Меню

Расчеты сетевого блока питания



Блоки питания для домашней лаборатории

Блоки питания для домашней лаборатории В плане всего, что было сказано выше, наиболее разумным и наименее затратным представляется изготовление трансформаторного блока питания. Подходящий готовый трансформатор для питания полупроводниковых конструкций можно подобрать от старых магнитофонов, ламповых телевизоров, трехпрограммных громкоговорителей и другой техники выходящей из употребления. Готовые сетевые трансформаторы продаются на радио рынках и в интернет магазинах. Всегда можно найти подходящий вариант.

Внешне трансформатор представляет собой Ш-образный сердечник из листов специальной трансформаторной стали. На сердечнике находится пластиковый или картонный каркас, на котором расположены обмотки. Пластины, как правило, покрыты лаком, чтобы между ними не было электрического контакта. Таким образом борются с вихревыми токами или токами Фуко. Эти токи просто греют сердечник, это просто потери.

Для этих же целей трансформаторное железо сделано из крупных кристаллов, которые также изолированы друг от друга окисными пленками. На трансформаторном железе очень больших размеров эти кристаллы видны невооруженным глазом. Если такое железо резать кровельными ножницами, то срез напоминает полотно ножовки по металлу, содержит мелкие зубчики.

Трансформатор в блоке питания выполняет сразу две функции. Во- первых, это понижение сетевого напряжения до нужного уровня. Во-вторых, это обеспечение гальванической развязки от питающей сети: первичная и вторичная обмотки между собой не соединены, электрическое сопротивление в идеале бесконечно. Связь первичной и вторичной обмотки осуществляется через переменное магнитное поле сердечника, создаваемое первичной обмоткой.

Упрощенный расчет трансформатора

При покупке или самостоятельной намотке трансформатора следует руководствоваться следующими параметрами, которые выражаются всего четырьмя формулами.

Первую из них можно назвать законом трансформации.

U1/U2 = n1/n2 (1),

Простой пример. Поскольку речь идет именно о сетевом трансформаторе, то напряжение на первичной обмотке будет всегда 220В. Предположим, что первичная обмотка содержит 220 витков, а вторичная 22 витка. Это достаточно большой трансформатор, поэтому витков в расчете на один вольт у него немного.

Если на первичную обмотку подать напряжение 220В, то на вторичной обмотке получится 22В, что полностью соответствует коэффициенту трансформации n1/n2, который в нашем примере равен 10. Предположим, что во вторичную обмотку включена нагрузка, потребляющая ток ровно 1А. Тогда ток первичной обмотки составит 0,1А, поскольку токи находятся в обратном соотношении.

Мощность потребляемая обмотками: для вторичной 22В*1А = 22Вт, а для первичной 220В * 0,1А = 22Вт. Такой расчет показывает, что мощности первичной и вторичной обмоток равны. Если вторичных обмоток несколько, то при расчете их мощности следует сложить, это и будет мощность первичной обмотки.

Из этой же формулы следует, что определить количество витков на один вольт очень просто: достаточно намотать пробную обмотку, например, 10 витков, померить на ней напряжение, полученный результат разделить на 10. Число витков на вольт очень поможет, когда потребуется намотать обмотку на нужное напряжение. Следует заметить, что обмотки надо мотать с некоторым запасом, с учетом «просаживания» напряжения на самих обмотках и на регулирующих элементах стабилизаторов. Если минимальное напряжение требуется 12В, то обмотка может быть рассчитана на 17…18В. Это же правило следует соблюдать и при покупке готового трансформатора.

Общая мощность трансформатора подсчитывается как сумма мощностей всех вторичных обмоток, о чем было написано чуть выше. Исходя из этого подсчета, можно выбрать подходящий сердечник, точнее сказать его площадь. Формула для выбора площади сердечника:.

Здесь S площадь сердечника в квадратных сантиметрах, а P общая мощность нагрузки в ваттах. Для Ш-образного сердечника площадью является сечение центрального стержня, на котором расположены обмотки, а для тороидального поперечное сечение тора. Исходя из рассчитанной площади сердечника, можно выбрать подходящее трансформаторное железо.

Расчетное значение следует округлять до ближайшего большего стандартного значения. Все остальные расчетные величины в процессе расчета также округляются в сторону увеличения. Если, предположим, мощность получилась 37,5 Вт, то округляется до 40Вт.

После того, как стала известна площадь сердечника, можно рассчитать число витков в первичной обмотке. Это третья расчетная формула.

Здесь n1 – число витков первичной обмотки, U1 – 220В – напряжение первичной обмотки, S площадь сердечника в квадратных сантиметрах. Особого внимания заслуживает эмпирический коэффициент 50, который может изменяться в некоторых пределах.

Если требуется, чтобы трансформатор не входил в насыщение, не создавал лишних электромагнитных помех (особенно актуально для звуковоспроизводящей аппаратуры), этот коэффициент можно увеличить до 60. В этом случае количество витков в обмотках увеличится, режим работы трансформатора будет облегчен, сердечник уже не сможет войти в насыщение. Главное, чтобы уместились все обмотки.

После того, как определена мощность трансформатора, подсчитаны витки и токи в обмотках, самое время определить сечение провода обмоток. Предполагается, что обмотки намотаны медным проводом. Этот расчет поможет выполнить формула:

Здесь di мм, Ii А соответственно диаметр провода и ток i-ой обмотки. Полученный по расчету диаметр провода также следует округлить до ближайшего большего стандартного значения.

Вот собственно и весь упрощенный расчет сетевого трансформатора, для практических целей даже очень достаточный. Следует, однако, заметить, что этот расчет справедлив только для сетевых трансформаторов, работающих на частоте 50Гц. Для трансформаторов, выполненных на ферритовых сердечниках и работающих на высокой частоте, расчет производится совсем по другим формулам, кроме разве что коэффициента трансформации по формуле 1.

