Розрахунок блоків живлення
Розрахунок блоків живлення
Переважна більшість радіоаматорських конструкцій отримує харчування від електромережі через блок живлення. Він зазвичай містить мережевий трансформатор Т1 (рис.), Діодний випрямляч VD1-VD4 і оксидний згладжує конденсатор великої ємності С1.
До допоміжних, але за потрібне пристроїв відносяться вимикач SA1, запобіжник FU1 і індикатор включення - мініатюрна лампа розжарювання HL1, з номінальною напругою, дещо більшим напруги вторинної обмотки трансформатора (лампи, палаючі з недокалом, набагато довше служать).
Стабілізатор напруги, якщо він є, включається між виходом випрямляча і навантаженням. Напруга на його виході, як правило, менше U вих, і на стабілізаторі витрачається помітна потужність.
Почнемо з розрахунку мережевого трансформатора. Його габарити і маса повністю визначаються тією потужністю, яку повинен віддавати блок живлення: Рвих = U вих • Iвих. Якщо вторинних обмоток кілька, то треба підсумувати всі потужності, споживані по кожній з обмоток. До обчисленою потужності слід додати потужність індикаторної лампочки Ринд і потужність втрат на діодах випрямляча
Pвипр = 2Unp • Iвих,
де Unp - пряме падіння напруги на одному діоді, для кремнієвих діодів воно становить 0,6. 1 В, в залежності від струму. Unp можна визначити за характеристиками діодів, що приводяться в довідниках.
Від мережі трансформатор буде споживати потужність, трохи більшу розрахованої, що пов'язано з втратами в самому трансформаторі. Розрізняють "втрати в міді" - на нагрів обмоток при проходженні по ній струму - це звичайні втрати, викликані активним опором обмоток, і "втрати в залізі", викликані роботою по перемагнічування осердя і вихровими струмами в його пластинах Ставлення споживаної з мережі до віддається потужності одно ККД трансформатора η. ККД малопотужних трансформаторів невеликий і становить 60. 65%, зростаючи до 90% і більше лише для трансформаторів потужністю кілька сотень ват. Отже,
РТР = (вих + Ринд + Рвипр) / η.
Тепер можна визначити площу перерізу центрального стержня сердечника (проходить крізь котушку), користуючись емпіричної формулою:
У позначеннях магнитопроводов вже закладені дані для визначення перетину. Наприклад, Ш25х40 означає ширину центральної частини Ш-подібної пластини 25 мм, а товщину набору пластин 40 мм. З огляду на нещільне прилягання пластин один до одного і шар ізоляції на пластинах, перетин такого сердечника можна оцінити в 8. 9 см2. а потужність намотаного на ньому трансформатора - в 65. 80 Вт.
Площа перетину центрального стрижня муздрамтеатру трансформатора S визначає наступний важливий параметр - число витків на вольт. Воно не повинно бути занадто малим, інакше зростає магнітна індукція в магнітопроводі, матеріал сердечника заходить в насичення, при цьому різко зростає струм холостого ходу первинної обмотки, а форма його стає синусоїдальної - виникають великі піки струму на вершинах позитивної та негативної напівхвиль. Різко зростають поле розсіювання і вібрація пластин. Інша крайність - зайве число витків на вольт - призводить до перевитрати міді і підвищенню активного опору обмоток. Доводиться також зменшувати діаметр проводу, щоб обмотки вмістилися в вікні муздрамтеатру. Детальніше ці питання розглянуті в [1].
Число витків на вольт n у фабричних трансформаторів, намотаних на стандартному осерді з Ш-образних пластин, зазвичай розраховують. зі співвідношення n = (45. 50) / S, де S береться в см2. Визначивши n і помноживши його на номінальну напругу обмотки, отримують її число витків. Для вторинних обмоток напруга слід брати на 10% більше номінального, щоб врахувати падіння напруги на їх активному опорі.
Всі напруги на обмотках трансформатора (UI і UII на рис.) Беруться в ефективних значеннях. Амплітудне значення напружень буде в 1,41 рази вище. Якщо вторинна обмотка навантажена на мостовий випрямляч, то напруга на виході випрямляча U вих на холостому ходу виходить практично рівним амплітудному на вторинній обмотці. Під навантаженням випрямлена напруга зменшується і стає рівним:
U вих = 1,41UII - 2Uпр - Iвих Rтр.
