I1=P/U = 13/220 = 0,059A.
Это дает нам определить диаметр провода для первичной обмотки (D1):
Кроме приведенных формул, диаметр провода можно определить по графику (рис 5.1.2.), исходя из допустимой для трансформаторов плотности тока 2..3 А/мм2
Рис 5.1.2.
В итоге для нашего трансформатора нам нужен Ш-образный сердечник сечением не менее 4,3 см2. Еще нужен намоточный провод, например, ПЭВ, диаметром 0,19-0,2 для сетевой обмотки и 0,76-0,9 для вторичной. [4,7]
5.2 Расчет выпрямителя
После трансформатора в сетевом источнике питания, обычно, следует выпрямитель. Выпрямитель служит для преобразования переменного напряжения на вторичной обмотке силового трансформатора в постоянное напряжение. Выпрямители делаются на диодах, используется свойство диода пропускать ток только в одном направлении. Существует несколько видов выпрямителей -однополупериодные, двухполупериодные с выводом средней точки, мостовые, с удвоением напряжения. Поскольку выпрямитель построен на диодах, которые пропускают ток только в одном направлении, то на его выходе получается не постоянное, а пульсирующее напряжение, чтобы сделать его постоянным на выходе выпрямителя включают электролитический конденсатор. Во время полуволн пульсаций на конденсаторе накапливается напряжение, а в промежутках между ними (когда синусоида сетевого напряжения проходит через нуль) конденсатор отдает энергию в нагрузку. Таким образом он сглаживает пульсации и на нем получается уже постоянное напряжение, а не пульсирующее.
Схема однополупериодного выпрямителя показана на рисунке 5.2.1.
Это просто диод, через который переменное напряжение от трансформатора поступает на конденсатор Положительные полуволны проходят через диод на выпрямитель, а отрицательные не проходят таким образом, положительные полуволны поддерживают конденсатор заряженным, а напряжение с конденсатора поступает в нагрузку.
Рис. 5.2.1. Однополупериодный конденсатор
Достоинство такого выпрямителя в минимальном числе деталей. Недостаток в низкой частоте пульсаций, и как следствие, для сглаживания пульсаций требуется конденсатор большей емкости.
Такие выпрямители применяются, когда не требуется низкий уровень пульсаций. Обычно для питания устройств потребляющих небольшой ток или сильноточных схем, в которых уровень пульсаций большого значения не имеет. Следует заметить, что при питании номинальной нагрузки, выходное постоянное напряжение будет ниже входного переменного.
В данном типе выпрямителей зарядка конденсатора происходит тогда, когда диод открывается, то есть на положительных полуволнах переменного напряжения. На отрицательных полуволнах конденсатор разряжается только через нагрузку, потому что диод на отрицательных полуволнах закрыт. Вот и получается, что на холостом ходу, когда нет нагрузки, то есть, разрядной цепи, напряжение на конденсаторе может достигнуть амплитудного значения переменного напряжения (то есть, быть даже больше действующего переменного напряжения). С подключением нагрузки это напряжение будет снижаться. И степень этого снижения будет зависеть от тока протекающего через нагрузку, то есть, разрядного тока, а так же, и от емкости конденсатора и множества других факторов (сопротивления вторичной обмотки трансформатора или внутреннего сопротивления источника переменного напряжения, прямого и обратного сопротивления диода, тока утечки конденсатора и т.д.).
Этот недостаток, свойственный практически всем выпрямителям. Недостаток устраняется, обычно, установкой конденсатора большей емкости или при помощи стабилизаторов.
На основе однополупериодного выпрямителя несложно сделать двуполярный источник питания (рис. 5.2.2), например, для питания схемы на операционном усилителе. Здесь два выпрямителя, диод одного пропускает только положительные полуволны, диод второго– только отрицательные.
Рис 5.2.2. Однополупериодный выпрямитель
В результате, на конденсаторе получаются равные по модулю, но противоположные по знаку напряжения.
Точно такую же схему имеет и выпрямитель с удвоением напряжения (рис. 5.2.3.). Только нулевая точка не подключена. Выпрямитель с удвоением выгоден, если нужно получить напряжение побольше, чем может обеспечить имеющийся трансформатор. Фактически, он выдает напряжение в 2 раза превышающее напряжение выпрямителя напряжения, показанного на рис. 5.2.1.
