Главная | Обратная связь

РОЗРАХУНОК НАПІВПРОВІДНИКОВОГО БЛОКА ЖИВЛЕННЯ

Завдання до контрольної роботи (курсового завдання) з

методичними вказівками

 

 

Укладачі: А. М. Муха

А. В. Шаповалов

О. О. Карзова

Р. В. Краснов

 

 

 

Дніпропетровськ 2011

ВСТУП

Джерела електричної енергії є складною та невід’ємною частиною будь-якого електротехнічного пристрою. Більшість кіл електропристроїв потребує живлення постійним струмом. Для перетворення змінного струму на постійний служать вторинні джерела електроживлення. Ці джерела досить різні і вибір кожного з них визначається типом електропристрою, його потужністю та умовами експлуатації.

У сучасних електротехнічних пристроях вторинні джерела електроживлення конструктивно виконуються у вигляді блоків живлення (БЖ). У малопотужних пристроях джерела живлення, як правило, суміщаються з апаратурою, що живиться, а декілька блоків живлення об’єднуються в автономну шафу живлення.

Широке застосування напівпровідникової техніки, все більша мікромініатюризація пристроїв та використання інтегральних мікросхем ставлять жорсткі вимоги до джерел живлення. Виконання цих вимог у значній мірі залежить від правильного розрахунку параметрів та вибору елементів БЖ.

У методичних вказівках наведено основні схеми БЖ та розглянута типова методика розрахунку БЖ. Методику розрахунку БЖ викладено з спрощенням у тій мірі, яка дозволяє запобігати зайвої складності розрахунків та зберегти достатню для практики точність. У тих випадках, коли в ході курсового або дипломного проектування потрібен БЖ для живлення та перевірки працездатності розрахованого електротехнічного пристрою, використання спрощення розрахунків є більш переважним. Вказівки містять теоретичні відомості, деякі довідкові дані для розрахунків БЖ, варіанти завдання, а також перелік необхідної літератури.

 

1 КОРОТКІ ВІДОМОСТІ ПРО БЛОКИ ЖИВЛЕННЯ

1.1 Функціональна схема блока живлення

Електроживлення електротехнічних пристроїв здійснюється блоками живлення, що перетворюють змінний струм на постійний з необхідними параметрами.

Блок живлення, функціональна схема якого наведена на рис. 1, містить випрямний пристрій та стабілізатор напруги (струму). Випрямний пристрій (випрямляч) складається з трансформатора, випрямних вентилів і згладжу-вального фільтра.

Трансформатор перетворює напругу мережі змінного струму в необхідний струм на клемах вторинної обмотки. Випрямні вентилі призначені для пропускання струму в одному напрямку. Згладжувальний фільтр зменшує пульсації випрямленої напруги.

Стабілізатор напруги підтримує напругу постійною з визначеним ступенем точності при змінах вхідної напруги та опору навантаження. У нестабілізованих БЖ стабілізатор відсутній. Блоки живлення можуть містити пристрої контролю, комутації та захисту, а також регулятори напруги.

 

Рис. 1. Функціональна схема блока живлення

1.2 Схеми випрямлення

Схеми випрямлення класифікуються за кількістю фазних обмоток у вторинному колі трансформатора (однофазні та багатофазні) та за кількістю імпульсів струму, який протікає крізь вторинну обмотку трансформатора за період струму, що випрямляється (одно- і двотактні або одно- і двопівперіодні).

Властивості будь-якого випрямляча залежать від його схеми, типу згладжувального фільтра та характеру навантаження. Аналіз такого пристрою досить складний, тому розглядають ідеалізований випрямляч, у якого втрати у трансформаторі відсутні (тобто ЕРС вторинної обмотки дорівнює напрузі цієї обмотки), вентилі ідеальні (зворотний струм крізь вентиль ) і навантаження чисто активне.

Якщо навантаження має комплексний характер, тобто містить ємнісну або індуктивну складову опору, то співвідношення між проміжними параметрами випрямляча та вихідними даними ускладнюються. Це пояснюється фазовими зміщеннями між струмом та напругою на окремих ділянках схеми випрямлення. При активному навантаженні фазові зрушення відсутні та розрахунок випрямляча здійснюється за простими формулами.