После того, как трансформатор рассчитан, намотан или просто куплен нужного типоразмера, можно приступить к изготовлению блока питания, без которого не обходится ни одна схема.

Нестабилизированные блоки питания

Самые простые по схемотехнике это нестабилизированные блоки питания. Применяются они достаточно часто в различных конструкциях, что упрощает схему, не оказывая влияния на ее функциональность. Например, мощные усилители звуковой частоты чаще всего питаются от нестабилизированного источника, поскольку заметить на слух что напряжение питания изменилось на 2…3 вольта практически невозможно. Также нет никакой разницы, при каком напряжении сработает реле: лишь бы сработало, и в дальнейшем не сгорело.

Нестабилизированные блоки питания устроены просто, схема показана на рисунке 1.

Схема нестабилизированного источника питания

К вторичной обмотке трансформатора подключен выпрямительный мост на диодах. Хотя схем выпрямителей существует достаточно много, мостовая схема является самой распространенной. На выходе моста получается пульсирующее напряжение с удвоенной частотой сети, что характерно для всех схем двухполупериодных выпрямителей (рисунок 2, кривая 1).

Естественно, что такое пульсирующее напряжение для питания транзисторных схем непригодно: представьте себе, как будет реветь усилитель при таком питании! Чтобы сгладить пульсации до приемлемого значения, на выходе выпрямителя устанавливаются фильтры (рисунок 2, кривая 2). В простейшем случае это может быть просто электролитический конденсатор большой емкости. Сказанное иллюстрируется на рисунке 2.

Расчет емкости этого конденсатора достаточно сложен, поэтому можно рекомендовать проверенные на практике величины: на каждый ампер тока в нагрузке требуется емкость конденсатора 1000…2000 мкФ. Меньшее значение емкости справедливо для случая, когда после выпрямительного моста предполагается использовать стабилизатор напряжения.

По мере увеличения емкости конденсатора пульсации (рисунок 2, кривая 2) будут уменьшаться, но совсем не пропадут. Если пульсации недопустимы, приходится вводить в схему блока питания стабилизаторы напряжения.

Двухполярный источник питания

В случае, когда от источника требуется получить двухполярное напряжение, схему придется несколько изменить. Мост останется все тот же, но вторичная обмотка трансформатора должна иметь среднюю точку. Сглаживающих конденсаторов станет уже два, каждый для своей полярности. Такая схема показана на рисунке 3.

Блоки питания для домашней лаборатории

Соединение вторичных обмоток должно быть последовательно – согласным , — начало обмотки III соединено с концом обмотки II. Точками отмечаются, как правило, начала обмоток. Если трансформатор промышленного изготовления и все выводы пронумерованы, то можно придерживаться такого правила: все нечетные номера выводов это начала обмоток, соответственно четные – концы. То есть при последовательном соединении надо соединять четный вывод одной обмотки с нечетным выводом другой. Естественно, что ни в коем случае нельзя соединять накоротко выводы одной обмотки, например, 1 и 2.

Стабилизированные блоки питания

Но достаточно часто без стабилизаторов напряжения просто не обойтись. Самым простейшим является параметрический стабилизатор, который содержит всего три детали. После стабилитрона устанавливается электролитический конденсатор, назначение которого сглаживание остаточных пульсаций. Его схема показана на рисунке 4.

Схема параметрического стабилизатора

Вообще, этот конденсатор устанавливается даже на выходе интегральных стабилизаторов напряжения типа LM78XX. Это требуется даже техническими условиями (Data Sheet) на микросхемные стабилизаторы.

Параметрический стабилизатор может обеспечить в нагрузке ток до нескольких миллиампер, в данном случае около двадцати. В схемах электронных устройств такой стабилизатор применяется достаточно часто. Коэффициент стабилизации (соотношение изменения входного напряжения в %% к изменению выходного, также в %%) таких стабилизаторов, как правило, не более 2.

Если параметрический стабилизатор дополнить эмиттерным повторителем, всего на одном транзисторе, как показано на рисунке 5, то возможности параметрического стабилизатора станут намного выше. Коэффициент стабилизации подобных схем достигает значения 70.

При указанных на схеме параметрах и токе нагрузки 1А на транзисторе будет рассеиваться достаточная мощность. Такая мощность рассчитывается следующим образом: разность напряжений коллектор – эмиттер умножается на ток нагрузки. В данном случае это и есть ток коллектора. (12В – 5в)*1А = 7Вт. При такой мощности транзистор придется ставить на радиатор.

Мощность, отдаваемая в нагрузку, будет всего 5в*1А = 5Вт. Цифры, показанные на рисунке 5, вполне достаточны, чтобы произвести подобный расчет. Таким образом, КПД источника питания с таким стабилизатором при входном напряжении 12В всего около 40%. Чтобы его несколько повысить можно уменьшить входное напряжение, но не менее, чем до 8 вольт, иначе стабилизатор перестанет работать.

Для того, чтобы собрать стабилизатор напряжения отрицательной полярности достаточно в рассмотренной схеме заменить транзистор проводимости n-p-n на проводимость p-n-p, поменять полярность включения стабилитрона и входного напряжения. Но такие схемы стали уже анахронизмом, в настоящее время не применяются, им на смену пришли интегральные стабилизаторы напряжения.

Казалось, что вполне достаточно рассмотренную схему выполнить в интегральном варианте и все было бы в порядке. Но разработчики не стали повторять малоэффективную схему, уж слишком маленький у нее КПД, да и стабилизация невелика. Для повышения коэффициента стабилизации в современные интегральные стабилизаторы введена отрицательная обратная связь.

Такие стабилизаторы разрабатывались на ОУ общего применения, пока схемотехник и разработчик Р.Видлар не предложил этот ОУ интегрировать внутрь стабилизатора. Первым стабилизатором подобного рода был легендарный UA723, требовавший при установке некоторого числа дополнительных деталей.

