Расчет вторичного источника электропитания
Значительная часть элементов электронных и полупроводниковых устройств для своей работы потребляют электрическую энергию постоянного тока. Устройства, поставляющие нагрузке такую энергию, называются вторичными источниками питания (далее ВИЭП).
ВИЭП в большинстве случаев состоит из следующих элементов:
Силовой трансформатор (или автотрансформатор), служащий для повышения или понижения напряжения до нужной величины;
Одного или нескольких диодов (в зависимости от схемы), обладающих односторонней проводимостью тока и выполняющих основную функцию выпрямления – преобразование переменного тока в постоянный;
Сглаживающего фильтра, уменьшающего пульсацию выпрямленного тока.
В схему выпрямителя, кроме этих основных элементов, могут входить различные вспомогательные устройства, предназначенные для регулировки выпрямленного напряжения, включения и выключения выпрямителя, защиты выпрямителя от повреждений при нарушениях нормального режима работы (например, стабилизаторы напряжения) и т.п.
Структурная схема неуправляемого ВИЭП показана на рисунке 1.
Рисунок 1 Структурная схема неуправляемого ВИЭП
На структурной схеме рисунка 1 слева на право обозначены элементы: трансформатор, выпрямитель, фильтр, стабилизатор. О стабилизаторе речь пойдет в следующем разделе.
Для питания электронной аппаратуры наиболее часто применяются выпрямители однофазного переменного тока, работающие в режиме двухполупериодного выпрямления. Обычно на выходе таких выпрямителей включаются сглаживающие фильтры, начинающиеся с конденсатора, что определяет емкостной характер нагрузки выпрямителя.
Мостовая схема выпрямителя изображена на рисунке 2. Эта схема обеспечивает двухполупериодное выпрямление за счет чередующегося открывания пар диодов VD2-VD3 и VD1-VD4 при подаче переменного синусоидального напряжения на питающую диагональ моста. Так, одна пара открывается при положительной полуволне (вторая пара в это время закрыта), а другая при отрицательной, при этом ток по нагрузке всегда течет в одном и том же направлении.
Необходимость использования в схеме четырех вентилей является недостатком мостовой схемы (высокий расход материалов). На схеме рисунка 2 использован С-фильтр. Сглаживание пульсаций в таких фильтрах осуществляется за счет не мгновенного процесса разрядки конденсатора, т.е. конденсатор не успевает полностью разрядиться до наступления следующей полуволны, что увеличивает постоянную составляющую пульсирующего напряжения.
Задача
Рассчитать ВИЭП, выполненный по мостовой схеме. Исходные данные приведены в таблице 1. Расчетная схема приведена на рисунке 2.
Рисунок 2 Мостовой выпрямитель
Таблица 1
Схема |
U1, В |
I2m, А |
Rd, Ом |
q2 |
Kт |
Bm, Тл |
, А/мм2 |
Мостовая |
380 |
24 |
4 |
0,05 |
1,23 |
1 |
4,0 |
Здесь KТ – коэффициент типовой мощности;
Bm – амплитуда магнитной индукции;
- плотность тока в проводе.
1 Рассчитаем действующее значение тока и напряжения на вторичной обмотке трансформатора, мощность нагрузки и среднее значение выпрямленного тока и напряжения.
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
2 Определим мощность трансформатора и его физические параметры (сечение сердечника, число витков, сечение обмоточных проводов для меди).
(6)
(7)
Здесь S – сечение сердечника трансформатора.
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
(16)
3 Определим параметры диодов.
(17)
(18)
По справочнику выбираем диоды типа
КД244А (
).
Паспортные данные для данного диода
приведены в таблице 3.
4 Определим емкость C-фильтра.
(19)
Временные диаграммы изображены на рисунке 3. Сведем все результаты в таблицу 2.
Таблица 2
Участок ВИЭП |
Параметры |
Трансформатор |
|
Диодный мост |
|
C-фильтр |
|
Таблица 3
Тип |
Материал |
Iпр.max, А |
tи, мкс |
Iобр.max, мкА |
Uобр.max, В |
Uпр.max, В |
fр, кГц |
|
КД244А |
кремний |
10 |
10000 |
100 |
100 |
1,3 |
200 |
|
|
||||||||
tвос.обр.max, нс |
T, 0C |
|
|
|
|
|
|
|
50 |
-45…+100 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Напряжение на вторичной обмотке трансформатора |
Выпрямленное пульсирующее напряжение |
|
Обратное напряжение на паре VD2-VD3 |
|
Обратное напряжение на паре VD1-VD4 |
|
Выпрямленное напряжение после включения C-фильтра |
Рисунок 3 Временные диаграммы
Расчет параметрического стабилизатора напряжения
Стабилизатором напряжения (тока) называется устройство, автоматически и с требуемой точностью поддерживающее напряжение (ток) на потребителе при изменении дестабилизирующих факторов в обусловленных пределах. Основными причинами нестабильности напряжения и тока на выходе выпрямительных схем являются изменение переменного напряжения на входе ВИЭП и изменение сопротивления нагрузки на его выходе.
Здесь будет рассмотрен, так называемый, параметрический метод стабилизации. Принцип действия параметрических стабилизаторов основан на изменении сопротивления нелинейных элементов, входящих в их схему, при изменении приложенного к ним напряжения или проходящего через них тока. В результате перераспределения токов и напряжений между отдельными элементами схемы достигается стабилизация выходного напряжения или тока.
На рисунке 4 изображена схема стабилизатора на стабилитроне.
Рисунок 4 Стабилизатор на стабилитроне
Нелинейным элементом в таких стабилизаторах является стабилитрон. Рабочий режим стабилитрона – режим электрического пробоя при подаче обратного напряжения. У стабилитронов участок электрического пробоя очень широкий, в пределах которого напряжение изменяется незначительно. Для лучшей стабилизации подключают балластное сопротивление, которое почти полностью поглощает все изменения напряжения источника.
Задача
Рассчитать параметрический стабилизатор
(на стабилитроне). Исходные данные
приведены в таблице 4. Определить
коэффициент стабилизации при постоянной
нагрузке
и изменении входного напряжения в
пределах Uвх.min…Uвх.max.
Таблица 4
Стабилитрон |
Rн.max, Ом |
Rб, Ом |
Uвх.min, В |
КС156А |
240 |
75 |
9 |
1 По справочнику выпишем параметры для стабилитрона КС156А.
Таблица 5
Тип |
Uст.min, В |
Uст.max, В |
Iст.min, мА |
Iст.max, мА |
Uст.ном, В |
Iст.ном, мА |
Rд, Ом |
КС156А |
5 |
6,2 |
3 |
55 |
5,6 |
10 |
46 |
По данным таблицы 5 строим рабочую часть ВАХ стабилитрона (рисунок 5).
Рисунок 5 Рабочая характеристика стабилитрона
2 Уравнения, описывающие работу стабилизатора, имеют вид.
(20)
(21)
(22)
3 Определим минимальное и номинальное входное напряжения. Согласно формуле (20) получим.
(23)
(24)
4 Определим минимальное значение сопротивления нагрузки. Согласно формулам (20) и (21) получим.
(25)
(26)
5 Определим номинальный ток нагрузки
(27)
6 Определим коэффициент стабилизации
при постоянной минимальной нагрузке
(
).
(28)