Перехід до реального випрямляча від ідеалізованого здійснюється шляхом уточнення розрахункових формул при визначенні втрат у ділянках схеми. Така методика розрахунку дозволяє порівняти переваги та недоліки різних схем випрямлення. Основні схеми випрямлення та кількісні співвідношення між параметрами схем наведено в п. 2.2.

Розглянемо параметри, які характеризують роботу кожного з елементів випрямляча, та знання яких необхідно для правильного вибору трансформатора і вентилів.

Вихідними або заданими є параметри навантаження: середні значення випрямленої напруги і струму та необхідний коефіцієнт пульсації . Знаючи ці параметри, а також діючу напругу та частоту мережі , можна визначити такі величини:

а) для трансформатора – діючі значення напруги та струму вторинної обмотки трансформатора; розрахункову (габаритну) потужність трансформатора ;

б) для вентилів – максимальну зворотну напругу на вентилі ; середній , діючий та максимальний струми вентиля.

Розглянемо роботу однофазної однопівперіодної схеми випрямлення та основні співвідношення між її параметрами. Методика встановлення кількісних співвідношень в інших схемах випрямлення практично нічим не відрізняється від тої, що розглядається для найпростішої схеми. Однофазна однопівперіодна схема, що наведена у табл. 1, містить трансформатор, у коло вторинної обмотки якого ввімкнені вентиль (діод) VD та резистор з активним опором навантаження .

При синусоїдальній напрузі на вході трансформатора на затискачах вторинної обмотки напруга також буде синусоїдальною. Для ідеального трансформатора опір вторинної обмотки дорівнює нулю та , а для ідеального вентиля прямий опір , тому в провідний півперіод, коли на аноді вентиля «плюс», а на катоді «мінус», по колу: вторинна обмотка трансформатора – вентиль — опір навантаження, буде протікати струм, миттєве значення якого визначається виразом:

. (1.1)

При зміні знака напруги на затискачах вентиля струм протікати не буде, бо для ідеального вентиля опір . Отже, за період синусоїдальної напруги во вторинній обмотці трансформатора буде спостерігатися лише одна півхвиля струму. У період, коли вентиль буде проводити струм, до навантаження буде прикладена напруга , яка являє собою півхвилю синусоїди напруги вторинної обмотки трансформатора. Форма напруги повторює форму струму .

Таким чином, у процесі роботи до навантаження буде прикладена пульсуюча випрямлена напруга. Магнітоелектричні прилади показують середнє значення напруги , тобто постійну складову випрямленої напруги.

Аналітично напруга визначається інтегруванням півхвилі синусоїди за період . Інакше, напруга визначається висотою прямокутника з основою та площею , що дорівнює площі, яка обмежена кривою півсинусоїди:

 

. (1.2)

 

Аналогічно визначається середнє значення струму в навантаженні:

 

(1.3)

 

З отриманих виразів бачимо, що при заданих значеннях величини напруги та струму можна визначити амплітудні значення напруги та струму вторинної обмотки трансформатора:

 

; . (1.4)

 

Виходить, що максимальні значення напруги і струму вторинної обмотки трансформатора у 3,14 рази більше середніх значень напруги і струму навантаження.

Крізь вентиль протікає струм, як і по вторинній обмотці трансформатора. Отже, максимальний струм вентиля:

 

. (1.5)

 

Максимальна зворотна напруга між анодом та катодом вентиля буде дорівнювати максимальному значенню напруги вторинної обмотки трансформатора:

 

. (1.6)

 

Максимальна зворотна напруга на вентилі (діоді) у 3,14 рази перебільшує випрямлену напругу на навантаженні.

При розрахунку трансформатора (визначенні його розрахункової потужності) необхідно знати діючі значення напруги та струму вторинної обмотки трансформатора. Оскільки у вторинній обмотці трансформатора спостерігається лише одна півхвиля струму, то діюче значення струму у вторинній обмотці, а отже, і у вентилі визначиться виразом:

 

. (1.7)

 

Знаючи, що , можна записати:

 

, (1.8)

або

.

Це означає, що діюче значення струму вторинної обмотки у 1,57 рази перевищує випрямлений струм. Миттєва напруга на затискачах вторинної обмотки трансформатора – синусоїдальна, а не пульсуюча і спостерігається в інтервалі від 0 до , тому діюче значення напруги вторинної обмотки трансформатора визначиться виразом:

 

. (1.9)

 

Оскільки , то або тобто діюче значення напруги вторинної обмотки трансформатора у 2,22 рази більше випрямленої напруги на навантаженні.