Более современным вариантом интегральных стабилизаторов являются стабилизаторы серий LM78XX для напряжения положительной полярности и LM79XX для отрицательной. В этой маркировке 78 это собственно название микросхемы – стабилизатора, буквы LM перед цифрами могут быть и другими, — зависит от конкретного производителя. Вместо букв XX вставляются цифры, указывающие напряжение стабилизации в вольтах: 05, 08, 12, 15 и т.д. Кроме стабилизации напряжения, микросхемы имеют защиту от короткого замыкания в нагрузке и тепловую защиту. Как раз то, что требуется для создания простого и надежного лабораторного блока питания.

Читайте также:  Ремонт блока питания компьютера 2

Отечественная электронная промышленность выпускает такие стабилизаторы под маркой КР142ЕНXX. Но маркировка у нас как всегда зашифрованная, поэтому определить напряжение стабилизации можно только по справочнику или заучивать как стихи в школе. Все упомянутые стабилизаторы имеют фиксированное значение выходного напряжения. Типовая схема включения стабилизаторов серии 78XX показана на рисунке 6.

Типовая схема включения стабилизаторов серии 78XX

Однако, на их основе можно создать и регулируемые источники. В качестве примера можно привести схему, показанную на рисунке 7.

Схема регулируемого блока питания для домашней лаборатории

Недостатком схемы можно считать, что регулирование производится не от нуля, а от 5 вольт, т.е. от напряжения стабилизации микросхемы. Непонятно почему выводы стабилизатора пронумерованы как 17, 8, 2, когда на самом деле их всего лишь три!

А на рисунке 9 показано, как на базе оригинальной буржуйской LM317 собрать регулируемый блок питания, которым можно пользоваться в качестве лабораторного.

Схема блока питания на микросхеме LM317

Если потребуется двухполярный регулируемый источник, то проще всего в одном корпусе собрать два одинаковых стабилизатора, запитав их от разных обмоток трансформатора. При этом вывести на переднюю панель блока отдельными клеммами выход каждого стабилизатора. Коммутировать напряжения можно будет просто проволочными перемычками.

Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте сеть умных гаджетов!

Записывайтесь в онлайн-университет от GeekBrains:

Обучение Интернет вещей и современные встраиваемые системы

Изучить C, механизмы отладки и программирования микроконтроллеров;

Получить опыт работы с реальными проектами, в команде и самостоятельно;

Получить удостоверение и сертификат, подтверждающие полученные знания.

Starter box для первых экспериментов в подарок!

После прохождения курса в вашем портфолио будет: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная сеть устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-регулятор), устройство контроля влажности воздуха, система умного полива растений, устройство контроля протечки воды.

Вы получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный сертификат, которые можно добавить в портфолио и показать работодателю.

Источник

Расчёт блока питания с гасящим конденсатором + онлайн-калькулятор

Представленная и описанная в этой статье схема позволяет изготовить малогабаритный блок питания для низкоточных схем, преобразующий переменное сетевое напряжение в постоянное напряжение заданного уровня.

Принцип действия схемы очень простой — последовательно с выпрямительным мостом (с которого снимается рабочее напряжение на сглаживающий конденсатор и нагрузку) включен конденсатор, на котором гасится избыточное напряжение. Собственно, из-за этого гасящего конденсатора схема и получила своё название. Другое название этого конденсатора — балластный, соответственно, другое название схемы — схема с балластным конденсатором.

Добавлю некоторые пояснения касательно предложенной схемы. Почему в качестве балласта используется именно конденсатор, а не резистор? Потому что резистор, при протекании через него электрического тока, очень сильно нагревается, в то время как конденсатор не греется совсем (за исключением небольшого нагрева, обусловленного омическим сопротивлением обкладок и выводов). Почему же тогда всегда вместо резисторов конденсаторами для гашения «лишнего» напряжения не пользуются? Потому что через конденсатор может протекать только переменный ток, а постоянный — никак.

Так же, как и рассмотренный ранее блок питания с конденсаторным делителем, блок питания с гасящим конденсатором относится к бестрансформаторным и не имеет гальванической развязки с сетью 220В, то есть прикосновение к любой его части запрещено и может вызвать поражение электрическим током. Тем не менее, существует масса вариантов, для которых применение такого блока питания вполне оправдано, например, в малогабаритных корпусированных приборах с микроконтроллерным управлением, когда случайное прикосновение к токоведущим частям исключено, большой ток не нужен, а размер критически важен.

Логическое обоснование расчётов и математический вывод формул, позволяющих связать ток нагрузки с ёмкостью гасящего конденсатора, я убрал под спойлер, чтобы не травмировать психику тех, кто не особо силён в физике и математике, а также чтобы не перегружать лишней информацией тех, кому это просто не интересно.

Итак, процессы в этой схеме будут достаточно нелинейны, поэтому при рассчётах придётся делать различные упрощения и допущения.

Для начала давайте будем считать, что ёмкость конденсатора C2 достаточна для полного сглаживания пульсаций напряжения после моста, то есть напряжение на конденсаторе C2 = const. Далее попробуем нарисовать пару графиков, — напряжение на входе моста (UM) и ток через конденсатор C1 (IC1), опираясь на график сетевого напряжения UС(t). Будем считать, что сетевое напряжение у нас изменяется по синусоидальному закону и имеет амплитуду Uca (вообще-то рисовать мы будем косинусоиду, нам так будет удобнее, но это по сути одно и то же, только косинусоида сдвинута относительно синусоиды на π/2).

Рассуждаем следующим образом: в каждый момент времени полное напряжение и полный ток в этой цепи можно описать следующими уравнениями:

В момент времени t уравнение напряжения примет вид: Uca=UC1+UМ. Поскольку Uca — это максимальное значение сетевого напряжения, то UC1 и UМ также в этот момент должны иметь максимальные значения (здесь в логике есть небольшой провал, максимум суммы — это не всегда сумма максимумов, функции могут быть сдвинуты по фазе, но… в общем, мы потом всё экспериментально проверим).

