выходе получить необходимое Uвых. Это
напряжение определяется по формуле:
Uвх = Uвых + 3
Uвх = 5+3=8
Откуда взялась цифра 3? Это падение напряжения на переходе коллекторэмиттер транзистора VT. Таким образом, для работы нашего стабилизатора
на его вход мы должны подать не менее 8 вольт.
Выбор транзистора
Определим, какой нужен транзистор VT. Для этого надо определить,
какую мощность он будет рассеивать.
Pmax=1.3(Uвх-Uвых)Imax
Pmax=1.3(8-5)0,5=1,95
В справочнике выбираем 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. Выбрали КТ626D. Pc=6,5 Вт; Uce=20 В; Ic=1,5 А.
Расчет стабилизатора.
Сначала
транзистора:
определяется
максимальный
ток
базы
выбранного
Iб max=Imax / h21Э min
h21Э min - это минимальный коэффициент передачи тока транзистора и
берется он из справочника. Если там указаны пределы этого параметра - что
4
то типа 30…40, то берется самый меньший. В справочнике 40…250, значит
берём 40.
Iбmax=0,5/40=0.013 А (или 13 мА).
Далее будем выбирать стабилитрон. Выбираем его по двум параметрам напряжению стабилизации и току стабилизации.
Напряжение стабилизации должно быть равно максимальному выходному
напряжению блока питания, то есть 5 вольтам, а ток - не менее 13 мА, то есть
тому, что мы посчитали.
По напряжению нам подходит стабилитрон КС407Г, его ток стабилизации 20
мА подходит.
Теперь посчитаем сопротивление и мощность балластного резистора
Rб.
Rб=(Uвх-Uст)/(Iб max+Iст min)
где Uст - напряжение стабилизации стабилитрона, Iст
стабилитрона.
min
- ток стабилизации
Rб= (8-5,1)/(0,013+0,02) ≈88 Ом.
Определим мощность этого резистора
Prб=(Uвх-Uст)2/Rб.
Pбr=(8-5,1)2/88≈0,06 Вт.
Таким образом, из исходных данных - выходного напряжения и тока,
получили все элементы схемы и входное напряжение, которое должно быть
подано на стабилизатор.
Выпрямитель
Учитывая то, что известно, какое
напряжение нам надо подать на
стабилизатор - 8 вольт, вычисляем
напряжение на вторичной обмотке
трансформатора.
Для
этого
рассмотрим схему с конца. После
конденсатора фильтра мы должны
5
иметь напряжение 8 вольт.
Учитывая то, что конденсатор фильтра увеличивает выпрямленное
напряжение в 1,41 раза, получаем, что после выпрямительного моста должно
получиться
8/1,41≈5,7 вольт.
Теперь учтем, что на выпрямительном мосту теряем порядка 1,5-2 вольт,
следовательно, напряжение на вторичной обмотке должно быть:
5,7+2=7,7 вольт.
Возможно, что такого трансформатора не найдется, в данном случае можно
применить трансформатор с напряжением на вторичной обмотке от 8 до 10
вольт.
Определим емкость конденсатора фильтра.
Cф=3200Iн/UнKн
где Iн - максимальный ток нагрузки,
Uн - напряжение на нагрузке,
Kн - коэффициент пульсаций.
В нашем случае
Iн = 0,5 Ампер,
Uн=5 вольтам,
Kн=0,01.
Cф=3200*0.5/5*0,01=32000.
Однако, поскольку за выпрямителем идет еще стабилизатор напряжения,
можно уменьшить расчетную емкость в 5…10 раз. То есть 3000 мкФ будет
вполне достаточно.
Выбираем выпрямительные диоды или диодный мост.
Для этого надо знать два основных параметра - максимальный ток,
текущий через один диод и максимальное обратное напряжение, так же через
один диод.
6
Необходимое максимальное обратное напряжение считается:
Uобр max=2Uн,
Uобр max=2*5=10 Вольта.
Максимальный ток, для одного диода должен быть больше или равен току
нагрузки блока питания. Для диодных сборок в справочниках указывают
общий максимальный ток, который может протекать через эту
сборку.Возьмём диодный мост MB1S-TP с максимальным током 0,5 А.
Расчёт трансформатора.
Его габариты и масса полностью определяются той мощностью,
которую должен отдавать блок питания:
Рвых = Uвых • Iвых.
Pвых= 7,7* 0,5=3,9 Вт
К посчитанной мощности следует добавить мощность потерь на диодах
выпрямителя.
Pвыпр= 2Unp* Iвых,
Pвыпр=2*1*0,5=1 Вт
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+Рвыпр+40%.
Ртр= 3,9+1+40%=6,86 Вт
7
Теперь можно определить площадь сечения центрального стержня
сердечника (проходящего сквозь катушку), пользуясь эмпирической
формулой:
S2 = 1,2*Pтр.
S = 1,2√6,86 = 3,12 см2
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.
Число витков на вольт n у фабричных трансформаторов, намотанных
на стандартном сердечнике из Ш-образных пластин, обычно рассчитывают ,
из соотношения:
n = (45...50)/S;
n = 45/3,12=14 Вит/В;
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.
Для первичной сетевой обмотки число витков, учитывая потери
напряжения, будет равно:
8
n1=0,97*n*UI
n1=0,97*14*220=2988 Вит.
Для вторичной обмотки число витков, учитывая потери напряжения,
будет равно:
n2=1,03*n*U2
n2=1,03*14*7,7=111 Вит.
Определив токи обмоток, следует найти диаметр провода исходя из
допустимой для трансформаторов плотности тока 2...3 А/мм2. Расчет
облегчает график приведённый ни
Диаметр провода любой обмотки трансформатора можно определить
по формуле:
d = 0,7 ∗ √I
d2=0,7*0,5=0,35≈0,4 мм;
где I — сила тока (A), проходящего через данную обмотку; d —
диаметр провода (по меди) в мм.
9
Сила тока, проходящего через первичную (сетевую) обмотку,
определяется из обшей мощности трансформатора Р:
I1 =
Pтр
U1
I1=6,86/220=0,03 А
d1=0,7*0,03=0,021≈0,06 мм.
Остается еще выбрать типоразмер пластин для сердечника. Для этого
необходимо подсчитать площадь, которую занимает вся обмотка в окне
сердечника трансформатора:
Sм = 4(d12 ∗ n1 + d22 + n2 )
Sм=4(0,06*2988+0,4*111)= 894,72 мм2
Где Sм- площадь (в кв. мм), занимаемая всеми обмотками в окне;
d1, d2 - диаметры проводов обмоток (в мм);
n1, n2— числа витков этих обмоток.
Этой формулой учитывается толщина изоляции проводов,
неравномерность намотки, а также место, занимаемое каркасом в окне
сердечника.
По полученной величине Sм выбирается
типоразмер пластины с таким расчетом, чтобы обмотка
свободно разместилась в окне выбранной пластины.
Выбирать пластины с окном, значительно большим,
чем это необходимо, не следует, так как при этом
ухудшаются общие качества трансформатора.
Наконец определяют толщину набора сердечника – величину b,
которую подсчитывают по формуле:
𝑏=
100 ∗ 𝑆
𝑎
b=100*3,12/25=12,84
Здесь размер a – ширина среднего лепестка пластины (рис.5) и b в
миллиметрах; S - в кв. см.
10