Середня потужність, що визначає розміри всього трансформатора, обчислюється за формулою:

 

, (1.10)

 

де і – потужності первинної і вторинної обмоток трансформатора відповідно.

Розрахункова потужність первинної обмотки:

 

, (1.11)

 

де – коефіцієнт трансформації.

Діюче значення струму первинної обмотки визначається за виразом:

. (1.12)

Підставимо значення та у вираз для потужності і отримаємо:

 

. (1.13)

 

З урахуванням збільшення струму первинної обмотки за рахунок струму, що намагнічує, її розрахункова потужність:

 

.

 

Розрахункова потужність вторинної обмотки:

.

 

Розрахункова потужність трансформатора:

 

, (1.14)

 

тобто розрахункова (габаритна) потужність трансформатора приблизно у 3,5 рази більше, ніж потужність навантаження.

Для оцінки ступеня пульсації напруги вводиться поняття коефіцієнта пульсації , під яким розуміють відношення амплітуди першої гармоніки змінної складової випрямленої напруги до середнього значення випрямленої напруги , тобто

. (1.15)

 

Можна вважати для однофазної однопівперіодної схеми, що

 

,

тоді

. (1.16)

 

Для схем випрямлення, в яких кількість пульсацій випрямленої напруги за період , тобто для усіх схем, крім однофазної однопівперіодної, коефіцієнт пульсації визначається за формулою:

 

. (1.17)

 

Отримання кількісних співвідношень для інших схем випрямлення, аналогічно методиці, що була розглянута для однофазної однопівперіодної схеми.

 

1.3 Згладжувальнi фiльтри

Внаслідок випрямлення змінного струму на навантаженні виділяється окрім постійної змінна складова, що призводить до пульсацій напруги. Живлення такою напругою електротехнічних пристроїв практично неможливе.

Для виключення або часткового зменшення впливу пульсацій напруги на якість роботи електронної апаратури застосовують згладжувальнi фільтри. Основною вимогою, що ставиться до згладжувальних фільтрів, є максимально можливе зменшення змінної складової при мінімальному зменшенні постійної складової випрямленої напруги.

Для порівняльної оцінки фільтрів за якістю згладжування ввели поняття коефіцієнта згладжування пульсацій:

 

(1.18)

де і – коефіцієнти пульсації до та після фільтра відповідно.

При проектуванні випрямлячів коефіцієнт пульсації на виході фільтра , як правило, буває заданий залежно від типу навантаження. Коефіцієнт пульсації визначається видом схеми випрямлення. Основні схеми згладжувальних фільтрів показано на рис. 2.

Для отримання коефіцієнта згладжування , як правило, застосовують одноланкові фільтри. При необхідності одержання з економічних міркувань застосовують дволанкові, рідше триланкові фільтри, а ланки таких фільтрів однакові.

При виборі того чи іншого типу фільтра для випрямлячів потужністю до одного кіловата виходять з величини опору навантаження:

 

- індуктивні L-фільтри, Ом;

- Г-подібні фільтри, Ом;

- П-подібні фільтри, Ом;

- ємнісні С-фільтри, більш Ом.

 

Залежно від того, який елемент фільтра вмикається першим після вентиля (ємність чи дросель), розрізняють ємнісну або індуктивну реакцію фільтра на випрямляч.

Якщо випрямляч з індуктивною реакцією навантаження можна практично розраховувати за формулами, дійсними для розрахунку випрямлячів з активним навантаженням, то при ємнісній реакції потрібно вести розрахунок за спеціальними співвідношеннями.

Рис. 2. Основні схеми згладжувальних фільтрів:

а – індуктивний; б – ємнісний; в – одноланковий Г-подібний LC-фільтр;
г – одноланковий П-подібний LC-фільтр; д – одноланковий Г-подібний RC-фільтр;
е – дволанковий Г-подібний LC-фільтр

1.4 Стабiлiзатори напруги

Робота більшості електротехнічних пристроїв потребує постійної напруги живлення з визначеним ступенем точності. Основними причинами нестабільності напруги є коливання вхідної напруги та зміна навантаження. Напруга мережі може змінюватися не тільки повільно, але й швидко (стрибком), тому пристрій, що підтримує величину живлячої напруги у заданих межах, повинен діяти безперервно та автоматично. У вигляді такого пристрою застосовуються стабілізатори напруги.

