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 E_{0 II} при колебаниях сети ±10% и токе I_{0 II} =0,3 А составляет 18 В, E_{0 III} при токе 0,5 А - 9 В и E_{0 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 L_{S 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

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)