ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ: Расчет выпрямителя и стабилизатора

Цикл статей о расчете источников питания, блоков питания, стабилизаторов, защите от КЗ, перегрузок и их практическое исполнение и применение.

⚠️ Расчет выпрямителя

Поскольку в преобладающем большинстве конструкций блоков питания используется двухполупериодный выпрямитель, диоды которого включены по мостовой схеме (рис. 1), о выборе его элементов здесь и пойдет разговор. Рассчитать выпрямитель - значит правильно выбрать выпрямительные диоды и конденсатор фильтра, а также определить необходимое переменное напряжение, снимаемое для выпрямления с вторичной обмотки сетевого трансформатора. Исходными данными для расчета выпрямителя служат: требуемое напряжение на нагрузке (Uн) и потребляемый ею максимальный ток (Iн).

Расчет выпрямителя

Расчет ведут в таком порядке:

1. Определяем переменное напряжение, которое должно быть на вторичной обмотке сетевого трансформатора:

U2= B*Uн

Uн - постоянное напряжение на нагрузке, В;

В - коэффициент, зависящий от тока нагрузки, который определяют по табл. 1

Табл. 1. Таблица коэффициентов В и С для расчета выпрямителя

2. По току нагрузки определяем максимальный ток, текущий через каждый диод выпрямительного моста:

Iд= 0,5*С*Iн

Iд - ток через диод, А;

Iн - максимальный ток нагрузки, А;

С - коэффициент, зависящий от тока нагрузки (определяют по табл. 1).

3. Рассчитываем обратное напряжение, которое будет приложено к каждому диоду выпрямителя:

Uобр= 1,5*Uн

Uобр - обратное напряжение, В;

Uн - напряжение на нагрузке, В.

4. Выбираем диоды, у которых значения выпрямленного тока и допустимого обратного напряжения равны или превышают расчетные.

5. Определяем емкость конденсатора фильтра:

Сф= 3200 * Iн / Uн * Kп

Сф - емкость конденсатора фильтра, мкФ;

Iн - максимальный ток нагрузки. A;

Uн - напряжение на нагрузке, В;

Kп - коэффициент пульсации выпрямленного напряжения (отношение амплитудного значения переменной составляющей частотой 100 Гц на выходе выпрямителя к среднему значению выпрямленного напряжения).

⚠️ Для различных нагрузок коэффициент пульсаций не должен превышать определенного значения, иначе в динамической головке или громкоговорителе будет прослушиваться фон переменного тока. Для питания портативных приемников и магнитофонов, например, допустим коэффициент пульсации выпрямленного напряжения в пределах 10-3...10-2, усилителей ВЧ и ПЧ - 10-4...10-3, предварительных каскадов усилителей НЧ и микрофонных усилителей - 10-5...10-4. Если выходное напряжение выпрямителя будет дополнительно стабилизироваться транзисторным стабилизатором напряжения, то расчетная емкость конденсатора фильтра может быть уменьшена в 5...10 раз. ⚠️

⚠️ Расчет стабилизатора

Для получения более постоянного напряжения на нагрузке при изменении потребляемого тока к выходу выпрямителя подключают стабилизатор, который может быть выполнен по схеме, приведенной на рис. 1. В таком устройстве работают стабилитрон V5 и регулирующий транзистор V6. Расчет позволит выбрать все элементы стабилизатора, исходя из заданного выходного напряжения Uн и максимального тока нагрузки Iн. Однако оба эти параметра не должны превышать параметры уже рассчитанного выпрямителя. А если это условие нарушается, тогда сначала рассчитывают стабилизатор, а затем - выпрямитель и трансформатор питания. Расчет стабилизатора для p-n-p регулирующего транзистора с общим плюсом ведут в следующем порядке.

1. Определяем необходимое для работы стабилизатора входное напряжение (Uвып) при заданном выходном (Uн):

Uвып= Uн + 3,

Здесь цифра 3, характеризующая минимальное напряжение между коллектором и эмиттером транзистора, взята в расчете на использование как кремниевых, так и германиевых транзисторов. Если стабилизатор будет подключаться к готовому или уже рассчитанному выпрямителю, в дальнейших расчетах необходимо использовать реальное значение выпрямленного напряжения Uвып.

Расчет стабилизатора для p-n-p регулирующего транзистора с общим плюсом

2. Рассчитываем максимально рассеиваемую транзистором мощность:

Рmах= 1,3*(Uвып - Uн)*Iн,

3. Выбираем регулирующий транзистор. Его предельно допустимая рассеиваемая мощность должна быть больше значения Рmax, предельно допустимое напряжение между эмиттером и коллектором – больше Uвып, а максимально допустимый ток коллектора – больше Iн.

4. Определяем максимальный ток базы регулирующего транзистора:

Iб.макс= Iн / h21э min,

h21э min - минимальный коэффициент передачи тока выбранного (по справочнику) транзистора.

5. Подбираем подходящий стабилитрон. Его напряжение стабилизации должно быть равно выходному напряжению стабилизатора, а значение максимального тока стабилизации превышать максимальный ток базы Iб max.

6. Рассчитываем сопротивление резистора R1:

R1 = (Uвып - Uст) / (Iб max + Iст min),

Здесь R1 - сопротивление резистора R1, Ом;

Uст - напряжение стабилизации стабилитрона, В;

Iб.max - вычисленное значение максимального тока базы транзистора, мА;

Iст.min - минимальный ток стабилизации для данного стабилитрона, указанный в справочнике (обычно 3...5 мА).

7. Определяем мощность рассеяния резистора R1:

PR1 = (Uвып - Uст)2 / R1,

Может случиться, что маломощный стабилитрон не подойдет по максимальному току стабилизации и придется выбирать стабилитрон значительно большей мощности - такое случается при больших токах потребления и использовании транзистора с малым коэффициентом h21э. В таком случае целесообразно ввести в стабилизатор дополнительный транзистор V7 малой мощности (рис. 2), который позволит снизить максимальный ток нагрузки для стабилитрона (а значит, и ток стабилизации) примерно в h21э раз и применить, соответственно, маломощный стабилитрон.

Стабилизатор с дополнительным транзистором p-n-p структуры V7 малой мощности

В приведенных здесь расчетах отсутствует поправка на изменение сетевого напряжения, а также опущены некоторые другие уточнения, усложняющие расчеты. Проще испытать собранный стабилизатор в действии, изменяя его входное напряжение (или сетевое) на ± 10 % и точнее подобрать резистор R1 по наибольшей стабильности выходного напряжения при максимальном токе нагрузки.