Розрахунок блоків живлення.
До допоміжних, але необхідних пристроїв відносяться вимикач SA1, запобіжник FU1 і індикатор включення - мініатюрна лампа розжарювання HL1, з номінальною напругою, дещо більшою напруги вторинної обмотки трансформатора (лампи, що горять з недокалом, набагато довше служать).
Стабілізатор напруги, якщо він є, включається між виходом випрямляча та навантаженням. Напруга на його виході, як правило, менша за Uвих, і на стабілізаторі витрачається помітна потужність.
Почнемо з розрахунку мережевого трансформатора. Його габарити та маса повністю визначаються тією потужністю, яку повинен віддавати блок живлення: Рвих = Uвих • Iвих. Якщо вторинних обмоток кілька, треба підсумувати всі потужності, споживані за кожною з обмоток. До порахованої потужності слід додати потужність індикаторної лампочки Рінд та потужність втрат на діодах випрямляча
де Unp - Пряме падіння напруги на одному діоді, для кремнієвих діодів воно становить 0,6. 1, залежно від струму. Unp можна визначити за характеристиками діодів, що наводяться у довідниках.
Від мережі трансформатор споживатиме потужність, дещо більшу за розраховану, що пов'язано з втратами в самому трансформаторі. Розрізняють "втрати в міді" - на нагрівання обмоток при проходженні по них струму - це звичайні втрати, спричинені активним опором обмоток, і "втрати в залізі", спричинені роботою з перемагнічування сердечника і вихровими струмами в його пластинах Відношення споживаної з мережі до потужності, що віддається одно ККД трансформатора η. ККД малопотужних трансформаторів невеликий і становить 60. 65 %, зростаючи до 90 % і більше для трансформаторів потужністю кілька сотень ват. Отже,
Тепер можна визначити площу перерізу центрального стрижня осердя(що проходить крізь котушку), користуючись емпіричною формулою:
У позначеннях магнітопроводів вже закладено дані визначення перерізу. Наприклад, Ш25х40 означає ширину центральної частини Ш-подібної пластини 25 мм, а товщину набору пластин 40 мм. Враховуючи нещільне прилягання пластин одна до одної і шар ізоляції на пластинах, переріз такого сердечника можна оцінити в 8. 9 см 2 а потужність намотаного на ньому трансформатора - в 65. 80 Вт.
Площа перерізу центрального стрижня магнітопроводу трансформатора S визначає наступний важливий параметр число витків на вольт. Воно не повинно бути надто малим, інакше зростає магнітна індукція в магнітопроводі, матеріал сердечника заходить у насичення, при цьому різко зростає струм холостого ходу первинної обмотки, а форма його стає не синусоїдальною – виникають великі піки струму на вершинах позитивної та негативної напівхвиль. Різко зростають поле розсіювання та вібрація пластин. Інша крайність - зайва кількість витків на вольт - призводить до перевитрати міді та підвищення активного опору обмоток. Доводиться також зменшувати діаметр дроту, щоб обмотки вмістилися у вікні магнітопроводу. Докладніше ці питання розглянуті в [1].
Число витків на вольт n у фабричних трансформаторів, намотаних на стандартному сердечнику з Ш-подібних пластин, зазвичай розраховують зі співвідношення n = (45. 50)/S, де S береться в см 2 . Визначивши n і помноживши його на номінальну напругу обмотки, одержують її число витків. Для вторинних обмоток напругу слід брати на 10 % більше номінального, щоб врахувати падіння напруги з їхньої активному опорі.
Вся напруга на обмотках трансформатора (UI та UII на рис.) беруться в ефективних значеннях. Амплітудне значення напруги буде в 1,41 рази вище.Якщо вторинна обмотка навантажена на бруківці випрямляч, то напруга на виході випрямляча Uвих на холостому ходу виходить практично рівним амплітудному на вторинній обмотці. Під навантаженням випрямлена напруга зменшується і стає рівною:
Тут rтр - опір трансформатора з боку вторинної обмотки. З достатньою для практики точністю можна покласти rтp = (0,03. 0,07) Uвих/Iвих, причому менші коефіцієнти беруться для потужніших трансформаторів.
