2.4.3. Расчет элементов схемы

Расчет начнем с блока питания (рис.2.8). Поскольку схема потребляет I_MAX =0,3A при напряжении питания 12 В, то в качестве стабилизатора выберем микросхему КРЕН 142ЕН8Б, которая имеет следующие параметры: Ucт.=5B, Icт.max =1A, Uвх.=15-35В, Ku=0,05%/B, Ki=0,67%/A.

Для выпрямления напряжения используем диодный мост со следующими параметрами: U_ОБР=100B, Iпp. =1A.

Рисунок 2.8. Принципиальная схема блока питания

При выборе выпрямительного моста ключевыми параметрами являются обратное напряжение и средний или постоянный прямой ток [17]. Когда приложенное напряжение достигает максимума, одна пара диодов диодной сборки открыта, другая закрыта, при этом максимальное обратное напряжение на вентилях определяется по формуле:

U_ОБР = 1,5 U₀ - 0,7, (2.1)

где U_ОБР - максимальное обратное напряжение, В; U₀ - среднеквадратичное напряжение вторичной обмотки трансформатора, В; 0,7- приближенное значение падения напряжения на проводящем диоде.

U_ОБР = 1,5 ∙ 13,3 - 0,7 = 19,25 В.

Поскольку каждый диод пропускает чередующиеся полупериоды, средний постоянный ток через него определяется по формуле:

I_СР=I₀/2 (2.2)

где I_СР - средний постоянный ток, А; I₀- постоянный ток на выходе схемы, А.

I_СР =0,3/2=0,15

Определим значение амплитуды тока при емкостной нагрузке по формуле:

I_MAX = 3,5I₀, А; (2.3)

где I_MAX- бросок тока при емкостной нагрузке, А.; I₀- постоянный ток на выходе схемы, А.

I_MAX = 3,5 ∙ 0,3 = 1 А.

Определим сопротивление нагрузки выпрямителя по формуле:

R_H = U₀/ I₀ (2.4)

где R_H - сопротивление нагрузки, Ом.

R_H = 18/ 0,3=60Ом

Для выпрямителей мощностью до 10Вт принимают сопротивление обмоток трансформатора:

R_mp = 0,09R_H, Ом; (2.5)

где R_mp - сопротивление обмоток трансформатора, Ом.

R_mp = 0,09 ∙ 60 = 5,4 Ом.

Найдем прямое сопротивление диода по формуле:

R_пр= U_пр/3 I_СР, (2.6)

где R_пр - прямое сопротивление диода, Ом; U_пр - постоянное прямое напряжение на диоде выбранное из таблицы характеристик.

R_пр= 1/3∙ 1=0,33Ом

Найдем активное сопротивление фазы выпрямителя по формуле:

R_a = R_mp + 2 R_пр, (2.7)

R_a = 5,4 + 2 ∙ 0,33 = 6,06 Ом.

Определим основной расчетный коэффициент А по формуле:

А= 1,6 R_a /R_H (2.8)

где А- основной расчетный коэффициент.

А= 1,6 6,06/60=0,16

Из графиков найдем: В=1,2; D=2,2; F=6; Н=290.

Определим значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора в режиме холостого хода по формуле:

U_ХХ = B U₀, (2.9)

где U_ХХ - напряжение на вторичной обмотке трансформатора без нагрузки, В.

U_ХХ = 1,2 ∙ 13,3 = 16 В.

Уточним значение обратного напряжения на вентилях по формуле:

U_ОБР = l,4 U_ХХ, В. (2.10)

U_ОБР.= 1,4 ∙ 16 = 22,4 В.

Уточним значение амплитуды прямого тока на вентилях по формуле:

I_m = 0,5FI₀ A, (2.11)

где I_m - амплитуда тока на диодах сборки, А.

I_m = 0,5 ∙ 6 ∙ 0,3 = 0,9 А.

Поскольку основные рассчитанные параметры не превосходят паспортных данных, значит диодная сборка выбрана правильно.