Рис. 5.2.3. Выпрямитель с удвоением
Двухполупериодная схема (рис. 5.2.4.) характеризуется повышенной частотой пульсаций, потому что на диоды подаются напряжения с разных противоположных концов обмотки. Поэтому частота пульсация удваивается (получается не 50Гц, а 100Гц). Это выгодно в том смысле, что для получения такого же сглаживания пульсаций как в однополупериодном выпрямителе требуется меньшая емкость конденсатора.
Вообще, это нужно учитывать в дальнейшем, потому что, чем выше частота выпрямленного переменного тока, тем меньше может быть емкость сглаживающего конденсатора.
Рис. 5.2.4. Двухполупериодная схема выпрямителя
Недостаток двухполупериодной схемы в том, что необходим трансформатор, у которого есть отвод от середины вторичной обмотки, и число витков (суммарное) вторичной обмотки получается в два раза больше.
Мостовая схема (рис. 5.2.5.) – самая популярная схема выпрямителя, она отличается тем, что обеспечивает удвоенную частоту пульсация при работе от обмотки без отводов, имеющей число витков такое же, как в схеме однополупериодного выпрямителя. То есть те же преимущества, что и в двухполупериодной схеме, но для этого удваивать число витков вторичной обмотки трансформатора и делать от нее отводы не нужно.
Теперь рассчитаем выпрямитель (рис. 5.2.5). Допустимый прямой средний ток диодов в мостовой схеме должен быть не менее 0,5Iвых, практически выбирают (для надежности) диоды с большим прямым током.
Рис. 5.2.5. Выпрямитель, выполненный по мостовой схеме
Допустимое обратное напряжение не должно быть меньше 0,71UII, + 0,5Uвых, но поскольку на холостом ходу Uвых достигает 1,41UII, обратное напряжение диодов целесообразно выбирать не меньше этой величины, т. е. амплитудного значения напряжения на вторичной обмотке. Полезно учесть еще и возможные колебания напряжения сети.
Амплитуду пульсаций выпрямленного напряжения в вольтах можно оценить по упрощенной формуле: Uпульс = 5 Iвых/С- выходной ток подставляется в амперах, емкость конденсатора С1 — в микрофарадах.[5,7]
5.3 Расчет стабилизатора
Среди полупроводниковых стабилизаторов напряжения существует две основные группы - параметрические стабилизаторы и компенсационные.
Наиболее просты параметрические стабилизаторы. Их принцип действия основан на использовании особых диодов - стабилитронов, или других каких-то полупроводниковых элементов, которые имеют такую вольт-амперную характеристику (ВАХ), что при пропускании через них тока или прикладыванию к ним напряжения на этих элементах поддерживается определенное стабильное напряжение падения. Поэтому такие стабилизаторы и называются параметрическими, - потому что их работа зависит от определенного параметра стабилитрона или другого элемента.
Яркий пример - стабилитрон. Это диод, имеющий ВАХ показанную на рис. 5.3.1. Как видно, в отличие от обычного диода ВАХ стабилитрона имеет отрицательную ветвь, характеризующую резкое нарастание обратного тока при достижении обратным напряжением
Фактически, это обратимый пробой диода, не взывающий повреждения кристалла (но только в том случае, если не будет превышен максимально допустимый обратный ток).
Рис. 5.3.1. ВАХ стабилитрона определенного значения (напряжения стабилизации).
Кроме напряжения стабилизации (Ucт) при котором наступает обратимый пробой стабилитрона, есть еще два параметра - Iст(мин) -минимальный обратный ток, при котором возникает устойчивый пробой и Uст(макс) -максимальный обратный ток, при превышении которого происходит повреждение стабилитрона. Таким образом, имеется рабочий стабильный участок обратного тока от Iст(мин) до Iст(макс), в пределах которого изменение обратного тока через стабилитрон не приводит к изменению на падающего на нем напряжения.
Согласно закону Ома изменяется сопротивление стабилитрона: Сила тока возрастает, а сопротивление уменьшается на столько, чтобы напряжение на стабилитроне оставалось на уровне напряжения стабилизации.