Тут Rтр - опір трансформатора з боку вторинної обмотки. З достатньою для практики точністю можна покласти rтp = (0,03. 0,07) U вих / Iвих, причому менші коефіцієнти беруться для більш потужних трансформаторів.
Визначивши числа витків, слід знайти струми в обмотках. Струм вторинної обмотки III = Iінд + Pвих / UII. Активний струм первинної обмотки (обумовлений струмом навантаження) IIА = РТР / UI. Крім того, в первинній обмотці тече ще й реактивний, "намагнічує" струм, що створює магнітний потік в сердечнику, практично рівний току холостого ходу трансформатора. Його величина визначається індуктивністю L первинної обмотки: IIр = UI / 2пfL.
На практиці струм холостого ходу визначають експериментально - у правильно спроектованого трансформатора середньої і великої потужності він становить (0,1. 0,3) IIA. Реактивний струм залежить від числа витків на вольт, зменшуючись зі збільшенням n. Для малопотужних трансформаторів допускають llp = (0,5. 0,7) lIA. Активний і реактивний струми первинної обмотки складаються в квадратурі, тому повний струм первинної обмотки II2 = IIA2 + IIР2.
Визначивши струми обмоток, слід знайти діаметр дроти виходячи з допустимої для трансформаторів щільності струму 2. 3 А / мм2. Розрахунок полегшує графік, показаний на рис. [2].
Оцінюють можливість розміщення обмоток у вікні наступним чином: вимірявши висоту вікна (ширину котушки), визначають число витків одного шару кожної обмотки і потім потрібну кількість шарів. Помноживши число шарів на діаметр проводу і додавши товщину ізолюючих прокладок, отримують товщину обмотки. Товщина всіх обмоток повинна бути не більше ширини вікна. Більш того, оскільки щільна намотування руками неможлива, слід отриману товщину обмоток збільшити в 1,2. 1,4 рази.
На закінчення наведемо спрощений розрахунок випрямляча (рис.). Допустимий прямий середній струм діодів в мостовій схемі повинен бути не менше 0,5Iвих, практично вибирають (для надійності) діоди з великим прямим струмом. Допустиме зворотна напруга не повинно бути менше 0,71UII + 0,5Uвих, але оскільки на холостому ходу U вих досягає 1,41UII, зворотна напруга діодів доцільно вибирати не менше цієї величини, т. Е. Амплітудного значення напруги на вторинній обмотці. Корисно врахувати ще і можливі коливання напруги мережі.
Амплітуду пульсацій випрямленої напруги в вольтах можна оцінити за спрощеною формулою: Uпульс = 5Iвих / С. Вихідний струм підставляється в амперах, ємність конденсатора С1 - в мікрофарадах.
Як бачимо, тут до найпростішого стабілізатора на елементах R1, VD1 доданий емітерний повторювач, зібраний на транзисторі VT1. Якщо в простому стабілізаторі струм навантаження не може бути більше струму стабілітрона, то тут він може перевершувати струм стабілітрона в h21Е раз, де h21Е - статичний коефіцієнт передачі струму бази транзистора в схемі із загальним емітером. Для його збільшення часто на місці VT1 використовують складовою транзистор. Вихідна напруга стабілізатора на 0,6 В менше напруги стабілізації VD1 (на 1,2 В для складеного транзистора).
Розрахунок стабілізованого блоку живлення рекомендується починати саме зі стабілізатора. Виходячи з необхідних напруги і струму навантаження, вибирають транзистор VT1 і стабілітрон VD1. Струм бази транзистора складе:
Він і з'явиться вихідним струмом найпростішого стабілізатора на елементах R1 і VD1. Потім оцініть мінімальна напруга на виході випрямляча U вих-Uпульс - воно повинно бути на 2. 3 У більше необхідного напруги на навантаженні навіть при мінімально допустимому напрузі мережі. Далі розрахунок ведеться описаним способом. Більш досконалі схеми і розрахунок стабілізаторів дані в [3].