Максимальное значение UМ равно Uвых, поскольку если бы напряжение на мосту поднималось выше, то и конденсатор C2 заряжался бы до большего напряжения (мост бы открылся и к конденсатору C2 потёк бы зарядный ток, увеличивая напряжение на нём).

Токи через конденсатор и мост в момент t равны нулю. Про мост я выше уже написал (если бы через него тек ток, то конденсатор C2 заряжался бы дальше), а через C1 ток не течёт, поскольку ток через конденсатор — это первая производная от напряжения, которая в точках экстремума обращается в ноль (значит когда напряжение на конденсаторе максимально — ток равен нулю).

Далее сетевое напряжение (UC) начинает уменьшаться. При этом напряжение на C1 не меняется (тока-то через мост нет, заряд на C1 не меняется), следовательно вместе с падением UC уменьшается напряжение на входе моста.

В момент, когда сетевое напряжение упадёт до значения Uca-2Uвых (момент времени t1) — напряжение на входе моста достигнет значения -Uвых (находим с помощью формулы 1), диоды моста откроются и в первичной цепи (через мост и конденсатор C1) потечёт ток. При этом напряжение на входе моста перестанет меняться (помните, мы договорились, что ёмкость C2 достаточно большая для того, чтобы полностью сгладить пульсации).

Обратите внимание, что напряжение на входе моста в этот момент равно -Uм, так что ток потечёт в обратную сторону от того направления, в котором он тёк до момента времени t. Этот ток, поскольку он течёт в обратную сторону, начнёт перезаряжать конденсатор C1.

К моменту времени t3 напряжение в сети достигнет максимума, только с противоположной относительно момента t полярностью. Соответственно, для этого момента экстремума сетевого напряжения будут справедливы все те же рассуждения касательно напряжений и токов, которые мы использовали для момента t. То есть, к этому моменту конденсатор C1 полностью перезарядится (напряжение на нём достигнет максимального значения отрицательной полярности), а ток через C1 и мост упадёт до нуля.

Далее, по мере роста сетевого напряжения, напряжение на конденсаторе C1 будет оставаться неизменным, а напряжение на входе моста будет расти.

В момент времени t4, когда сетевое напряжение вырастет до значения -(Uca-2Uвых), напряжение на входе моста достигнет значения Uвых, диоды моста откроются и в первичной цепи (через мост и конденсатор C1) снова потечёт ток. Этот ток снова будет перезаряжать конденсатор C1, но уже напряжением положительной полярности.

В момент t6 напряжение на конденсаторе C1 достигнет максимального значения положительной полярности, а ток через C1 и мост упадёт до нуля.

Далее весь цикл повторится с самого начала.

Теперь давайте вспомним закон сохранения заряда. В соответствии с этим законом за один полный цикл через конденсатор C1, мост и нагрузку должно протекать одинаковое количество заряда. Поскольку ток нагрузки у нас постоянный, то количество заряда, протекающего через нагрузку за один цикл, можно найти по формуле Q=Iн*tцикла=Iн/fc, где fc — частота питающего сетевого напряжения. Количество заряда, протекающего через конденсатор C1, будет равно площади под графиком тока (заштрихованная площадь графика IC1(t)). Остаётся только найти эту площадь, приравнять её к заряду, протекающему за один цикл через нагрузку, и выразить из полученного выражения необходимую ёмкость конденсатора C1 в зависимости от тока нагрузки.

Подробные математические расчёты можно найти под вторым спойлером.

Итак, для заряда протекающего за один период через конденсатор С1 можно записать:

Косинусы найдём из графика сетевого напряжения, учитывая, что оно у нас на графике изменяется как раз по косинусоидальному закону, а так же учитывая его значения в моменты времени t1 и t3 (об этом мы говорили выше):

Максимальное значение тока через конденсатор C1 можно определить из формулы, связывающей ток, напряжение и реактивное сопротивление конденсатора:

Подставив всё это в выражение для заряда, получаем:

Используя полученное выражение и закон сохранения заряда находим ток через нагрузку:

Если выходное напряжение много меньше сетевого питающего напряжения, то можно считать, что Uca-Uвых≈Uca. Тогда формулу можно переписать в упрощённом виде:

Можно наоборот, выразить ёмкость конденсатора C1 через ток нагрузки:

Упрощённый вариант формулы:

Итак, в результате расчётов мы получили следующие формулы:

Обратите внимание, что в полученных формулах используется амплитудное значение сетевого напряжения, которое в корень из 2 раз больше действующего.

Кроме того, следует обратить внимание, что если ток нагрузки приравнять к нулю, то выходное напряжение схемы станет равно амплитуде сетевого напряжения (так что электролит скорее всего сразу пробьёт).

Ладно, самое главное мы посчитали, но это ещё не всё. Нужно учесть, что ток нагрузки и напряжение сети могут изменяться. Обеспечить работоспособность схемы во всём диапазоне питающих напряжений и рабочих токов — задача для стабилитрона. Рабочий диапазон токов нагрузки находится исходя из следующих соображений:

  • При максимальном токе нагрузки и минимальном напряжении сети через стабилитрон должен протекать ток чуть больше минимального тока стабилизации (иначе выходное напряжение схемы будет меньше заданного)
  • При минимальном токе нагрузки и максимальном питающем напряжении ток через стабилитрон должен быть чуть меньше максимального тока стабилизации (иначе стабилитрон попросту сгорит)

В окончательном, рабочем варианте добавим в схему пару резисторов:

  • резистор с сопротивлением порядка 1 мегаома параллельно конденсатору C1 (через него конденсатор будет разряжаться при выключении схемы из сети)
  • резистор с сопротивлением около сотни Ом, включенный последовательно с конденсатором и мостом (он будет работать как предохранитель и вместо него можно поставить обычный предохранитель)

Рабочий вариант схемы:

Online-калькулятор для расчёта блока питания с балластным конденсатором:

(для правильности расчётов используйте в качестве десятичной точки точку, а не запятую)

1) Исходные данные:

2) Расчётные данные:

Если в результате расчётов минимальный ток стабилитрона получился отрицательным — значит выбранная ёмкость конденсатора недостаточна для указанного тока нагрузки. Нужно либо увеличить ёмкость конденсатора, либо уменьшить максимальный ток нагрузки. Если же вы получили слишком большой максимальный ток стабилитрона, значит ёмкость наоборот слишком большая.

