Расчёт блока питания

Расчёт блока питания.

Исходные данные:

-Выходное напряжение: U _вых =+12 В;

-Максимальный ток нагрузки: I_мах =2,5 А;

- Коэффициент пульсации выходного напряжения k_н.н = 1 %,

 при изменении Uсети на 10 %,

- Напряжение сети, U₁ = 220 В;

- Частота сети, f = 50 Гц;

-Рабочий диапазон температур, Тmax=+35⁰C, Tmin= +15⁰ C

- Выпрямленное напряжение на вх. стабилизатора U_ост = 18 В;

- Выпрямленный ток в нагрузке, I_о = 2,5 А;

- Коэффициент стабилизации  Кст  = 500

    

Рис.1. Функциональная схема блока  питания.

   Для успешной работы блока питания, необходимо рассчитать

каждый его узел (трансформатор, выпрямитель, фильтр, стабилизатор).

 

1. СТАБИЛИЗАТОР.

 

 

 

 

Рис.2. Схема стабилизатора.

Компенсационный стабилизатор постоянного  напряжения с непрерывным регулированием собран по классической схеме из недефицитных деталей невысокой стоимости. Данный стабилизатор имеет высокий коэффициент  стабилизации и плавное регулирование выходного напряжения. Выходное  напряжение  подаётся  на  схему сравнения

(резистор R2 и стабилитрон VD1). При изменении величины напряжения

на выходе схемы сравнения появляется сигнал, который поступает

на вход усилителя постоянного  тока  (транзистор VT2). С выхода

усилителя сигнал подаётся на регулирующий элемент  (транзистор VT2).

Под воздействием сигнала управления изменяется внутреннее

сопротивление регулирующего транзистора VT1, а значит и падение

напряжения на нём. При правильной настройке стабилизатора,

изменение падения напряжения на VT1 компенсирует отклонение

выходного напряжения от заданного значения. Таким образом

           U_вых = U_вх – U_рэ = const,  т. е. будет стабилизировано.

Резистором R4 устанавливаем выходное напряжение +12 В.

Конденсаторы С4 и С5 предотвращают  возбуждение стабилизатора

по высокой частоте. Ток в нагрузке может достигать 6 А. 

Транзистор КТ827А :      U_кэ=100 В,  I_max=20 A.  

      

                 2.   РАСЧЁТ СГЛАЖИВАЮЩЕГО ФИЛЬТРА.

                                         

                                        Рис.3. Схема фильтра.

        Сглаживающий фильтр служит защитой нагрузки от помех,

создаваемых трансформатором  и выпрямителем. Для выбора схемы

фильтра неодходимо вычислить коэффициент сглаживания

фильтра – q. Коэффициент пульсаций входного напряжения К_п.в= 10%.

Коэффициент сглаживания  фильтра, чтобы обеспечить коэффициент

пульсаций на выходе К_п.вых = 1, должен быть

                                 q = К_п.вх/К_п.вых=10/1=10.    q=10%.

     Если мощность, потребляемая нагрузкой относительно  невелика,

можно использовать LC-фильтр. Если q>25 необходимо брать

двухзвенный фильтр. В нашем  случае q<25, следовательно можно

использовать однозвенный фильтр. Если рабочий ток через фильтр

более 1 А, схема фильтра  начинается с дросселя (индуктивная

реакция нагрузки). Теперь можно определить величины L и C.

Произведение L· C определим по формуле

                        L·C=10·(q+1)/m², Гн·мкФ

 m – коэффициент, зависящий от схемы выпрямления переменного тока,

        при  двухполупериодной схемы выпрямителя   m = 2.

           L· C=10 · (10+1) / 4 = 27,5 Гн · мкФ.        L· C = 27,5 Гн.

 Определим величину идуктивности дросселя L:

          L_min=2·U₀/(m²-1)·m·π·f_c·I₀= 2·19/3·2·3,14·50·2,5 = 0,016 Гн,

выбираем из таблицы ближайший  унифицированный дроссель Д61

 с нужными нам данными: идуктивность L=0,02 Гн; ток

 подмагничивания I_под.= 3 А; сопротивление обмотки R_обм.=0,6 Ом;           сердечник ШЛ16х16.

 Падение напряжения на дросселе:

U=I_н· R_L=2,5· 0,6=1,5В. 

      Определим значение  ёмкости конденсатора:

       C=L·C/L=27,5/0,02=1375 мкФ.   Выбираем из таблицы конденсатор

с нужными данными: К50-22. Ёмкость С=1500 мкФ, рабочее напряжение U_раб = 50 В.

Определим резонансную частоту фильтра:

            , рад/с

  рад/с

Проверка отсутствия резонанса проводится по неравенству:

 или 

В нашем случае:

             

Неравенство выполняется - резонанс отсутствует.

 

3.    РАСЧЁТ ВЫПРЯМИТЕЛЯ.

Рис.4. Схема выпрямителя.

Выбор схемы выпрямителя определяется значением мощности

и напряжения. Поскольку  мощность в нагрузке в данном

случае невелика, а выпрямленный ток больше 1 А, можно применить                                    двухполупериодную схему выпрямления с выводом средней точки.

    На выходе схемы выпрямления U_о, с учетом падения напряжения на

 LC-фильтре и диодах выпрямителя, определяется по выражению:

                U₀ = U_н + U_ф + U_д = 18 + 1,5 + 1 = 20,5 B.

