7 Расчет источника питания

Источник питания (ИП) является важнейшей составной частью любой радиоэлектронной аппаратуры. ИП предназначен для питания устройств электроэнергией постоянного и переменного токов. Тип, параметры  и количество напряжений ИП определяются, как правило, электрической схемой самого радиоэлектронного устройства, а именно, количеством и типами питающих напряжений и суммарным током потребления по каждому напряжению. Расчет производится согласно методике, указанной в [6].

В разрабатываемом микропроцессорном блоке необходимо использование трех питающих напряжений постоянного тока: +5, -5 и +12 вольт, следовательно, источник питания будет состоять из следующих основных узлов: трансформатор, три независимых выпрямителя, фильтра и стабилизатора.

7.1 Расчет требуемой мощности ИП.

Расчёт суммарного тока потребления по каждому из напряжений сведём в таблицу 7.1.

7.2 Выбор схемы источника питания

Выбор схемы источника питания производится с учетом параметров питающей сети, выходной мощности по каждому напряжению, а так же характеру нагрузки (активной и реактивной составляющих) В нашем случае можно воспользоваться общей схемой с применением стабилизаторов в интегральном исполнении, приведенной на рисунке 7.1, которая отличается хорошими надежностными характеристиками.

Рекомендуемое выходное напряжение E0 II при колебаниях сети ±10% и токе I0 II =0,3 А составляет 18 В, E0 III при токе 0,5 А - 9 В и E0 IV при токе 0,1 А – 9 В.

Выпрямленная мощность трансформатора:

(7.1)

Вт

7.3 Расчет источника +12В

Выпрямленное сопротивление кремниевого диодного моста при работе на нагрузку с ёмкостным характером:

(7.2)

где: =1 В – падение напряжения на кремниевом диоде;

        - выпрямленный ток для мостовой схемы.

(7.3)

где: =0,3 А при использовании ИМС КР142ЕН8Б.


Сопротивление обмотки II трансформатора:

(7.4)

где: - коэффициент, зависящий от схемы выпрямителя (для мостовой схемы =4,7);

         s – число стержней трансформатора, несущих обмотки (для Ш-образного сердечника s=1);

         B – магнитная индукция в сердечнике трансформатора (при выпрямляемой мощности  ≤ 50 Вт B=1,3 Тл;

         f – частота питающей сети, f=50 Гц;


Так как трансформатор имеет ещё две обмотки, необходимо определить сопротивление обмотки II с учетом дополнительных обмоток:

(7.5)

где:  - вольт-амперы вторичных обмоток для рассчитываемого выпрямителя (для мостовой схемы =1,5 P0=1,5∙10,8=16,2

          - габаритная мощность трансформатора. Для мостовой

схемы выпрямителя =1,5 P0=1,5∙10,8=16,2 Вт.

                

Активное сопротивление фазы выпрямителя r определяют по формуле:

                

(7.6)

                

Индуктивность рассеяния обмотки трансформатора LS II :

                

(7.7)

где: – коэффициент, зависящий от схемы выпрямителя (для мостовой схемы ;

         p – число чередующихся секций обмоток; когда вторичная обмотка наматывается после первичной p=2.

Необходимо также учесть влияние дополнительных обмоток:

                

(7.8)

                

Основной расчетный коэффициент:

                

(7.9)

где m – число фаз выпрямителя (для мостовой схемы m=2).

                

Находим угол, характеризующий соотношение между индуктивным и активным сопротивлениями фазы выпрямителя:

                

(7.10)

                

По графикам из [6] находим вспомогательные коэффициенты:

=1,06;

=2,02;

=5,5;

=22000.

Определяем э.д.с. вторичной обмотки трансформатора:

                

(7.11)

                

Определяем обратное напряжение на диодах:

              

(7.12)

Определяем действующее значение тока вторичной обмотки:

              


(7.13)

              


Ток через диоды:

              

(7.14)

              


Определяем импульс тока через диод:

              

(7.15)

              


Выбираем диодный мост КЦ405Е со следующими параметрами:

       

Выходная емкость выпрямителя:

              


(7.16)

где:  - коэффициент, рассчитываемый по формуле:

              


(7.17)

где: =1 В; =18 В;

              


              


Принимаем емкость = 1000 мкф.

Рабочее напряжение конденсатора:

              

(7.18)

По справочнику выбираем конденсатор  К50-6-1000 мкф´50В.

Коэффициент трансформации:

              


(7.19)

где: =220 – напряжение первичной обмотки.

              


7.4 Расчет источника +5В

Для стабилизации напряжения +5В используем стабилизатор в интегральном исполнении КР142ЕН5В. При использовании данной ИМС рекомендуемое входное напряжение составляет 9 вольт. Таким образом, получим исходные данные для расчета:

Внутреннее сопротивление кремниевых диодов моста при работе на нагрузку с емкостным характером сопротивления:

(7.20)

где: =1 В – падение напряжения на кремниевом диоде;

        - выпрямленный ток для мостовой схемы.