Простейший параметрический стабилизатор можно собрать по схеме, показанной на рис. 5.3.2. Сопротивление стабилитрона VD1 и резистора R1 образуют делитель напряжение, a R1, кроме того, ограничивает и ток через стабилитрон. Если входное напряжение (Uвx) ниже Uст (напряжения стабилизации стабилитрона) сопротивление VD1 очень велико (как у любого диода, включенного в обратном направлении) и он не влияет на выходное напряжение. Если Uвx превышает Ucт возникает обратимый пробой стабилитрона и его обратное сопротивление изменяется так, что напряжение на VD1 остается стабильным и равным Ucт при значительном изменении входного напряжения (при условии, что Uвx всегда больше чем Ucт).
На рисунке 5.3.4. показана одна из возможных схем сетевого источника с таким стабилизатором. Недостатком
Рис. 5.3.4. данной схемы является то, что из-за резистора R1 стабилизатор имеет значительное выходное сопротивление и, как следствие, очень небольшой выходной ток, который обязательно должен быть значительно меньше тока, протекающего через стабилитрон. Дело в том, что если ток через нагрузку будет высок, то сопротивление нагрузки просто зашунтирует стабилитрон и совместно с резистором R1 образует делитель напряжения, на параметры которого стабилитрон будет оказывать лишь минимальное влияние.
Устранить недостаток большого выходного сопротивления можно, если дополнить схему простым усилителем тока на транзисторе (рис. 5.3.5). Транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя, а это значит, что напряжение на его эмиттере будет равно напряжению на его базе. На базу транзистора подаем напряжение со стабилитрона, а нагрузку подключаем в его эмиттерную цепь. Теперь, ток нагрузки уже не сможет оказывать существенного влияния на напряжение на стабилитроне. Нагрузка может быть достаточно мощной (зависит от мощности транзистора и его коэф-
Рис. 5.3.5. фициента усиления по току). Теперь напряжение на нагрузку подается с другого делителя, состоящего из сопротивления эмиттер-коллектор транзистора и сопротивления самой нагрузки. Ток в нагрузке увеличивается, - сопротивление Э-К VT1 уменьшается, так чтобы напряжение на нагрузке осталось таким же, как напряжение на стабилитроне.
Следуя этой схеме можно очень просто сделать регулируемый стабилизатор (рис.5.3.6).
Просто напряжение на базу транзистора подается не прямо со стабилитрона а через потенциометр R2. Поворачивая вал переменного резистора R2 можно
Рис. 5.3.6. изменять напряжение на базе транзистора. Соответственно будет изменяться напряжение и на его эмиттере. Для того, чтобы получить лучшую стабильность выходного напряжения и его меньшую зависимость от выходного тока нужно повысить коэффициент усиления по току транзисторного усилителя тока. Это можно сделать применив схему усилителя на двух транзисторах, включенных по схеме составного транзистора.
Расчет стабилизатора, показанного на рис 5.3.6., необходимо начинать с выбора транзистора VT1 и стабилитрона VD1, исходя из требуемого напряжения и тока нагрузки. Ток базы транзистора составит: Iб = Iвых / h21Э, где h21Э — статический коэффициент передачи тока базы транзистора в схеме с общим эмиттером. Затем оценивается минимальное напряжение на выходе выпрямителя Uвых – Uпульс – оно должно быть на 2...3 В больше требуемого напряжения на нагрузке даже при минимально допустимом напряжении сети. [6,7]
Список литературы
1. Микроконтроллеры PIC16F84. Документация // материал сайта: http://pic16f84.narod.ru/index.htm
2. А. Шарыпов, Экономичный многофункциональный частотомер,//журнал «Радио», 2002, №10, с.26.
3. Н.Большаков, Audio техника // материал сайта: http://radio-fanat.ru
4. В.В.Алексеев, Сетевые источники питания, //журнал «Радио-конструктор», 2004 , №4, с.42
5. В.В.Алексеев, Сетевые источники питания. Расчет выпрямителя, //журнал «Радио-конструктор», 2004 , №5, с.44
6. В.В.Алексеев, Сетевые источники питания. Расчет стабилизатора, //журнал «Радио-конструктор», 2004 , №6,8, с.42
7. В. Поляков, Расчет блоков питания, //журнал «Радио», 2003, №5, с.51.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
