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 R б 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:
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.
Определим, какой нам нужен транзистор VT. Для этого нам надо определить, какую мощность он будет рассеивать.
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 P max =1.3*(17-14)*1=3.9 Вт. А если мы примем Uвых=1.5 вольта, то P max =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).
h21 Э 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?
I б 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 h21Э раз. h21Э, разумеется, того транзистора, который мы только что добавили в схему. Особо не думая, я взял из кучи железок КТ315. Его минимальный h21Э 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 R б .
R б =(Uвх-Uст)/(I б max +I ст min )
где Uст — напряжение стабилизации стабилитрона, Iст min — ток стабилизации стабилитрона.
R б = (17-14)/((1.33+5)/1000) = 470 Ом.
Теперь определим мощность этого резистора
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.
где Iн — максимальный ток нагрузки, Uн — напряжение на нагрузке, Kн — коэффициент пульсаций.
В нашем случае Iн = 1 Ампер, Uн=17 вольтам, Kн=0,01.
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
U обр max =2U н , то есть U обр 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.
Источник
10. Блок питания. Расчет стабилизатора
Расчет стабилизатора
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. 1. В таком устройстве работают стабилитрон V5 и регулирующий транзистор V6. Расчет позволит выбрать все элементы стабилизатора, исходя из заданного выходного напряжения Uн 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. Расчет стабилизатора ведут в следующем порядке.
1. Определяют необходимое для работы стабилизатора входное напряжение (Uвып) при заданном выходном (Uн):
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 Uвып.
2. Рассчитывают максимально рассеиваемую транзистором мощность:
3. Выбирают регулирующий транзистор. Его предельно допустимая рассеиваемая мощность должна быть больше значения Рmax, предельно допустимое напряжение между эмиттером и коллектором — больше Uвып, а максимально допустимый ток коллектора — больше Iн.
4. Определяют максимальный ток базы регулирующего транзистора:
где: h21Эmin — минимальный коэффициент передачи тока выбранного (по справочнику) транзистора..
5. Подбирают подходящий стабилитрон. Его напряжение стабилизации должно быть равно выходному напряжению стабилизатора, а значение максимального тока стабилизации превышать максимальный ток базы Iб max.
6. Подсчитывают сопротивление резистора R1:
Здесь R1 — сопротивление резистора R1, Ом; Uст — напряжение стабилизации стабилитрона, В; Iб.max — вычисленное значение максимального тока базы транзистора, мА; Iст.min — минимальный ток стабилизации для данного стабилитрона, указанный в справочнике (обычно 3. 5 мА). .
7. 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. 2), который позволит снизить максимальный ток нагрузки для стабилитрона (а значит, и ток стабилизации) примерно в h21Э 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.
Источник
Расчет трансформатора для стабилизатора
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
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,
Теперь можно определить площадь сечения центрального стержня сердечника (проходящего сквозь катушку), пользуясь эмпирической формулой:
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 см 2 , 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 см 2 . 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:
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) IIА = 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: IIр = 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 II 2 = IIA 2 + IIР 2 .
Определив токи обмоток, следует найти диаметр провода исходя из допустимой для трансформаторов плотности тока 2. 3 А/мм 2 . Расчет облегчает график, показанный на рис.[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.). 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 0,71UII + 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 = 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 (см. раздел 4 «Нелинейные цепи» в «Радио», 2002, № 12, с. 45, рис. 19).
При больших токах нагрузки рекомендуем применить несколько более сложный стабилизатор, схема которого показана на рис..
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:
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].
ЛИТЕРАТУРА 1. Поляков В. Уменьшение поля рассеяния трансформатора. — Радио, 1983, № 7, с. 28, 29. 2. Малинин Р. М. Питание радиоаппаратуры от электросети. — М.: Энергия, 1970. 3. Москвин А. Транзисторные стабилизаторы напряжения с защитой от перегрузки. — Радио, 2003, № 2, с. 26—28. В. Поляков, г. Москва. Радио 05-2003