(7.21)

где: =0,5 А при использовании ИМС КР142ЕН5В.


Сопротивление обмотки III трансформатора:

(7.22)

где: - коэффициент, зависящий от схемы выпрямителя (для мостовой схемы =3,5);

         s – число стержней трансформатора, несущих обмотки (для Ш-образного сердечника s=1);

         B – магнитная индукция в сердечнике трансформатора (при выпрямляемой мощности  ≤ 50 Вт B=1,3 Тл;

         f – частота питающей сети, f=50 Гц;


Необходимо определить сопротивление обмотки III с учетом дополнительных обмоток:

(7.23)

где:  - вольт-амперы вторичных обмоток для рассчитываемого выпрямителя (для мостовой схемы =1,5 P0=1,5∙10,8=16,2

          - габаритная мощность трансформатора. Для мостовой

схемы выпрямителя =1,5 P0=1,5∙10,8=16,2 Вт.

                

Активное сопротивление фазы выпрямителя r определяют по формуле:

                

(7.24)

                

Индуктивность рассеяния обмотки трансформатора LS III :

                

(7.25)

где: – коэффициент, зависящий от схемы выпрямителя (для мостовой схемы ;

         p – число чередующихся секций обмоток; когда вторичная обмотка наматывается после первичной p=2.

Необходимо также учесть влияние других вторичных обмоток:

                

(7.26)

                

Основной расчетный коэффициент:

                

(7.27)

где m – число фаз выпрямителя (для мостовой схемы m=2).

                

Находим угол, характеризующий соотношение между индуктивным и активным сопротивлениями фазы выпрямителя:

                

(7.28)

                

По графикам из [6] находим вспомогательные коэффициенты:

=1,13;

=2,05;

=5,3;

=25500.

Определяем э.д.с. вторичной обмотки трансформатора:

                

(7.29)

                

Определяем обратное напряжение на диодах:

              

(7.30)

Определяем действующее значение тока вторичной обмотки:

              

(7.31)

              


Ток через диоды:

              

(7.32)

              


Определяем импульс тока через диод:

              

(7.33)

              


Выбираем диодный мост КЦ410А со следующими параметрами:

       

Выходная емкость выпрямителя:

              


(7.34)

где:  - коэффициент, рассчитываемый по формуле:

              


(7.35)

где: =0,7 В; =9 В;

              


              


Принимаем емкость = 2000 мкф.

Рабочее напряжение конденсатора:

              

(7.36)

По справочнику выбираем конденсатор  К50-6-2000 мкф´16В.

Коэффициент трансформации:

              


(7.37)

где: =220 – напряжение первичной обмотки.

              


7.5 Расчет источника -5В

Для стабилизации напряжения -5В используем стабилизатор в интегральном исполнении КР142ЕН5В. При использовании данной ИМС рекомендуемое входное напряжение составляет 9 вольт. Таким образом, получим исходные данные для расчета:

Внутреннее сопротивление кремниевых диодов моста при работе на нагрузку с емкостным характером сопротивления:

(7.38)

где: =1 В – падение напряжения на кремниевом диоде;

        - выпрямленный ток для мостовой схемы.

(7.39)

где: =0,1 А при использовании ИМС КР142ЕН5В.


Сопротивление обмотки III трансформатора:

(7.40)

где: - коэффициент, зависящий от схемы выпрямителя (для мостовой схемы =3,5);

         s – число стержней трансформатора, несущих обмотки (для Ш-образного сердечника s=1);

         B – магнитная индукция в сердечнике трансформатора (при выпрямляемой мощности  ≤ 50 Вт B=1,3 Тл;

         f – частота питающей сети, f=50 Гц;


Необходимо определить сопротивление обмотки III с учетом дополнительных обмоток:

(7.41)

где:  - вольт-амперы вторичных обмоток для рассчитываемого выпрямителя (для мостовой схемы =1,5 P0=1,5∙10,8=16,2

          - габаритная мощность трансформатора. Для мостовой

схемы выпрямителя =1,5 P0=1,5∙10,8=16,2 Вт.

                

Активное сопротивление фазы выпрямителя r определяют по формуле:

                

(7.42)

                

Индуктивность рассеяния обмотки трансформатора LS IV :

                

(7.43)

где: – коэффициент, зависящий от схемы выпрямителя (для мостовой схемы ;

         p – число чередующихся секций обмоток; когда вторичная обмотка наматывается после первичной p=2.

Необходимо также учесть влияние других вторичных обмоток:

                

(7.44)

                

Основной расчетный коэффициент:

                

(7.45)

где m – число фаз выпрямителя (для мостовой схемы m=2).

                

Находим угол, характеризующий соотношение между индуктивным и активным сопротивлениями фазы выпрямителя:

                

(7.46)

                

По графикам из [6] находим вспомогательные коэффициенты:

=1,11;

=2,03;

=5,3;

=25000.

