Расчёт блока питания

Выбор той или иной схемы вторичного электропитания обусловлен параметрами питающей сети, требованиями к выходным электрическим параметрам, конструктивными особенностями устройства, температурным диапазоном работы, сроком службы, гарантированной надежностью. Основными критериями при выборе и расчете схем являются: масса, габариты, кпд, надежность, стоимость.

Источник питания нужен для получения напряжения заданной величины мощности и качества.

Структурная схема источника питания изображена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 — Структурная схема источника питания: 1-силовой трансформатор (преобразует напряжение сети в напряжение нужной нам величины); 2 — электронный выпрямитель; 3- фильтр сглаживающий; 4 — стабилизатор.

Трансформатор — электромагнитное устройство переменного тока, предназначенное для изменения напряжения, согласования сопротивлений электрических цепей, разделения цепей источника и нагрузки по постоянному току. Основной частью трансформатора является магнитопровод из магнитомягкого материала с размещенными на нем обмотками. Трансформатор питания — трансформатор малой мощности, предназначенный для преобразования напряжения питающей сети в напряжения, необходимое для питания электронной аппаратуры.

Магнитопроводы — для уменьшения потерь на вихревые токи, магнитопроводы трансформаторов набираются из штампованных пластин, навиваются из полос электротехнической стали либо железо-никилиевых сплавов, а также изготовляются из магнитомягких ферритов. Витые (ленточные) магнитопроводы характеризуются возможностью использования материалов различной толщины, что позволяет их применять для трансформаторов при повышенных частотах; лучшим, чем у пластинчатых магнитопроводов, использованием магнитных свойств материалов; несколько повышенными потерями меньшей стоимостью изготовления. Преимуществом магнитопроводов, набираемых из пластин, является возможность изготовления их практически их любых, даже очень хрупких, материалов. По конструкции магнитопроводы разделяют на броневые, стержневые и кольцевые. В броневых магнитопроводах обмотки располагаются на центральном стержне, что упрощает конструкцию, позволяет лучше использовать окно и частично создает защиту обмоток от механических воздействий. Недостатком трансформаторов с броневым магнитопроводом является повышенная чувствительность к воздействию магнитных полей низкой частоты. Это ограничивает применение броневых магнитопроводов для входных трансформаторов. В стержневых магнитопроводах обмотки располагаются на двух стержнях. При этом уменьшается толщина намотки. Кроме того, уменьшается расход провода.

Кольцевые магнитопроводы позволяют наиболее полно использовать магнитные свойства материала, уменьшить внешнее магнитное поле трансформатора, однако применяются сравнительно редко вследствие сложности намотки катушек.

Каркасы, на которые наматываются обмотки трансформаторов, прессуют из пластмассы, склеивают из электрокартона.

Обмотки трансформаторов разделяют на цилиндрические и галетные. Цилиндрическая обмотка проще в изготовлении. При намотке на каркас провод может укладываться рядами или беспорядочно. Галетная обмотка сложнее в изготовлении, но отличается более высокой электрической прочностью и допускает ремонт путем замены галет. Для обмоток трансформаторов применяют медные обмоточные провода. Вид изоляции провода выбирают в зависимости от рабочей температуры обмотки, требуемой ее электрической прочности, допускаемого коэффициента заполнения окна магнитопровода.

Выпрямитель — устройство предназначенное для преобразования энергии источника переменного тока в постоянный ток. Необходимость в подобном преобразовании возникает, когда питание потребителя осуществляется постоянным током, а источником электрической энергии является источник переменного тока, например промышленная сеть частотой 50 Гц. В источниках питания приемно-усилительной находят применение выпрямители однополупериодные, двухполупериодные с выводом средней точки, мостовые, с удвоением напряжения. Чаще всего они выполняются со сглаживающим фильтром, начинающимся с конденсатора, и, следовательно, работает на емкостную нагрузку. Хотя эти выпрямители обладают низким КПД по сравнению с выпрямителями, работающими на индуктивную нагрузку, они позволяют получить меньший коэффициент пульсаций. Однополупериодную схему выпрямителя применяют при мощностях в нагрузке до 5 — 10Вт и тогда, когда не требуется малый коэффициент пульсаций. Достоинства однополупериодного выпрямителя — минимальное число элементов, низкая стоимость. Недостатки — низкая частота пульсаций, плохое использование трансформатора, подмагничивание его магнитопровода постоянным током. Двухполупериодная схема с выводом средней точки дает несколько больший коэффициент использования выпрямительного трансформатора и меньшую по сравнению со схемой однополупериодного выпрямителя пульсацию. Однофазная мостовая схема характеризуется хорошим использованием мощности трансформатора. Весьма существенным преимуществом однофазной мостовой схемы является также и то, что она может быть непосредственно подключена к питающей сети переменного тока. В схеме я использую однофазную мостовую схему выпрямления и мостовую схему выпрямления с выводом нулевой точки трансформатора для получения двух разнополярных напряжений.

Фильтр выпрямителя предназначен для сглаживания переменной составляющей выпрямленного напряжения. Допустимый уровень переменной составляющей определяется условиями эксплуатации и характером работы питаевамого радиотехнического устройства. В источник электропитания радиоаппаратуры наибольшее применение получили простейшие фильтры: емкостные, резистивно-емкостные, индуктивные и т. д. Емкостные фильтры применяются в выпрямителях на токи до 1А. На большие токи емкостные фильтры применяются в тех случаях, когда хотят иметь лучшую частотную характеристику выпрямителя при работе его на импульсную нагрузку. В описанной схеме используется емкостный фильтр.

Стабилизатор — для стабилизации напряжения постоянного тока используются нелинейные, элементы, напряжение на которых мало зависит от тока, протекающего через них. В качестве таких элементов часто применяются кремневые стабилитроны. Полупроводниковые параметрические стабилизаторы (ППС) — наиболее простые. Они характеризуются сравнительно невысокими коэффициентами стабилизации, большим выходным сопротивлением, низким КПД. Принцип работы полупроводниковых параметрических стабилизаторов основан на использовании нелинейности ВАХ кремневых стабилитронов.

Простейший ППС представляет собой делитель напряжения, состоящий из резистора и кремниевого стабилитрона. Нагрузка подключается параллельно кремневому стабилитрону.

Исходными данными для расчета выпрямителя являются номинальное выпрямленное напряжение Uo, ток нагрузки I₀, коэффициент пульсаций К_По, номинальное напряжение питающей сети Ui. Значения U₀, Io определяются параметрами той аппаратуры, питание которой будет осуществляться от выпрямителя. Коэффициент пульсаций, принимаемый для расчета, не должен превышать 0,15, а допустимое относительное значение переменной составляющей напряжения для выбранных конденсаторов фильтра должно быть не меньше 0,05. Расчет выполняется в следующем порядке. Выбирают диоды. Для этого по приближенным формулам вычисляют значение обратного напряжения на диодах U_oбp, среднего тока I_ср и амплитуды тока I_м через диод. В процессе расчета выпрямителя эти значения уточняются.