Источник

Расчеты сетевого блока питания

Представленная и описанная в этой статье схема позволяет изготовить малогабаритный блок питания для низкоточных схем, преобразующий переменное сетевое напряжение в постоянное напряжение заданного уровня.

Принцип действия схемы очень простой — последовательно с выпрямительным мостом (с которого снимается рабочее напряжение на сглаживающий конденсатор и нагрузку) включен конденсатор, на котором гасится избыточное напряжение. Собственно, из-за этого гасящего конденсатора схема и получила своё название. Другое название этого конденсатора — балластный, соответственно, другое название схемы — схема с балластным конденсатором.

Добавлю некоторые пояснения касательно предложенной схемы. Почему в качестве балласта используется именно конденсатор, а не резистор? Потому что резистор, при протекании через него электрического тока, очень сильно нагревается, в то время как конденсатор не греется совсем (за исключением небольшого нагрева, обусловленного омическим сопротивлением обкладок и выводов). Почему же тогда всегда вместо резисторов конденсаторами для гашения «лишнего» напряжения не пользуются? Потому что через конденсатор может протекать только переменный ток, а постоянный — никак.

Так же, как и рассмотренный ранее блок питания с конденсаторным делителем, блок питания с гасящим конденсатором относится к бестрансформаторным и не имеет гальванической развязки с сетью 220В, то есть прикосновение к любой его части запрещено и может вызвать поражение электрическим током. Тем не менее, существует масса вариантов, для которых применение такого блока питания вполне оправдано, например, в малогабаритных корпусированных приборах с микроконтроллерным управлением, когда случайное прикосновение к токоведущим частям исключено, большой ток не нужен, а размер критически важен.

Логическое обоснование расчётов и математический вывод формул, позволяющих связать ток нагрузки с ёмкостью гасящего конденсатора, я убрал под спойлер, чтобы не травмировать психику тех, кто не особо силён в физике и математике, а также чтобы не перегружать лишней информацией тех, кому это просто не интересно.

Итак, процессы в этой схеме будут достаточно нелинейны, поэтому при рассчётах придётся делать различные упрощения и допущения.

Для начала давайте будем считать, что ёмкость конденсатора C2 достаточна для полного сглаживания пульсаций напряжения после моста, то есть напряжение на конденсаторе C2 = const. Далее попробуем нарисовать пару графиков, — напряжение на входе моста (UM) и ток через конденсатор C1 (IC1), опираясь на график сетевого напряжения UС(t). Будем считать, что сетевое напряжение у нас изменяется по синусоидальному закону и имеет амплитуду Uca (вообще-то рисовать мы будем косинусоиду, нам так будет удобнее, но это по сути одно и то же, только косинусоида сдвинута относительно синусоиды на π/2).

Рассуждаем следующим образом: в каждый момент времени полное напряжение и полный ток в этой цепи можно описать следующими уравнениями:

В момент времени t уравнение напряжения примет вид: Uca=UC1+UМ. Поскольку Uca — это максимальное значение сетевого напряжения, то UC1 и UМ также в этот момент должны иметь максимальные значения (здесь в логике есть небольшой провал, максимум суммы — это не всегда сумма максимумов, функции могут быть сдвинуты по фазе, но… в общем, мы потом всё экспериментально проверим).

Максимальное значение UМ равно Uвых, поскольку если бы напряжение на мосту поднималось выше, то и конденсатор C2 заряжался бы до большего напряжения (мост бы открылся и к конденсатору C2 потёк бы зарядный ток, увеличивая напряжение на нём).

Токи через конденсатор и мост в момент t равны нулю. Про мост я выше уже написал (если бы через него тек ток, то конденсатор C2 заряжался бы дальше), а через C1 ток не течёт, поскольку ток через конденсатор — это первая производная от напряжения, которая в точках экстремума обращается в ноль (значит когда напряжение на конденсаторе максимально — ток равен нулю).

Далее сетевое напряжение (UC) начинает уменьшаться. При этом напряжение на C1 не меняется (тока-то через мост нет, заряд на C1 не меняется), следовательно вместе с падением UC уменьшается напряжение на входе моста.

В момент, когда сетевое напряжение упадёт до значения Uca-2Uвых (момент времени t1) — напряжение на входе моста достигнет значения -Uвых (находим с помощью формулы 1), диоды моста откроются и в первичной цепи (через мост и конденсатор C1) потечёт ток. При этом напряжение на входе моста перестанет меняться (помните, мы договорились, что ёмкость C2 достаточно большая для того, чтобы полностью сгладить пульсации).

Обратите внимание, что напряжение на входе моста в этот момент равно -Uм, так что ток потечёт в обратную сторону от того направления, в котором он тёк до момента времени t. Этот ток, поскольку он течёт в обратную сторону, начнёт перезаряжать конденсатор C1.

К моменту времени t3 напряжение в сети достигнет максимума, только с противоположной относительно момента t полярностью. Соответственно, для этого момента экстремума сетевого напряжения будут справедливы все те же рассуждения касательно напряжений и токов, которые мы использовали для момента t. То есть, к этому моменту конденсатор C1 полностью перезарядится (напряжение на нём достигнет максимального значения отрицательной полярности), а ток через C1 и мост упадёт до нуля.

Далее, по мере роста сетевого напряжения, напряжение на конденсаторе C1 будет оставаться неизменным, а напряжение на входе моста будет расти.