Определяем э.д.с. вторичной обмотки трансформатора:

                

(7.47)

                

Определяем обратное напряжение на диодах:

              

(7.48)

Определяем действующее значение тока вторичной обмотки:

              

(7.49)

              


Ток через диоды:

              


(7.50)

              


Определяем импульс тока через диод:

              


(7.51)

              


Выбираем диодный мост КЦ405E со следующими параметрами:

       

Выходная емкость выпрямителя:

              


(7.52)

где:  - коэффициент, рассчитываемый по формуле:

              


(7.53)

где: =0,7 В; =9 В;

              


              


Принимаем емкость = 400 мкф.

Рабочее напряжение конденсатора:

              

(7.54)

По справочнику выбираем конденсатор  К50-6-400 мкф´16В.

Коэффициент трансформации:

              


(7.55)

где: =220 – напряжение первичной обмотки.

              


7.6 Расчет трансформатора

Исходные данные для расчета.

Действующие напряжения обмоток:

Действующие токи в обмотках:

Коэффициенты трансформации:

Частота сети 50 Гц.

Габаритная мощность трансформатора:

              

(7.56)

              


Составляющие тока первичной обмотки, вызванные токами вторичных обмоток, нагруженных на выпрямители:

              

(7.57)

              

(7.58)

              

(7.59)

              


              


              


Ток первичной обмотки равен сумме токов вызванных всеми вторичными обмотками:

              

(7.60)

              


Ток первичной обмотки с учетом потерь в трансформаторе:

              

(7.61)

где:  - к.п.д. трансформатора, =0,85 таблица 17-8 [6];

              


Определим геометрические размеры окна сердечника (рисунок 7.2):

              

(7.62)

где:  - полное сечение стержня, несущего обмотки, ;

         - площадь окна сердечника, приходящегося на обмотки одного стержня, ;

        B - максимальная индукция в сердечнике, Тл;

         - плотность тока в обмотке, ;

         - к.п.д. трансформатора;

        s - число стержней трансформатора, несущих обмотки;

         - коэффициент заполнения сечения стержня сталью;

         - коэффициент заполнения окна медью обмотки;

        В соответствии с рисунком.17-25 [6]

Из таблицы 17-8 [6] при , частоте 50 Гц, марки стали Э350 находим:

       

Подставляя данные значения в формулу (78), получим:

              



Ориентировочное значение ширины стержня:

              

(7.63)

              


По справочнику [6] выберем витой сердечник броневого типа Ш16.

Определим ширину ленты витого сердечника:

              

(7.64)

где b=1,6 см; h=4см – значения выбираются по таблице 17-9  [6]

              


Выбираем C=1,6 см.

Таким образом, габариты сердечника будут:

Ширина

Высота

Толщина

Масса

7.7 Расчет обмоток трансформатора

Определим э.д.с. одного витка обмотки:

              

(7.65)

по таблице 17-8 [6]

              


Ориентировочное значение падения напряжения в обмотках:

              

(7.66)

где:  (по таблице 17-8 [6] );

              


Число витков обмотки I равно:

              

(7.67)

              


Принимаем  витков.

Для обмотки II :

              


Число витков обмотки II равно:

              


Принимаем  витков.

Для обмотки III :

              


Число витков обмотки III равно:

              


Принимаем  витка.

Для обмотки IV :

              


Число витков обмотки IV равно:

Принимаем  виток.

Диаметр проводов обмоток (без изоляции):

              

(7.68)

где:  - плотность тока, зададимся в пределах

Для обмотки I () :

              


Принимаем

Для обмотки II () :

              


Принимаем

Для обмотки III () :

              


Принимаем

Для обмотки IV () :

              


Принимаем

Для уточнения падения напряжения в обмотках, определяют среднюю длину витка обмоток:

              

(7.69)

где:

              


Длина обмоток:

              

(7.70)

              


              


              


              


Точное значение падения напряжения:

              

(7.71)

              


              

 

              

 

              

 

Уточняем число витков в обмотках:

              

(7.72)

              


Принимаем  витков;

              


Принимаем  витков;

              


Принимаем  витков;

              


Принимаем  витков;

Ток намагничивания трансформатора

              

(7.73)

где:  - напряженность магнитного поля, согласно кривой на рисунке 17-26 [6] для трансформаторного железа Э350;

Определим среднюю длину магнитной линии для сердечников броневого типа:

              

(7.74)

              


              


Вес сердечника:

              

(7.75)

где:  - удельный вес стали Э350;

Потери в сердечнике:

              

(7.76)

где: в соответствии с рисунком 17-27 [6];

              


Ток холостого хода:

              

(7.77)

              


Ток первичной обмотки с учетом потерь:

              

(7.78)

              


Потери в меди:

(7.79)

где:

(7.80)