Стабілізатори розподіляються за типом напруги на стабілізатори змінної напруги та стабілізатори постійної напруги. Найбільше застосування отримали стабілізатори постійної напруги, які за принципом дії розподіляються на параметричні і компенсаційні. При параметричному методі стабілізації дестабілізуючий фактор безпосередньо впливає на параметр нелінійного елемента стабілізатора. Компенсаційний метод стабілізації передбачає порівняння величини, що стабілізується, з еталонною, і різниця сигналів впливає на нелінійний елемент стабілізатора, тобто компенсаційні стабілізатори являють собою замкнену систему автоматичного регулювання.

Основними параметрами стабілізатора напруги є:

- коефіцієнт стабілізації за напругою:

 

; (1.19)

 

- вихідний (внутрішній) опір:

 

, (1.20)

 

де та – вхідна та вихідна напруги стабілізатора;

та – зміна вхідної та вихідної напруг;

– зміна вихідного струму (струму навантаження);

- коефіцієнт передачі напруги:

 

. (1.21)

 

Як джерело опорної напруги, на якому створюється еталонна напруга , застосовується стабілітрон. Принцип дії компенсаційного транзисторного стабілізатора напруги постійного струму розглянуто на прикладі схеми, котра наведена на рис. 3.

Нехай за якоїсь причини напруга на виході зросла на величину . Водночас збільшиться спад напруги на нижньому плечі подільника ( ). Різниця напруг, що знімаються зі стабілітрона VD та нижнього плеча подільника прикладається до бази посилювального транзистора VТп. Від’ємний потенціал на базі VТп збільшується, що приводить до збільшення колекторного струму та падiнню напруги на резисторі .

Відбудеться відповідне зменшення від’ємного потенціалу бази регулюючого транзистора VТр, що означає зменшення різниці потенціалів між емітером та базою. Наслідком цього буде збільшення опору колекторного переходу транзистора VТр та збільшення падiння напруги на ньому . Збільшення зкомпенсує приріст вихідної напруги , бо

 

. (1.22)

Рис. 3. Схема найпростішого компенсаційного транзисторного стабілізатора напруги

Як регулюючий елемент застосовується складний транзистор, який збільшує вхідний опір регулюючого транзистора VТр. Для узгодження потужного транзистора VТр з малопотужним посилювальним (керуючим) транзистором VТп застосовують транзистор, що носить назву узгоджуючого транзистора.

У схему можуть вмикатися декілька каскадів узгоджуючих транзисторів для значного зниження дестабілізуючої дії струму бази регулюючого транзистора VТр та виконання умови:

 

. (1.23)

 

Конденсатор збільшує швидкодію передачі зміни вихідної напруги на базу транзистора VТп, він шунтує резистор за змінною складовою струму і тим самим збільшує згладжування випрямленої напруги, тобто конденсатор збільшує швидкодію схеми. Конденсатор виступає як згладжувальний фільтр, крім того він запобігає можливому самозбудженню схеми.

Транзисторні стабілізатори застосовуються, як правило, в тих випадках, коли потрібно отримати стабілізовану напругу в декілька десятків та сотень вольт при струмі навантаження від декількох міліампер до десятків ампер.

 

 

2 Методика розрахунку блока живлення

2.1 Загальні відомості

Функціональна схема блока живлення зображена на рис. 1. Розрахунок блока живлення здійснюється в такій послідовності:

1) вибір схеми випрямлення;

2) розрахунок параметрів та вибір вентилiв;

3) вибір та розрахунок згладжувального фiльтра;

4) розрахунок та вибір силового трансформатора;

5) вибір і розрахунок стабілізатора напруги.

Звичайно завдання на розрахунок блоку живлення дається в такому виді: розрахувати джерело живлення на струм та напругу з деякою нестабільністю напруги на навантаженні та на вході ; при цьому вказуються тип та особливість навантаження, а також коефіцієнт пульсації на навантаженні.

Основним при проектуванні БЖ є вибір схем випрямляча та стабілізатора з подальшим розрахунком їх параметрів та вибором елементів.

