Методика расчета источников электропитания

Расчет ИЭП проводится в два этапа:

1. расчет нестабилизированного ИЭП;

2. Расчет стабилизаторов напряжения.

Расчет нестабилизированного ИЭП включает в себя выбор, либо конструктивный и электрический расчет силового трансформатора с необходимыми эффективными значениями напряжений на вторичных обмотках, а также расчет схем выпрямителя и сглаживающего фильтра. Данный расчет удобно проводить с помощью обобщенной структурной схемы ИЭП (см. рисунок 4.1). Результаты расчета нестабилизированного ИЭП являются исходными данными для расчета стабилизаторов напряжения.

В общем случае исходными данными для расчета ИЭП и его функциональных блоков являются следующие параметры: частота питающей сети f_c; номинальное напряжение на нагрузке U_н; номинальный ток нагрузки I_н; диапазон регулирования D_р (возможные отклонения от номинальных значений параметров U_н и I_н); потребляемая, от сети мощность при номинальной нагрузке Р_с; уровень пульсаций напряжения U_п на нагрузке R_н; коэффициент нестабильности по напряжению К_нu; коэффициент нестабильности по току К_нi; коэффициент стабилизации напряжения К_ст; коэффициент пульсаций К_п; выходное сопротивление r_вых; коэффициент полезного действия h.

4.1 Расчет нестабилизированного источника питания

4.1.1 Расчет выпрямителя работающего на емкостную нагрузку

Исходные данные:

U₀-номинальное выпрямленное напряжение;

I₀ -номинальный ток нагрузки;

К_п-коэффициент пульсаций;

U_c-номинальное напряжение питающей сети; f_с- частота питающей сети.

Примечание. Предлагаемая ниже методика применима при мощностях нагрузки до 100Вт. Коэффициент пульсаций, принимаемый для расчета, не должен превышать К_п £0,15; частота сети f_с=50Гц.

Порядок расчета

1. Выбор электрической схемы выпрямителя.

Электрическая схема выпрямителя зависит от параметров нагрузки и конструкции трансформатора. В частности, при использовании силового трансформатора со средней точкой во вторичных обмотках целесообразно применять симметричную схему выпрямителя (см. Рисунок 4.2 б), а при отсутствии средней точки - мостовую схему (см. Рисунок 4.2 в).

2. Выбор вентилей.

Выпрямительные диоды выбираются по максимально допустимым значениям обратного напряжения на диодах U_обр.max. и прямого (выпрямленного) тока I_пр.max. Эти параметры определяются из соотношений

I _{пр .max}. ³ (3 ¸5) I_н.max;

U _обр.max. ³ (3 ¸5) U_2m,

где I_н.max-максимальный ток нагрузки; U_2m= - амплитуда переменного напряжения на вторичной обмотке трансформатора (на входе выпрямителя); U₂- эффективное значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

2.1 Расчет обратного напряжения на вентилях U_{обр ;}

2.2 Расчет среднего прямого тока I_ср;

2.3 Расчет амплитуды прямого тока через вентиль I_m;

2.4 Уточнение значений параметров U_обр; I_ср ; I_m ;

2.5 Выбор вентилей по параметрам U_обр; I_m; I_ср.

3. Расчет сопротивления нагрузки R_н:

R_н = U₀/ I₀.

Сопротивление обмотки трансформатора r_тр зависит от мощности нагрузки Р_н. Для мощности Р_н<10Вт принимают r_тр =(0,07...0,1) R_н, а для для Рн=10...100 Вт - r_тр =(0,05...0,08) R_н.

4. Расчет прямого сопротивления вентиля r_пр:

r_пр = U_пр/ 3I_ср,

где U_пр-прямое падение напряжения на открытом вентиле (pn-переходе), которое определяется по прямой ветви вольтамперной характеристики (обычно принимают U_пр1 В).

5. Расчет активного сопротивления фазы r_ф схемы выпрямителя

мостовая схема:

r_ф= r_тр +2 r_пр;

остальные схемы:

r_ф= r_тр + r_пр.

6. Расчет коэффициента А (см. таблицу 4.1).

7. Расчет по номограммам коэффициентов B, D, F, H (см. рисунок 4.15, 4.16).

8. Определение параметров U_обр; I_ср ; I_m. по формулам (см. таблицу 4.1). Эти параметры не должны превышать предельно допустимых значений. В противном случае расчет ведут повторно для других вентилей.

9. Определение по формулам (см. таблицу 4.1) эффективных значений напряжения на вторичной обмотке трансформатора в режиме холостого хода U_2xx и тока I₂ в режиме нагрузки.

10. Расчет коэффициента пульсаций К_п по формулам

К_п=U₁/U₀;

К_п=2U_m/U₀,

где U₁,U_m-соответственно амплитуда первой гармоники и максимальное значение выпрямленного напряжения (напряжения пульсаций).

11. Определение емкости С₀ на выходе выпрямителя (входной емкости сглаживающего фильтра)

С₀=Н/К_пr_ф,

где сопротивление r_ф и емкость С₀ измеряются в омах и микрофарадах соответственно, а параметр Н определяется по графику (см рисунок 4.16).

12. Требуемую величину выходной емкости С₀ можно оценить по номограммам (см. рисунок 4.17), задаваясь размахом (двойной амплитудой) напряжения пульсаций DU_п при максимальном токе нагрузки I_н.max . Допустимая величина этого параметра определяется из заданного коэффициента пульсаций К_п и напряжения на нагрузке нестабилизированного источника Е_нест

К_п=(DU_п/Е_нест)^.100 %.

Полученное из графика (см. рисунок 4.17) значение емкости С ₀ сравниваются с расчетным значением и выбирается большее значение емкости С ₀.

Предварительный расчет параметров U_обр; I_ср ; I_m ведут по формулам (см. таблицу 4.1) и по номограммам (см. рисунок 4.15, 4.16).

Таблица 4.1 - Формулы для расчета параметров выпрямителя

Схема выпрямителя	A	Uобр	Icp	Im	U2xx	I2
Однофазная (см. рисунок 4.2, а)	3,2rф/Rн	2,8U2xx » »3U0	I0	FI0 » »7I0	BU0	DI0
Двухфазная (см. рисунок 4.2, б)	1,6rф/Rн	2,8U2xx » »3U0	0,5I0	0,5FI0 » »3,5I0	BU0	0,5DI0
Однофазная мостовая (см. рисунок 4.2, в)	1,6rф/Rн	1,4U2xx » »1,5U0	0,5I0	0,5FI0 » »3,5I0	BU0	DI0/

Рисунок 4.15 - Номограммы для определения коэффициентов B, D, F

Рисунок 4.16 - Номограммы для определения коэффициента H

Рисунок 4.17 - Номограммы для определения выходной емкости С₀