Определим действующие значение тока вторичной обмотки трансформатора I₂ по формуле:

I₂=DI₀/1,4 (2.12)

где I₂ - действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора, А.

I₂=22∙03 /1,4= 0,46 А.

Определим выходную емкость выпрямителя по формуле:

С= H/ R_aK_no , (2.13)

где С- необходимая емкость конденсатора на выходе выпрямителя, мкФ; K_no- коэффициент пульсаций напряжения на входе фильтра.

С = 290/6,06∙0,1 = 478мкФ.

Принимаем номинальное значение 500 мкФ.

Произведем расчет трансформатора питания. Для питания электронных схем необходим трансформатор с напряжением на вторичной обмотке 16 В, I_ВЫХ =0,46А.

Определим номинальную мощность трансформатора:

Р_НОМ = U_ВЫПР I_ВЫПР, (2.14)

где Р_НОМ - номинальная мощность трансформатора, Вт.; U_ВЫПР - напряжение на вторичной обмотке, В; I_ВЫПР - выпрямленный необходимый ток, А.

Р_НОМ= 16 ∙ 0,46= 6,6 Вт

Поскольку КПД небольших силовых трансформаторов составляет порядка 80%, потребляемая мощность от сети переменного тока будет на 20 % больше Р_НОМ.

Р_MAX = 1,2Р_НОМ, (2.15)

где Р_MAX - максимальная мощность трансформатора, Вт; Р_НОМ - номинальная мощность трансформатора, Вт.

Р_MAX = 1,2 ∙ 6,6 = 7,9 Вт.

Определим произведение:

S_MS_OK=45Р_MAX/ (f∙B_m∙i∙R_ОК∙R_M), (2.16)

где S_M - площадь сечения магнитопровода,см²; S_OK - площадь окна магнитопровода, см²; Р_MAX - максимальная мощность трансформатора, Вт; f - частота питающей сети, Гц; B_m -амплитуда магнитной индукции в магнитопроводе, Т; i - плотность тока в обмотках, А/мм²; R_ОК - коэффициент заполнения окна магнитопровода; R_M - коэффициент заполнения сечения стержня магнитопровода.

Значение B_m выберем по графику в зависимости от габаритной мощности трансформатора и марки стали.

Возьмем ленточный магнитопровод, для него при Р_Г меньше 10 Вт значение B_m =1,5Т.

Плотность тока в обмотках выберем равным 6 А/мм². Коэффициент заполнения окна магнитопровода - R_ОК выберем равным 0,25. Коэффициент заполнения сечения стержня магнитопровода - R_M выберем равным 0,9.

Таким образом:

S_MS_OK=3,5см²

По таблице выберем: ШЛ 10x16, L=10мм, Н=25мм. Определим число витков обмоток:

W_i = 2200U_i/f B_mS_M (2.17)

где W_i-число витков данной обмотки, витков; U_i- напряжение данной обмотки, В.

Таким образом:

W₁ = 4033, W₂ =264.

Число витков вторичной обмотки следует увеличить на 5%, чтобы учесть внутреннее падение напряжения.

W₂= 264 ∙ 1,05 = 278 витков.

Определим диаметр проводов в обмотках:

d_i=l,13 ∙ (I_i/i)^1/2, (2.18)

где d_i - диаметр i-й обмотки трансформатора, мм; I_i - ток i-й обмотки трансформатора, А; i- плотность тока, А/ мм². Ток в обмотках определяется по формуле:

I_i =1,1 Р_НОМ/ U_i, (2.19)

где I_i -ток i-й обмотки трансформатора, А; Ui- напряжение i-й обмотки трансформатора, В.

Таким образом ток в первичной обмотке равен:

I₁ = 0,039А,

диаметр провода первичной обмотки равен:

d₁ = 0,09 мм,

ток во вторичной обмотке равен:

I₂=0,5А,

диаметр провода вторичной обмотки равен:

d₁=0,32мм.