 

2.2 Розрахунок напівпровідникового випрямляча

2.2.1 Вихідні дані для розрахунку

Розрахувати випрямляч – це означає вибрати необхідну схему випрямлення, визначити тип та кількість вентилiв, вибрати схему згладжувального фільтра та визначити параметри його елементів, визначити параметри силового трансформатора. Звичайно, задача розрахунку випрямляча допускає декілька рішень, бо кількість величин, що треба визначити, більша за кількість рівнянь, які можна скласти при заданих умовах. Тому основна задача при розрахунку зводиться до технічного обґрунтування і вибору рішень, що найбільш відповідають вимогам.

Основними вихідними даними для розрахунку є:

– випрямлена напруга, величина якої повинна відповідати максимальному значенню вхідної напруги стабілізатора ;

– випрямлений струм, величина якого повинна відповідати струму регулюючого транзистора ;

– коефіцієнт пульсації на виході випрямляча;

– напруга мережі живлення;

– частота мережі (або ).

Розглянемо методику розрахунку випрямляча.

2.2.2 Вибір схеми випрямлення

Вибір схеми випрямлення виконується з завдання на розрахунок та аналізу характеристик різних схем випрямлення.

Однофазна однопівперіодна схема (рис. 4) застосовується в основному при роботі на ємнісне навантаження. Схема досить проста, дозволяє працювати без трансформатора, має мінімальну кількість елементів, але дає велику змінну складову випрямленої напруги, котра важко згладжується, має високу зворотну напругу на вентилі, неефективно використовується трансформатор.

	,
Рис. 4 Однофазна однопівперіодна схема випрямлення та її часові діаграми

Однофазна двопівперіодна схема з середньою точкою(рис 5) застосовується, як правило, при ємнісному та індуктивному навантаженні. Як і однофазна однопiвперiодна, схема використовується при малих потужностях (до 1 кВт). Переваги схеми: підвищена частота пульсації, мінімальна кількість вентилів, можливість використання вентилів з загальним катодом або анодом. Недоліки: ускладнення конструкції трансформатора, гірше його використання у порівнянні з мостовою схемою, висока зворотна напруга.

	,
Рис. 5 Однофазна двопівперіодна схема випрямлення з середньою точкою та її часові діаграми

Однофазна мостова схема (рис. 6) найбільш застосовується у тих випадках, коли випрямляч повинен віддавати великі струми при малих напругах. Вона має найкращі техніко-економічнi данi. Схема використовується в основному при малих вихідних потужностях. Переваги схеми: підвищена частота пульсацій, низька величина зворотної напруги, ефективне використання трансформатора. До недоліків схеми можна віднести: необхідність чотирьох вентилiв, підвищений спад напруги у вентильній групі, ускладнення схеми.

Для отримання середніх потужностей (декілька кіловат) застосовують трифазні схеми. Трифазні схеми досить розповсюджені у випрямлячах для отримання порівняно невисоких напруг при великих струмах (зарядка акумуляторів, силове навантаження та ін.).

Трифазна нульова схема (рис. 7) забезпечує достатньо високу частоту пульсацій. Недоліками схеми є: неефективне використання трансформатора, підмагнічування осердя трансформатора постійним струмом.

Трифазна мостова або схема Ларіонова(рис. 8) використовується в потужних випрямлячах при випрямленні високих напруг, що утворюють велику зворотну напругу. У схемі найкраще використання трансформатора та найвища частота пульсацій. При середніх та великих потужностях схема найкраще працює при індуктивному навантаженні. Недоліки схеми: велика кількість вентилiв, підвищене падiння напруги у вентильній групі.

Рис. 6 Однофазна мостова схема випрямлення та її часові діаграми

,

 

	,     ,
Рис. 7 Трифазна схема випрямлення з нульовою точкою та її часові діаграми
	,     ,
Рис. 8. Трифазна мостова схема випрямлення та її часові діаграми

2.2.3 Розрахунок та вибір вентилів

Вибір типу вентиля виконується виходячи з режиму роботи, що визначається схемою випрямлення і характером навантаження. У малопотужних випрямлячах застосовуються германієві та кремнієві напівпровідникові вентилі. При великих струмах навантаження діоди-вентилі часто з’єднують паралельно.

Основні параметри, за якими розраховуються і вибираються діоди вентильної групи, такі:

- – зворотна напруга;

- – середнє значення струму вентиля.

Зворотна напруга визначається за формулою:

 

де ;

– коефіцієнт, що залежить від схеми випрямляча та характеру навантаження, визначається з табл. 1.

 

,

де – кількість фаз.

