Расчет самодельного регулируемого блока питания 0 — 12В

Расчет выпрямителя

Поскольку в преобладающем большинстве кон­струкций самодельных блоков питания использу­ется двухполупериодный выпрями­тель, диоды которого включены по мостовой схеме (рис. 1), о выборе и расчете БП элементов здесь и пойдет раз­говор.

Рассчитать выпрямитель — зна­чит правильно выбрать выпрями­тельные диоды и конденсатор фильтра, а также определить необходимое переменное на­пряжение, снимаемое для выпрямления со вторичной об­мотки сетевого трансформатора.

Исходными данными для расчета выпрямителя служат: требуемое напряжение на нагрузке (U_н) и потребляемый ею максимальный ток (I_н). Расчет ведут в таком порядке.

1. Определяют переменное напряжение, которое долж­но быть на вторичной обмотке сетевого трансформатора:

U_n = вI,

где U_H — постоянное напряжение на нагрузке, В; В — коэффициент, зависящий от тока нагрузки, который опре­деляют по табл. 1.

таблица 1

2. По току нагрузки определяют максимальный ток, те­кущий через каждый диод выпрямительного моста:

Iд = 0,5СIн,

где Iд — ток через диод, А; Iн — максимальный ток нагруз­ки, А; С — коэффициент, зависящий от тока нагрузки (определяют по табл. 1).

3. Подсчитывают обратное напряжение, которое будет приложено к каждому диоду выпрямителя:

U_обр=1,5 U_н,

где U_обр — обратное напряжение, В; U_s — напряжение на нагрузке, В.

4. Выбирают диоды, у которых значения выпрямленно­го тока и допустимого обратного напряжения равны или превышают расчетные.
5. Определяют емкость конденсатора фильтра:

С_ф = 3200 I_B/U_HK_П.

Здесь Сф — емкость конденсатора фильтра, мкФ; I_н — максимальный ток нагрузки, A; U_s — напряжение на на­грузке, В; Ки — коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения (отношение амплитудного значения перемен­ной составляющей частотой 100 Гц на выходе выпрямителя к среднему значению выпрямленного напряжения).

Для различных нагрузок коэффициент пульсаций не должен превышать определенного значения, иначе в дина­мической головке или громкоговорителе будет прослуши­ваться фон переменного тока. Для питания портативных приемников и магнитофонов, например, допустим коэффи­циент пульсаций выпрямленного напряжения в пределах 10~³…10-², усилителей ВЧ и ПЧ — 10-⁴…10~³, предваритель­ных каскадов усилителей НЧ и микрофонных усилителей — 10~⁵…10~⁴. Если выходное напряжение выпрямителя будет дополнительно стабилизироваться транзисторным стабили­затором напряжения, то расчетная емкость конденсатора фильтра может быть уменьшена в 5…10 раз.

Расчет трансформатора блока питания

Зная необходимое на­пряжение на вторичной обмотке (Un) и максимальный ток нагрузки (I_н), трансформатор рассчитывают в такой после­довательности.

1. Определяют значение тока, текущего через вторичную обмотку трансформатора:

I_II=1.5I_н,

где I_И — ток через обмотку II трансформатора, А; I_н — максимальный ток нагрузки, А.

2. Определяют мощность, потребляемую выпрямителем от вторичной обмотки трансформатора:

где Р_II — максимальная мощность, потребляемая от вторич­ной обмотки, Вт; U_II — напряжение на вторичной обмотке, В; I_II — максимальный ток через вторичную обмотку транс­форматора, А.

3. Подсчитывают мощность трансформатора:

P_тр = 1,25 Р_П,

где Р_Тр — мощность трансформатора, Вт; Рц — максималь­ная мощность, потребляемая от вторичной обмотки трансформатора, Вт. Если трансформатор должен иметь не­сколько вторичных обмоток, то сначала подсчитывают их суммарную мощность, а затем мощность самого трансфор­матора.

4. Определяют значение тока, текущего в первичной обмотке:

где I_I — ток через обмотку I, А; Р_тр — подсчитанная мощ­ность трансформатора, Вт; U_I — напряжение на первичной обмотке трансформатора (сетевое напряжение).

5. Рассчитывают необходимую площадь сечения сердеч­ника магнитопровода:

где S — сечение сердечника магнитопровода, см²; Р_тр — мощность трансформатора, Вт.

6. Определяют число витков первичной (сетевой) об­мотки:

w_I = 50 U_I/S,

где w_I — число витков обмотки; Ui — напряжение на пер­вичной обмотке, В; S — сечение сердечника магнитопро­вода, см².

7. Подсчитывают число витков вторичной обмотки:

w_II = 55 U_II/S,

где дои — число витков вторичной обмотки; Uu — напря­жение на вторичной обмотке, В; S — сечение сердечника магнитопровода, см².

8. Определяют диаметры проводов обмоток трансфор­матора:

где d — диаметр провода, мм; I — ток через обмотку, мА. Диаметр провода обмотки можно также определить по табл. 2.