U_н - напряжение на входе стабилизатора;

U_ф  - падение напряжения на фильтре;

U_д - падение напряжения на диоде выпрямителя.

    Основные параметры диодов схемы определяются по следующим        выражениям:

               А;                  А.

                В.

Определим дифференционное сопротивления диодов:

, Ом;          Ом.

  В соответствии с этими данными выбираем диоды типа КД202Д

 со следующими  параметрами:

       I_{пр.ср.max} = 5 A;     U_{обр.и.max} = 200 В;        U_пр.ср. = 1 В.

       I_пр.и.max = 6 · I_{пр.ср.max} = 6 · 5 = 30 А.

 

4. Конструктивный расчёт трансформатора

             Определение электрических параметров трансформатора.

   Определение габаритной (потребляемой нагрузки) мощности Р_г, ВА

   при двухполупериодном выпрямителе с выводом средней точки.

       Габаритная (потребляемая нагрузкой) мощность трансформатора

   определяется по формуле

                             P_г  = 1,7 · U₂ · I₂

           Действующее значение напряжения вторичной обмотки

          (одной половины):   

                         U₂ = 1,11 · U₀ = 1,11 · 20,5 = 22,75 B;

      Действующее значение  тока вторичной обмотки    (одной половины):    

                          I₂ = 0.785 · I₀ = 0,785 · 2,5 = 1,96 A.

             P_г =  1,7· U₂ · I₂  = 1,7 · 22,75 · 1,96 = 75,8 ВА.    

     Габаритная мощность трансформатора -  75,8 ВА.

  По таблице 12.1а  выбираем магнитопровод для

 трансформатора  мощностью Рг=100 ВА.

Магнитопровод  из Ш – образных  пластин из электротехнической

 стали марки 1511 толщиной 0,5 мм,

 Параметры магнитопровода:

- магнитная индукция В = 1,35 Тл;

- плотность тока J = 2,5 А/мм;    

- коэффициент заполнения окна  медью обмоток k₀ = 0,31;

- коэффициент заполнения сечения магнитопровода сталью k_с = 0,93

  выбираем из таблицы 12.1б;

- КПД трансформатора η = 0,95.

     Определение тока первичной обмотки:

                        , А

где: cosφ₁ – коэффициент мощности трансформатора, равный 0,9;

                       А

4. Определение исходной расчётной  величины – произведение  S_c S_o

           , см⁴

 см⁴

Согласно полученному S_cS_o выбираем броневой магнитопровод

(таблица 12.1а)    из штампованных пластин Ш 20 × 40 ,

 у которого S_cS_o = 80 > 68,47 см⁴.

Рис.4. Магнитопровод.

Магнитопровод имеет следующие  параметры:

- размеры: а = 20 мм, c = 20 мм, h = 50 мм, b = 40 мм;

- площадь сечения стержня S_с = 6,95 см²;

4. Определяем число витков в обмотках трансформатора

;     ;  где:

ΔU₁% и ΔU₂% - относительные падения напряжения в обмотках:

ΔU₁% = 5%;   ΔU₂% = 10%;

вит.  вит.                      Первичная обмотка содержит – 1003 витка.     

  Вторичная обмотка – 154,47 x 2 = 308,94 витка.

  Вторичная омотка содержит -  309 витков

         Определение поперечного сечения провода обмоток

, мм²       где: J – плотность тока

 мм²                          мм²

По найденным сечениям проводов по таблице (приложение 2)

определяем диаметр проводов в  изоляции ПЭВ-1:

для первичной  обмотки  d₁ = 0,49 мм.

для вторичной обмотки  d₂ = 1,07 мм.

  Определяем возможность размещения обмоток в окне выбранного   магнитопровода.

Обмотка ω₁ :   Определяем число витков в одном слое обмотки

  ;   где Е₁ – расстояние обмотки до ярма,

обычно Е = 2 ÷ 5 мм, принимаем Е = 2,5 мм;

h – высота окна магнитопровода;

 витка в одном слое.

Число слоёв в  первичной обмотке

.       Принимаем равным m₁ =11.

Определяем толщину первичной обмотки:

, мм     мм

Обмотка ω₂

Определяем число витков в одном  слое обмотки

 витков.

Число слоёв в обмотке:   .  Принимаем  m₂ = 8.

Определяем толщину вторичной обмотки

 мм

 Определяем необходимую ширину окна, которая для броневого       магнитопровода выражается следующим образом:                             

, мм

где: k – коэффициент разбухания обмоток за счёт неплотного прилегания слоёв, k = 1,2 ÷ 1,3, принимаем 1,2;

         Е₂ – толщина изоляции между обмотками и стержнем, она выполняется из электрокартона или гетинакса, принимаем 1.5мм;

         δ_1,2 = δ_2,3 - толщина изоляции между обмотками, принимаем 0.5мм;

 Е₃ – толщина наружной изоляции катушки до второго стержня  0.5мм;

        Е₄ – расстояние от катушки до второго стержня, принимаем Е₄ = 1мм;

 мм.    23<50.

Таким образом, С_необ не превышает ширину окна выбранного магнитопровода, которая равна 50 мм, следовательно, обмотки трансформатора разместятся в окне данного магнитопровода.

  

     

 

Список литературы

 

1. А.Б. Грумбина « Электрические  машины и источники питания  РЭУ»,                             Москва, Энергопромиздат, 1990 г.                                   

2.  Журнал Радио 1991 г.