Таблиця 1

Співвідношення основних параметрів і схем при різних видах навантаження

Вид схеми
При активному характері навантаження
Однофазна однопівперіодна		1,57	3,14	1,11	1,57
Однофазна двопівперіодна		0,67	1,57	1,05	1,11
Трифазна з нульовою точкою		0,25	2,09	0,855	0,587
Трифазна мостова		0,057	1,57	0,82	0,82

 

За обчисленими значеннями та обирається з додатка А (табл. А1) необхідний тип випрямного діода.

2.2.4 Розрахунок та вибір згладжувального фільтра

Застосування того чи іншого фільтра залежить від багатьох факторів: від типу вентилiв, схеми випрямлення, потужності випрямляча, опору та типу навантаження, від потрібного коефіцієнта згладжування. При великих опорах навантаження найефективніші ємнісні фільтри, а фільтри з індуктивною реакцією ефективні при малих опорах навантаження.

Розрахунок згладжувального фільтра – це визначення параметрів і вибір його елементів.

1. Визначаємо опір навантаження:

. (2.1)

2. Обчислюємо коефіцієнт згладжування фільтра:

. (2.2)

Величина коефіцієнта пульсації визначається обраною схемою випрямлення, а коефіцієнт пульсацій – вихідними даними.

3. За визначеним значенням опору та коефіцієнта згладжування обирається тип та кількість ланок згладжувального фільтра.

Кількість ланок можна визначити за формулою:

 

, (2.3)

 

де – коефіцієнт згладжування одної ланки;

– кількість ланок.

4. Розрахуємо елементи, що входять у згладжувальний фільтр.

Індуктивність дроселя індуктивного фільтра може бути визначена при за формулою:

 

. (2.4)

 

При розрахунку Г-подібного фільтра спочатку визначається добуток за формулою:

 

. (2.5)

 

Для забезпечення індуктивної реакції необхідно виконання нерівності:

 

. (2.6)

 

Знаючи добуток та величину , знаходимо значення ємності :

. (2.7)

 

За обчисленими значеннями індуктивності та ємності фільтра обираємо стандартний конденсатор та дросель з додатка А (табл. А3, А4).

Величина ємності ємнісного фільтра наближено може бути знайденаза формулою:

. (2.8)

 

Робоча напруга конденсатора обирається з співвідношення . За значеннями та обирається стандартний конденсатор.

П-подібний фільтр розраховується як послідовно з'єднані ємнісний і Г-подібний фільтри окремо.

2.3 Розрахунок силового трансформатора

Існує велика кількість методів розрахунку трансформаторів. Без порушення суворості проектування та з урахуванням ряду припущень можна обмежитися наближеними методами, які дозволяють значно спростити та скоротити час розрахунку трансформатора. Розглянемо типовий розрахунок трансформатора малої потужності.

Для розрахунку трансформатора необхідно знати:

- напругу та частоту мережі живлення ;

- діючі напруги вторинних обмоток ;

- діючі струми вторинних обмоток .

У результаті розрахунку повинні бути визначені:

- геометричні розміри магнітопроводу;

- дані обмоток (кількість витків, марки і діаметри проводів).

При більш повному розрахунку трансформатора можуть бути визначені його параметри (струм холостого ходу, напруга короткого замикання, втрати та коефіцієнт корисної дії.

Порядок розрахунку силового трансформатора.

1. Визначаємо діючі значення напруг усіх вторинних обмоток:

 

, (2.9)

 

де – номер обмотки трансформатора ( );

– коефіцієнт, що визначається видом схеми випрямлення (табл. 1);

– додаткова напруга, що враховує втрати в обмотках, на вентилі і фільтрі (зазвичай ).

Для випадку ємнісного навантаження напруги вторинних обмоток можуть бути визначені з співвідношення:

 

. (2.10)

 

2. Визначаємо діючі значення струмів вторинних обмоток:

 

, (2.11)

 

де – коефіцієнт, що залежить від схеми випрямлення (табл. 1).

Для випадку ємнісного навантаження струм розраховується як:

. (2.12)

 

3. Знаходимо потужність, що трансформатор віддає:

 

. (2.13)

 

4. Знаходимо потужність, що трансформатор споживає з мережі:

 

, (2.14)

 

де – ККД трансформатора.

Значення ККД трансформатора наведено у табл. 2.