 

После этого можно приступить к подбору подходящего трансформаторного железа и провода, изготовлению кар­каса и, наконец, выполнению обмоток. Но Ш-образные трансформаторные пластины имеют неодинаковую площадь окна, поэтому нужно проверить, подойдут ли выбранные пластины для трансформатора, т. е. разместится ли про­вод на каркасе трансформатора. Для этого достаточно под­считанную ранее мощность трансформатора умножить на 50 — получится необходимая площадь окна, выраженная в мм². Если в подобранных пластинах она больше или рав­на вычисленной, железо можно использовать для трансфор­матора.

При выборе сердечника магнитопровода нужно также учитывать и то обстоятельство, что отношение ширины сер­дечника к толщине набора (отношение сторон сердечника) должно быть в пределах 1…2.

В качестве трансформаторов питания радиолюбители часто используют унифицированные выходные трансформа­торы кадровой развертки телевизоров (трансформаторы ТВК). Промышленность выпускает несколько видов таких трансформаторов, и каждый из них при работе с выпря­мителем, выполненным по мостовой схеме, позволяет полу­чить на нагрузке вполне определенные напряжения в за­висимости от потребляемого ею тока. Эти параметры све­дены в табл. 3, которая поможет в выборе трансформатора ТВК для того или иного блока питания.

Расчет стабилизатора напряжения. Для получения бо­лее постоянного напряжения на. нагрузке при изменении потребляемого тока к выходу выпрямителя подключают стабилизатор, который может быть выполнен по схеме, приведенной на рис. 2. В таком устройстве работают стаби­литрон V5 и регулирующий транзистор V6, Расчет позволит выбрать все элементы стабилизатора, исхо­дя из заданного выходного напряжения U_n и максимального тока нагрузки I_н. Однако оба эти параметра не должны превышать параметры уже рассчитанного выпрямителя. А если это условие нарушается, тогда сна­чала рассчитывают стабилизатор, а затем — выпрямитель и трансформатор питания

Расчет стабилизатора БП

Расчет стабилизатора ведут в следую­щем порядке.

1. Определяют необходимое для работы стабилизатора входное напряжение (U_Bbm) при заданном выходном (U_B):

Здесь цифра 3, характеризующая минимальное напря­жение между коллектором и эмиттером транзистора, взята в расчете на использование как кремниевых, так и герма­ниевых транзисторов. Если стабилизатор будет подклю­чаться к готовому или уже рассчитанному выпрямителю, в дальнейших расчетах необходимо использовать реальное значение выпрямленного напряжения U_BЫП.

2. Рассчитывают максимально рассеиваемую транзисто­ром мощность:

P_max = l,3(U_BЫП — U_H) I_н.

3. Выбирают регулирующий транзистор. Его предельно допустимая рассеиваемая мощность должна быть больше значения Р_тах, предельно допустимое напряжение между эмиттером и коллектором — больше U_BЫП, а максимально допустимый ток коллектора — больше I_н.
4. Определяют максимальный ток базы регулирующего транзистора:

I_{б. макс} = I_н/h_{21э мин},                

где h_{21Э мин} — минимальный коэффициент передачи тока выбранного (по справочнику) транзистора.

5. Подбирают подходящий стабилитрон. Его напряже­ние стабилизации должно быть равно выходному напряже­нию стабилизатора, а значение максимального тока стаби­лизации превышать максимальный ток базы I_{б. макс}.
6. Подсчитывают сопротивление резистора R1;

R_l = (U_ВЫП—U_СT)/(I_{б. МAКС} + I_{СТ. МИН}).

Здесь R₁ — сопротивление резистора R1, Ом; U_ст— — напряжение стабилизации стабилитрона, В; h. макс — вы­численное значение максимального тока базы транзистора, мА; I_{ст. мин} — минимальный ток стабилизации для данного стабилитрона, указанный в справочнике (обычно 3…5 мА).

7. Определяют мощность рассеяния резистора R1:

Может случиться, что маломощный стабилитрон не подойдет по максимальному току стабилизации и придется выбирать стабилитрон значительно большей мощности — такое случается при больших токах потребления и исполь­зовании транзистора с малым коэффициентом h_21Э. В таком случае целесообразно ввести в стаби­лизатор дополнительный транзистор V7 малой мощности (рис. 3), который позволит снизить максимальный ток нагрузки для стабилитрона (а значит, и ток стабилизации) примерно в Й21э раз и применить, соответственно, мало­мощный стабилитрон.

В приведенных здесь расчетах от­сутствует поправка на изменение сете­вого напряжения, а также опущены некоторые другие уточнения, услож­няющие расчеты. Проще испытать соб­ранный стабилизатор в действии, изменяя его входное на­пряжение (или сетевое) на ±10 % и точнее подобрать ре­зистор R1 по наибольшей стабильности выходного напря­жения при максимальном токе нагрузки.