В момент времени t4, когда сетевое напряжение вырастет до значения -(Uca-2Uвых), напряжение на входе моста достигнет значения Uвых, диоды моста откроются и в первичной цепи (через мост и конденсатор C1) снова потечёт ток. Этот ток снова будет перезаряжать конденсатор C1, но уже напряжением положительной полярности.

В момент t6 напряжение на конденсаторе C1 достигнет максимального значения положительной полярности, а ток через C1 и мост упадёт до нуля.

Далее весь цикл повторится с самого начала.

Теперь давайте вспомним закон сохранения заряда. В соответствии с этим законом за один полный цикл через конденсатор C1, мост и нагрузку должно протекать одинаковое количество заряда. Поскольку ток нагрузки у нас постоянный, то количество заряда, протекающего через нагрузку за один цикл, можно найти по формуле Q=Iн*tцикла=Iн/fc, где fc — частота питающего сетевого напряжения. Количество заряда, протекающего через конденсатор C1, будет равно площади под графиком тока (заштрихованная площадь графика IC1(t)). Остаётся только найти эту площадь, приравнять её к заряду, протекающему за один цикл через нагрузку, и выразить из полученного выражения необходимую ёмкость конденсатора C1 в зависимости от тока нагрузки.

Подробные математические расчёты можно найти под вторым спойлером.

Итак, для заряда протекающего за один период через конденсатор С1 можно записать:

Косинусы найдём из графика сетевого напряжения, учитывая, что оно у нас на графике изменяется как раз по косинусоидальному закону, а так же учитывая его значения в моменты времени t1 и t3 (об этом мы говорили выше):

Максимальное значение тока через конденсатор C1 можно определить из формулы, связывающей ток, напряжение и реактивное сопротивление конденсатора:

Подставив всё это в выражение для заряда, получаем:

Используя полученное выражение и закон сохранения заряда находим ток через нагрузку:

Если выходное напряжение много меньше сетевого питающего напряжения, то можно считать, что Uca-Uвых≈Uca. Тогда формулу можно переписать в упрощённом виде:

Можно наоборот, выразить ёмкость конденсатора C1 через ток нагрузки:

Упрощённый вариант формулы:

Итак, в результате расчётов мы получили следующие формулы:

Обратите внимание, что в полученных формулах используется амплитудное значение сетевого напряжения, которое в корень из 2 раз больше действующего.

Кроме того, следует обратить внимание, что если ток нагрузки приравнять к нулю, то выходное напряжение схемы станет равно амплитуде сетевого напряжения (так что электролит скорее всего сразу пробьёт).

Ладно, самое главное мы посчитали, но это ещё не всё. Нужно учесть, что ток нагрузки и напряжение сети могут изменяться. Обеспечить работоспособность схемы во всём диапазоне питающих напряжений и рабочих токов — задача для стабилитрона. Рабочий диапазон токов нагрузки находится исходя из следующих соображений:

  • При максимальном токе нагрузки и минимальном напряжении сети через стабилитрон должен протекать ток чуть больше минимального тока стабилизации (иначе выходное напряжение схемы будет меньше заданного)
  • При минимальном токе нагрузки и максимальном питающем напряжении ток через стабилитрон должен быть чуть меньше максимального тока стабилизации (иначе стабилитрон попросту сгорит)

В окончательном, рабочем варианте добавим в схему пару резисторов:

  • резистор с сопротивлением порядка 1 мегаома параллельно конденсатору C1 (через него конденсатор будет разряжаться при выключении схемы из сети)
  • резистор с сопротивлением около сотни Ом, включенный последовательно с конденсатором и мостом (он будет работать как предохранитель и вместо него можно поставить обычный предохранитель)

Рабочий вариант схемы:

Online-калькулятор для расчёта блока питания с балластным конденсатором:

(для правильности расчётов используйте в качестве десятичной точки точку, а не запятую)

1) Исходные данные:

2) Расчётные данные:

Если в результате расчётов минимальный ток стабилитрона получился отрицательным — значит выбранная ёмкость конденсатора недостаточна для указанного тока нагрузки. Нужно либо увеличить ёмкость конденсатора, либо уменьшить максимальный ток нагрузки. Если же вы получили слишком большой максимальный ток стабилитрона, значит ёмкость наоборот слишком большая.

Источник

Все о блоках питания. Часть 1

Не секрет, что от правильного выбора блока питания (далее БП), его конструкции и качества сборки зависит работа устройства, на которое он нагружен. Здесь я постараюсь рассказать об основных моментах выбора, расчета, конструирования и применения блоков питания.

1. Выбор блока питания

Первым делом следует четко уяснить, что именно будет подключено к БП. Главным образом нас интересует ток нагрузки. Это будет основным пунктом ТЗ. По этому параметру будет подобрана схема и элементная база. Приведу примеры нагрузок и их средние потребляемые токи

1. Световые эффекты на светодиодах (20-1000мА)

2. Световые эффекты на миниатюрных лампах накаливания (200мА-2А)

3. Световые эффекты на мощных лампах (до 1000А)

4. Миниатюрные полупроводниковые радиоприемники (100-500мА)

5. Портативная аудиотехника (100мА-1А)

6. Автомобильные магнитолы (до 20А)

7. Автомобильные УМЗЧ (по линии 12В до 200А)

8. Стационарные полупроводниковые УМЗЧ (при выходной мощности не выше 1кВт до 40А)

9. Ламповые УМЗЧ (10мА-1А – анод, 200мА-8А – накал)

10. Ламповые КВ трансиверы [выходной каскад в классе С характеризуется наибольшим КПД] (при мощности передатчика до 1кВт, до 5А – анод, до 10А – накал)

11. Полупроводниковые КВ трансиверы, Си-Би (при мощности передатчика до 100Вт, 1 – 5А)