5. Визначаємо струм у первинній обмотці:

 

. (2.15)

 

6. Знаходимо середню потужність трансформатора:

 

. (2.16)

 

7. Знаходимо габаритну потужність для заданої схеми .

8. Обираємо густину струму з табл. 2.

9. Визначаємо активну площу перерізу магнітопроводу за формулою:

 

. (2.17)

 

 

Таблиця 3

Орієнтовні значення деяких величин для розрахунку трансформатора

Потужність трансформатора, ВА	ККД	Густина струму, А/мм2	Індукція, Тл
До 10 Від 10 до 30 Від 30 до 50 Від 50 до 100 Понад 100	0,60…0,70 0,70…0,80 0,80...0,85 0,85…0,90 0,90	3,5…4,0 3,5…4,0 3,0…3,5 2,5…3,0 2,5…3,0	0,6…0,7 0,7…0,8 0,8…0,9 0,9…1,0 1,0…1,2

 

9. За площею перерізу осердя з додатка А (табл. А5) обираємо тип магнітопроводу. Виписуємо геометричні розміри обраного магнітопроводу, користуючись позначеннями рис. 4, 5.

10. Визначаємо діаметр проводу обмоток. Розрахунок ведемо за допустимою густиною струму, яка залежить від потужності трансформатора та допустимої температури перегріву. Помітно, що зі збільшенням потужності трансформатора його теплова віддача зменшується.

Діаметр проводу для і-ї обмотки (без ізоляції) розраховують за формулою:

, (2.18)

 

де – струм в і-й обмотці, А;

– густина струму, А/мм².

Діаметри проводів обмоток з ізоляцією і стандартні перерізи проводів знаходимо за додатком А (табл. А6).

11. Визначаємо число витків кожної обмотки трансформатора за формулою:

 

, (2.19)

де – кількість витків на 1В напруги;

– діюче значення напруги в обмотці.

12. Виконуємо перевірку можливості розміщення усіх обмоток у вікні осердя. Кількість витків в шарі обмотки підраховується за формулою:

 

, (2.20)

 

де – висота вікна, мм;

– товщина матеріалу каркаса, мм (зазвичай мм);

– діаметр проводу і-ї обмотки з ізоляцією, мм;

– коефіцієнт нещільності, що залежить від діаметра проводу обмотки, що визначається за табл. 3.

Кількість шарів для кожної обмотки складає:

 

. (2.21)

 

Товщина кожної обмотки визначається за формулою:

 

, (2.22)

 

де – товщина ізоляції між шарами (зазвичай мм);

– товщина прокладки між обмотками ( мм).

Загальна висота всіх обмоток складе величину:

 

. (2.23)

 

Перевіряємо виконання умови , тобто щоб загальна висота всіх обмоток не перевищувала ширини вікна осердя.

 

Рис. 4. Магнітопровід однофазного броньового трансформатора

Рис. 5. Магнітопровід трифазного трансформатора

Таблиця 3

Значення коефіцієнта нещільності

Діаметр проводу без ізоляції d, мм	Коефіцієнт нещільності
0,08…0,11 0,15…0,25 0,35…0,41 0,51…0,93 Більш 1,0	1,3 1,25 1,2 1,1 1,05

 

Якщо ця умова не виконується, то слід взяти більший розмір стандартних пластин, з яких набирається осердя, та зробити розрахунок трансформатора з початку.

2.4 Розрахунок транзисторного стабiлiзатора напруги

Для розрахунку транзисторного стабілізатора необхідні такі дані:

- – номінальна напруга на виході стабілізатора ( );

- – номінальний струм навантаження ( );

- ; – допустимі відхилення напруги на вході стабілізатора від номінального значення у бік збільшення та в бік зменшення відповідно;

- ; – допустимі відхилення вихідної напруги від номінальної у більший та менший бік відповідно.

Порядок розрахунку стабілізатора (рис. 3):

а) вибір стабілітрона;

б) вибір та розрахунок регулюючого транзистора VT1 (VTр);

в) вибір та розрахунок керуючого транзистора;

г) обчислення параметрів та вибір допоміжних елементів;

д) визначення основних параметрів стабілізатора.

2.4.1 Вибір стабілітрона

1. Визнаємо величину еталонної (опорної) напруги на стабілітроні

 

. (2.24)

 

2. Обираємо тип стабілітрона. Як джерело опорної напруги в транзисторних стабілізаторах використовують одно- або двокаскадні параметричні стабілізатори на кремнієвих стабілітронах. За додатком А (табл. А7) обираємо стабілітрон, у якого номінальна напруга стабілізації . В подальших розрахунках використовуємо обране значення .