Визначивши числа витків, слід знайти струми в обмотках. Струм вторинної обмотки III = Iінд + Pвих/UII. Активний струм первинної обмотки (зумовлений струмом навантаження) ІІА = Ртр/UI. Крім того, в первинній обмотці тече ще й реактивний, що "намагнічує" струм, що створює магнітний потік у сердечнику, практично рівний струму холостого ходу трансформатора. Його величина визначається індуктивністю первинної L обмотки: IIр = UI/2пfL.
На практиці струм холостого ходу визначають експериментально - у правильно спроектованого трансформатора середньої та великої потужності він становить (0,1. 0,3) IIA. Реактивний струм залежить від числа витків на вольт, зменшуючись із збільшенням n. Для малопотужних трансформаторів допускають llp=(0,5.0,7)lIA. Активний та реактивний струми первинної обмотки складаються у квадратурі, тому повний струм первинної обмотки II 2 = IIA 2 + IIР 2 .
Визначивши струми обмоток, слід знайти діаметр дроту, виходячи з допустимої для трансформаторів щільності струму 2. 3 А/мм 2 . Розрахунок полегшує графік, показаний на рис.[2].
На закінчення наведемо спрощений розрахунок випрямляча (рис.). Допустимий прямий середній струм діодів у бруківці повинен бути не менше 0,5Iвих, практично вибирають (для надійності) діоди з великим прямим струмом. Допустиме зворотне напруга має бути менше 0,71UII + 0,5Uвых, але оскільки на холостому ходу Uвых досягає 1,41UII, зворотне напруга діодів доцільно вибирати щонайменше цієї величини, т. е. амплітудного значення напруги на вторинної обмотці. Корисно врахувати ще й можливі коливання напруги мережі.
Амплітуду пульсацій випрямленої напруги у вольтах можна оцінити за спрощеною формулою: Uпульс = 5Iвих/С. Вихідний струм підставляється в амперах, ємність конденсатора С1 - мікрофарадах.
При струмах навантаження, що становлять кілька десятків міліампер і менше, допустимо обмежитися найпростішим пристроєм зі стабілітроном (див. розділ 4 "Нелінійні ланцюги" в "Радіо", 2002 № 12, с. 45, рис. 19).
Як бачимо, тут до найпростішого стабілізатора на елементах R1 VD1 доданий емітерний повторювач, зібраний на транзисторі VT1. Якщо в найпростішому стабілізаторі струм навантаження не може бути більше струму стабілітрона, то він може перевершувати струм стабілітрона в h21Е раз, де h21Е - статичний коефіцієнт передачі струму бази транзистора в схемі із загальним емітером. Для збільшення часто на місці VT1 використовують складовий транзистор. Вихідна напруга стабілізатора на 0,6 В менше напруги стабілізації VD1 (на 1,2 для складеного транзистора).
Розрахунок стабілізованого блокухарчування рекомендується розпочинати саме зі стабілізатора. Виходячи з необхідних напруги та струму навантаження, вибирають транзистор VT1 та стабілітрон VD1. Струм бази транзистора складе:
Він і стане вихідним струмом найпростішого стабілізатора на елементах R1 і VD1. Потім оцініть мінімальну напругу на виході випрямляча Uвих-Uпульс — вона повинна бути на 2. 3 У більше необхідної напруги на навантаженні навіть при мінімально допустимій напрузі мережі. Далі розрахунок ведеться описаним способом. Більш досконалі схеми та розрахунок стабілізаторів дано у [3].
ЛІТЕРАТУРА 1. Поляков В. Зменшення поля розсіювання трансформатора. - Радіо, 1983, № 7, с. 28, 29. 2. Малінін Р. М. Живлення радіоапаратури від електромережі. - М.: Енергія, 1970. 3. Москвин А. Транзисторні стабілізатори напруги із захистом від навантаження. - Радіо, 2003, № 2, с. 26-28. Ст. Поляків, м. Москва. Радіо 05-2003