12. Ламповые УКВ радиостанции (при мощности передатчика до 50Вт, до 1А – анод, до 3А — накал)

13. Полупроводниковые УКВ радиостанции (до 5А)

14. Полупроводниковые телевизоры (до 5А)

15. Вычислительная техника, оргтехника, сетевые устройства [концентраторы LAN, точки доступа, модемы, роутеры] (500мА — 30А)

16. Зарядные устройства для АКБ (до 10А)

17. Управляющие блоки бытовой техники (до 1А)

Следует отметить, что во многих устройствах потребляемый ток в процессе работы может значительно колебаться. Это УМЗЧ, трансиверы (особенно в телеграфном режиме), мощные СДУ. Поэтому при выборе БП следует ориентироваться ни на средний потребляемый ток и уж тем более ни на ток в режиме молчания, а на пиковую потребляемую мощность. Для питания аналоговой электроники с потребляемой мощностью до 500Вт, я рекомендую линейные блоки питания. При чем многоканальные (с несколькими выходными напряжениями). Как правило, цепи с большим потребляемым током позволяют обойтись без стабилизации напряжения. Так же следует обратить внимание на развязку напряжений. Это, прежде всего, относится к аудиотехнике и аппаратуре радиосвязи. В ряде случаев может потребоваться даже гальваническая развязка между цепями (например при конструировании ламповых УМЗЧ класса Hi-End гальваническая развязка анодных цепей позволит избежать влияния выходного каскада на усилитель напряжения. В том числе перекроет паразитные ОС по питанию). Как это делается будет рассказано ниже. Для более мощной аналоговой техники, а так же любой цифровой можно рекомендовать импульсные БП, ибо тепловой режим и массогабаритные характеристики линейных БП такой мощности оставляют желать лучшего. Вообще мощные узлы аппаратуры не особенно взыскательны к питанию, за то от качества питания во многом зависит работа помехонеустойчивых слаботочных узлов. Итак, рассмотрим кормушку изнутри.

2. Правила безопасности

Не будем забывать, что БП это самый высоковольтный узел в любом устройстве (за исключением разве что телевизора). При чем опасность представляет не только промышленная электросеть (220В). Напряжение в анодных цепях ламповой аппаратуры может достигать десятков и даже сотен (в рентгеновских установках) киловольт (тысяч вольт). Поэтому все высоковольтные участки (включая общий провод) должны быть изолированы от корпуса. Это хорошо знает тот, кто поставив ногу на системный блок трогал батарею. Электрический ток может быть опасен не только для человека и животных, но и для самого устройства. Имеются ввиду пробои и короткие замыкания. Эти явления не только выводят из строя радиокомпоненты, но и весьма пожароопасны. Мне попадались некоторые изолирующие элементы конструкций, которые в следствии подачи высокого напряжения были пробиты и выгорели до угля при чем выгорели не полностью, а каналом. Уголь проводит ток и создает таким образом короткое замыкание (далее КЗ) на корпус. При чем внешне это не видно. Поэтому между двумя проводами, припаянными к плате, должно быть расстояние из расчета примерно 2мм на вольт. Если речь идет о смертельно опасных напряжениях, то в корпусе должны быть предусмотрены микропереключатели, которые автоматически обесточивают прибор при удалении стенки с опасного участка конструкции. Элементы конструкции, которые в процессе работы сильно нагреваются (радиаторы, мощные полупроводниковые и электровакуумные приборы, резисторы мощностью свыше 2Вт) должны быть вынесены с платы (наилучший вариант) или хотя бы приподняты над ней. Так же не допускается касание корпусов разогревающихся радиоэлементов, за исключением тех случаев, когда второй элемент является датчиком температуры первого. Такие элементы не разрешается заливать эпоксидной смолой и другими компаундами. Более того, должен быть обеспечен приток воздуха к участкам с большой рассеиваемой мощностью, а при необходимости и принудительное охлаждение (вплоть до испарительного). Так. Страху нагнал, теперь о работе.

3. Законы Ома и Кирхгофа были и будут основой разработки любого электронного устройства.

3.1. Закон Ома для участка цепи

Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к участку и обратно пропорциональна сопротивлению участка. На этом принципе основана работа всех ограничительных, гасящих и балластных резисторов.
5-187-1.png

Эта формула хороша тем, что под «U» можно подразумевать как напряжение на нагрузке, так и напряжение на участке цепи, последовательно соединенном с нагрузкой. Например у нас есть лампочка на 12В/20Вт и источник 17В, к которому нам нужно подключить эту лампочку. Нам нужен резистор, который понизит 17В до 12.

Иллюстрация закона Ома
Рис.1

Итак, мы знаем что при последовательном соединении элементов напряжения на них могут отличаться, но ток всегда одинаковый на любом участке цепи. Вычислим ток, потребляемый лампочкой:

5-187-3.png

Значит, через резистор протекает такой же ток. В качестве напряжения берем падение напряжения на гасящем резисторе, ведь это действительно то самое напряжение, которое действует на этом резисторе (5-187-4.png)

5-187-5.png

Из приведенного примера совершенно очевидно, что 5-187-6.png. Причем это относится не только к резисторам, но и, например, к динамикам, если мы вычисляем какое напряжение нужно подвести к динамику с заданной мощностью и сопротивлением, чтобы он развил эту мощность.

3.2. Закон Ома для полной цепи

Прежде, чем мы перейдем к нему, нужно четко уяснить физический смысл внутреннего и выходного сопротивлений. Предположим, у нас есть некоторый источник ЭДС. Так вот, внутреннее (выходное) сопротивление это мнимый резистор, включенный последовательно с ним.

Закон Ома для полной цепи
Рис.2

Естественно, фактически в источниках тока таких резисторов нет, но у генераторов есть сопротивление обмоток, у розеток – сопротивление проводки, у АКБ – сопротивление электролита и электродов и т.д. Это сопротивление при подключении нагрузки ведет себя именно как последовательно включенный резистор.