3. Обчислюємо величину опору обмежувального резистора з умови, щоб струм крізь стабілітрон складав мА, як

4.

. (2.25)

 

Зі стандартного ряду додатка А (табл. А2) обираємо стандартне значення опору .

2.4.2 Вибір регулюючого транзистора

1. Визначаємо величину мінімальної напруги на вході стабілізатора:

 

, (2.26)

 

де – мінімально допустима напруга між емітером і колектором на вході регулюючого транзистора, при якому робота ще відбувається на лінійній ділянці вихідної характеристики при .

Як правило, не перевищує 3 В. Тому можна прийняти В. У випадку необхідності регулювання напруги на виході величина напруги визначається верхньою межею регулювання вихідної напруги, що задається.

2. Знаходимо номінальну і максимальну напруги на вході стабілізатора з урахуванням допустимих відхилень вхідної напруги (у відсотках):

 

;

. (2.27)

 

3. Визначаємо максимальний спад напруги на ділянці емітер-колектор

регулюючого транзистора VT1:

 

. (2.28)

 

4. Визначаємо максимальну потужність, що розсіюється на колекторі

регулюючого транзистора:

 

, (2.29)

 

де – максимальний струм навантаження, зазвичай при незмінній величині струму навантаження приймають .

5. Обираємо тип регулюючого транзистора VT1. При виборі необхідно виконувати умови:

 

;

; (2.30)

.

 

З додатка А (табл. А8) обираємо транзистор, параметри якого задовольняли б вказану умову.

2.4.3 Вибір керуючого транзистора

1. При виборi керуючого транзистора, необхідно відмітити, що разом з регулюючим він утворює складний транзистор. Загальний коефіцієнт посилення за струмами буде складати:

,

 

де та – коефіцієнти посилення за струмом транзисторів VТ1 та VТ2.

2. Визначаємо потужність, що розсіюється на колекторі транзистораVТ2:

 

.

 

Можна прийняти, що напруга . Струм колектора транзистора VТ2 знаходиться за співвідношенням:

 

,

 

де – струм емітера транзистора VТ2;

– струм бази транзистора VТ1.

3. Обираємо узгоджуючий транзистор VT2 за додат. А (табл. А9), щоб не порушувалася нерівність:

 

.

 

2.4.4 Розрахунок параметрів та вибір допоміжних елементів

1. Визначаємо опір вихідного подільника:

 

, (2.37)

де – струм подільника.

Струм подільника обирають на один, частіш на два порядки вище за струм бази керуючого транзистора, що визначається за формулою:

,

де – коефіцієнт підсилення за струмом транзистора VТ3.

2. Знаходимо значення опорів резисторів, що складають подільник. Якщо враховувати, що вихідна напруга може відхилятися (регулюватися) на величину і напруга стабілізації стабілітрона може змінюватися у межах від до , визначимо опір нижнього плеча подiльника для крайніх значень та :

; (2.38)

;

.

 

Значення опорів та визначаємо за формулами:

 

; (2.39)

.

 

Значення опорів обираємо з табл. А2 додат. А.

3. Визначаємо величини ємності конденсаторів і . Величини ємностей конденсаторів і вибираються: звичайно конденсатор вибирається порядку одиниць десятків мікрофарад, ємність конденсатора – у межах 1000...2000 мкФ.

Значення робочих напруг для конденсаторів вибираються зі співвідношення

_. (2.40)

 

2.4.5 Визначення основних параметрів стабілізатора

1. Обчислюємо необхідний коефіцієнт стабілізації за формулою:

 

. (2.41)

 

4. Визначаємо ККД стабілізатора за формулою:

 

. (2.42)

 

При виготовленні силового трансформатора обмотки укладаються на каркасі, що виконується з електрокартону, гетинаксу або пластмаси та, як правило, має форму трубки прямокутного перерізу з боковими щічками. Ближче до стрижня магнітопроводу намотується первинна обмотка. У багатообмоточному трансформаторі ближче до стрижня намотується обмотка вищої напруги, а зовні – обмотка нижчої напруги. Кожний шар обмотки та, в свою чергу, обмотка від обмотки ретельно ізолюються стрічкою з лакотканини.