Разработка и расчёт блоков питания
1) анализ требований; в качестве исходных данных задаются
- напряжением нагрузки;
- током нагрузки;
- допустимой нестабильностью;
- допустимыми пульсациями.
2) выбор стабилизатора; при выборе ориентируются на исходные данные и на
следующие соображения:
- если схема маломощная, то применяется параметрический стабилизатор;
- если схема более мощная, то применяется параметрический стабилизатор с транзисторами;
- если схема ещё более мощная, то в качестве стабилизатора целесообразно использовать ИМС 142 серии;
- если схема большой мощности, то применяется стабилизатор с транзисторами;
- в особых случаях, когда требуемые параметры сильно не совпадают с параметрами выпускаемых ИМС, проектируют стабилизатор на ОУ и транзисторах.
3) выбор фильтра; осуществляется из следующих соображений:
- при небольших токах предпочитают С-фильтры, также они очень удобны при сильно изменяющейся нагрузке;
- при больших токах и сравнительно постоянной нагрузке целесообразно применять L-фильтры;
- LC-фильтры позволяют получать наиболее высокий коэффициент сглаживания пульсаций и применяются когда нельзя обойтись более простыми фильтрами;
-
иногда применяют RC-фильтр с транзистором, который выглядит следующим образом:
4) выбор выпрямителя; наиболее распространёнными являются двухполупери-
одные схемы: мостовая и с общей точкой. Мостовая применяется при более
высоких напряжениях и малых токах, а схема с общей точкой − при малых
напряжениях и сравнительно больших токах. Однополупериодные выпрями-
тели (обычные или по схеме удвоения) применяются в источниках питания с
малыми токами потребления.
5) выбор трансформатора; требование, предъявляемое ко вторичной обмотке:
обеспечивать требуемое напряжение и ток. Напряжение примерно равно вы
прямленному, а ток определяется сечением провода вторичной обмотки. Для
обычных конструкций трансформатора считается нормальным плотность то-
ка . Для расчёта обмоток используют параметр трансформатора ко-
личество витков на вольт; для обычного сборного сердечника выполненного
из железа число витков на вольт можно рассчитать по формуле:
, где S - площадь сердечника (например, в Ш-образном транс-
форматоре это площадь среднего сердечника). В тех случаях, когда целесо-
образно использовать аккумулятор в качестве выпрямителя, можно исполь-
зовать безтрансформаторную схему (схему удвоения).
Рассмотрим пример.
Зададимся следующими исходными данными:
- напряжение на нагрузке ;
- ток нагрузки ;
- допустимая нестабильность и коэффициент пульсаций 1%;
- схема будет работать в нормальном температурном режиме: 5..45°С.
Опираясь на исходные данные по справочнику выбираем стабилизатор КР142ЕН6Д, рассчитанные на ток в 1А, напряжение , он имеет нестабильность по напряжению , рабочий диапазон температур от -45°С до +70°С. Все эти параметры нас устраивают. Также стабилизатор имеет ещё два параметра − максимальные входное и выходное напряжения. Они также определяются по справочнику и в нашем случае составляют: и .
Эта микросхема представляет собой трёхвыводную схему (вход, выход и средняя точка). В справочнике также даётся минимальная ёмкость, которую можно подключать ко входу и к выходу.
Далее при выборе фильтрующего конденсатора следует обратить внимание на следующий момент. Чем на большее входное напряжение стабилизатора мы будем ориентироваться, тем меньшей ёмкости нам потребуется конденсатор, т.е., если взять максимальное входное напряжение стабилизатора, то мы сильно сэкономим на ёмкости фильтрующего конденсатора, а, соответственно, на его габаритах.
При выборе схемы выпрямителя следует учесть, что для мостовой схемы выходная обмотка трансформатора должна обеспечивать ток в 0,5А, а для схемы со средней точкой − в 0,25А (но, как говорилось ранее, в случае её применения обязательно полуобмотки должны быть одинаковыми). В схеме со средней точкой вторичная обмотка должна обеспечивать ток в два раза меньший, чем в мостовой схеме, т.к. в ней каждая полуобмотка и соответствующий ей диод работают только один полупериод, и средний ток через обмотку за период получается в два раза меньше, чем в мостовой схеме.
Трансформатор выбирают таким, чтобы он обеспечивал требуемую мощность, но при выборе необходимо учитывать все потери:
- в самом трансформаторе;
- на диодах;
- на ИМС.
Согласно со всеми вышеизложенными соображениями изобразим схему и проведём её расчёт. Стабилизатор был уже выбран, в качестве выпрямителя остановимся на мостовой двухполупериодной схеме. Таким образом, получится следующая схема:
Ёмкость есть минимально допустимая ёмкость на выходе ИМС стабилизатора и берётся из справочника. Ёмкость мы рассчитаем ниже, но она должна быть не менее значения минимальной входной ёмкости стабилизатора также указанной в справочнике.
Максимальное выпрямленное напряжение должно быть равно максимальному входному напряжению стабилизатора. Чтобы сэкономить на ёмкости конденсатора выбираем максимально допустимое входное напряжение стабилизатора . Тогда среднее значение выпрямленного напряжения будет равно:
.
Минимально допустимое среденевыпрямленное напряжение составит:
Минимальное входное напряжение стабилизатора:
, но мы возьмём с запасом 18В.
Сопоставив минимальные значения средневыпрямленного и входного напряжений, мы видим, что на пульсации приходится 7,5В, т.е. . Эта величина составляет 25% от значения средневыпрямленного напряжения, т.е. .
Ёмкость найдём по формуле:
,
где ,
- время разряда конденсатора,
- полный размах пульсаций, определяется по формуле:
.
Таким образом, .
Выбираем из справочника конденсатор по следующим параметрам:
- ёмкость;
- рабочее напряжение;
- коэффициент пульсаций.
Выбрали К50-6: . Рабочее напряжение выбрано с запасом, т.к. следует учитывать погрешность в 10%, составляющую 3В от 30В, и то обстоятельство, что может быть снята нагрузка. Коэффициент пульсаций, при котором допускается работа выбранного конденсатора, меньше 25%, но зато ёмкость его больше той, которую мы рассчитали, поэтому необходимо сделать следующую проверку:
Полученный коэффициент пульсаций меньше допустимых 20%, выбранный конденсатор нас устраивает.
Далее выбираем диоды по значениям обратного напряжения и среднего прямого тока. Максимальное обратное напряжение находим по формуле:
.
Т.к. мы использовали мостовую схему, то средний прямой ток будет в два раза меньше, чем ток нагрузки и составит 0,25А. Это объясняется тем, что каждый полупериод работают только два диода из четырёх, а за период средний ток протекающий через каждый диод составит половину тока протекающего через выпрямитель.
В соответствии с расчитанными параметрами выбираем диод КД106Д: .
Наконец оценим диаметр провода на вторичной обмотке трансформатора. Нормальная плотность тока составляет . Т.к. мы используем мостовую схему, то через вторичную обмотку протекает ток 0,5А, т.е. плотность тока составит , а площадь провода, соответственно, . Зная площадь, найдём диаметр провода:
.