5-187-8.png
где: ε – ЭДС
I – сила тока
R – сопротивление нагрузки
r – внутреннее сопротивление источника

Из формулы видно, что с возрастанием внутреннего сопротивления уменьшается мощность вследствие просадки во внутреннем сопротивлении. Это видно и из закона Ома для участка цепи.

3.3 Правило Кирхгофа нас будет интересовать только одно: сумма токов, входящих в цепь равна току (сумме токов), выходящему из нее. Т.е. какой бы не была нагрузка и из скольки бы ветвей она не состояла, сила тока в одном из питающих проводов будет равна силе тока во втором проводе. Собственно, этот вывод вполне очевиден, если мы говорим о замкнутой цепи.

С законами протекания тока вроде все ясно. Посмотрим как это выглядит в реальном «железе».

4. Начинка

Все БП во многом схожи по схеме и элементной базе. Это вызвано тем, что по большому счету они выполняют одни и те же функции: изменение напряжения (всегда), выпрямление (чаще всего), стабилизация (часто), защита (часто). Теперь рассмотрим способы реализации этих функций.

4.1. Изменение напряжения чаще всего реализуется при помощи различных трансформаторов. Этот вариант наиболее надежен и безопасен. Существуют так же безтрансформаторные БП. В них для понижения напряжения используется емкостное сопротивление конденсатора, включенного последовательно между источником тока и нагрузкой. Выходное напряжение таких БП полностью зависит от тока нагрузки и ее наличия. Даже при кратковременном отключении нагрузки такие БП выходят из строя. Кроме того, они могут только понижать напряжение. Поэтому я не рекомендую такие БП для питания РЭА. Итак, остановимся на трансформаторах. В линейных БП используются трансформаторы на 50Гц (частота промышленной сети). Трансформатор состоит из сердечника, первичной обмотки и нескольких вторичных обмоток. Переменный ток, поступая на первичную обмотку создает в сердечнике магнитный поток. Этот поток, как магнит, наводит ЭДС во вторичных обмотках. Напряжение на вторичных обмотках определяется количеством витков. Отношение количества витков (напряжения) вторичной обмотки к количеству витков (напряжению) первичной обмотки называется коэффициентом трансформации (η). Если η>1 трансформатор называют повышающим, в противном случае – понижающим. Есть трансформаторы у которых η=1. Такие трансформаторы не меняют напряжение и служат только для гальванической развязки цепей (цепи считаются гальванически развязанными, если у них нет непосредственного общего электрического контакта. Хотя токи, протекающие через них, могут действовать друг на друга. Например «Blue Tooth» или лампочка и поднесенная к ней солнечная батарея или ротор и статор электродвигателя или неоновая лампа, поднесенная к антенне передатчика). Поэтому использовать их в БП нет смысла. Импульсные трансформаторы работают по такому же принципу с той лишь разницей, что на них не подается напряжение непосредственно из розетки. Сначала оно преобразуется в импульсы более высокой частоты (обычно 15-20кГц) и уже эти импульсы подаются на первичную обмотку трансформатора. Частота следования этих импульсов называется частотой преобразования импульсного БП. С возрастанием частоты увеличивается индуктивное сопротивление катушки, поэтому обмотки импульсных трансформаторов содержат меньшее количество витков по сравнению с линейными. Это делает их более компактными и легкими. Однако импульсные БП характеризуются бОльшим уровнем помех, худшим тепловым режимом и схемотехнически более сложны, следовательно менее надежны.

4.2. Выпрямление подразумевает преобразование переменного (импульсного) тока в постоянный. Этот процесс заключается в разложении положительных и отрицательных полуволн на соответствующие полюса. Есть достаточно много схем, позволяющих это сделать. Рассмотрим те, которые наиболее часто используются.

4.2.1. Четвертьмост

Схема однополупериодного выпрямителя
Рис.3

Самая простая схема однополупериодного выпрямителя. Работает следующим образом. Положительная полуволна проходит через диод и заряжает С1. Отрицательная полуволна блокируется диодом и цепь оказывается как бы оборванной. В этом случае нагрузка питается за счет разрядки конденсатора. Очевидно, что для работы на 50Гц емкость С1 должна быть сравнительно велика, чтобы обеспечивать низкий уровень пульсаций. Поэтому схема применяется в основном в импульсных БП ввиду более высокой рабочей частоты.

4.2.2 Полумост (удвоитель Латура-Делона-Гренашера)

Схема полумоста
Рис.4

Принцип работы похож на четвертьмост, только здесь они соединены как бы последовательно. Положительная полуволна проходит через VD1 и заряжает С1. На отрицательной полуволне VD1 закрывается и С1 начинает разряжаться, а отрицательная полуволна проходит через VD2. Таким образом между катодом VD1 и анодом VD2 появляется напряжение, в 2 раза превосходящее напряжение вторичной обмотки трансформатора (рис.4а). Этот принцип можно использовать для построения расщепленного БП. Так называются БП, выдающие 2 одинаковых по модулю, но противоположных по знаку напряжения (рис.4б). Однако не следует забывать, что это 2 соединенных последовательно четвертьмоста и емкости конденсаторов должны быть достаточно велики (из расчета, как минимум, 1000мкФ на 1А потребляемого тока).

4.2.3. Полный мост

Самая распространенная схема выпрямителя имеет наилучшие нагрузочные характеристики при минимальном уровне пульсаций и может применяться как в однополярных (рис.5а), так и в расщепленных БП (рис.5б).

Мостовые выпрямители
Рис.5

На рис.5в,г показана работа мостового выпрямителя.

Как уже говорилось, различные схемы выпрямителей характеризуют разные значения коэффициента пульсаций. Точный расчет выпрямителя содержит громоздкие вычисления и на практике редко бывает необходим, поэтому ограничимся ориентировочным расчетом, который можно выполнить по таблице

Схема

Uобр

Источник