Расчет источников питания

Электропитание большинства электронных схем осуществляется от стабилизированных источников постоянного напряжения в пределах от 5В до 25В. Для питания ряда схем (например, операционных усилителей) требуется симметричное относительно общей точки («земли») напряжение ±9В, ±12В или ±15В.

На рис.5.1 показан широко используемый в маломощных устройствах диодный выпрямитель переменного тока в сочетании с изолирующим сетевым трансформатором и емкостным фильтром.

      Рис.5.1. Схема однофазного выпрямителя переменного тока

В таблице 5.1 приведены основные соотношения между напряжением и током

 

                                                        Таблица 5.1 Соотношения для схемы рис.5.1

 

Параметр	Соотношение
Выходное напряжение Udc	1,41Uac
Входной ток Idc	0,62Iac
Входное напряжение Uac	0,71Udc
Входной ток Iac	1,61Idc
Минимальная емкость фильтрового конденсатора, мкФ*А	2200Idc

 

   Для увеличения надежности схемы рекомендуется выбирать конденсатор с рабочим напряжением 2U_dc .

Большинство источников электропитания включает в себя интегральный стабилизатор, позволяющий уменьшать пульсации напряжения и обеспечивающий возможность его регулирования. Для нормального функционирования регулятора на нем падает напряжение порядка 2 В. Учитывая нестабильность первичного источника (промышленная сеть, аккумуляторная батарея), необходимо выбирать напряжение на регуляторе в пределах от 3 до 6 В. Очевидно, чем выше это напряжение, тем большая мощность выделяется в регуляторе и тем труднее его охлаждать. Обычно

3 В ≤ U _РЕГ ≤ 6 В

Если U_dc – напряжение на входе регулятора, а U_H –напряжение на нагрузке, то можно записать

U _РЕГ = U_dc – U_H .

Мощность, выделяющаяся в регуляторе, определяется из соотношения

P _РЕГ = I_H U _РЕГ = I_H (U_dc – U_H),

где I_H – ток нагрузки.

 

Пример 5.1.  Требуется обеспечить напряжение 12 В на нагрузке, потребляющей ток 1 А. Первичная сеть переменного тока питается напряжением 220 В, которое может изменяться в пределах ±15%. В схеме используется стабилизатор К142 ЕН 12.

Тогда минимальное напряжение на стабилизаторе выбираем равным 3 В.

Тогда минимальное напряжение на выходе выпрямителя переменного напряжения тока при минимальном напряжении в первичной сети

  U_{dc min} = U _РЕГ + U_H = 3 + 12 = 15 B;

при максимальном напряжении в первичной сети

  U_{dc max} = 20,3 В.

  В этом случае на стабилизаторе будет напряжение

   U _РЕГ = U_dc – U_H = 20,3 – 12 = 8,3 B/

При номинальном напряжении сети

   U_dc = 17,7 B.

напряжение регулятора

U _РЕГ = U_dc – U_H = 17,7 –12 = 5,7 B.

Если в качестве выпрямителя использовать мостовую схему, то на диодах будет теряться напряжение около 1 В. Это нужно учесть при расчете трансформатора. Напряжение действующее напряжение на вторичной обмотке трансформатора

 

U_dc = 0,71(U_dc + 1B) = 0,71*18,7 = 13,3 B.

 

Максимальный ток вторичной обмотки трансформатора

 I_ac = I_H (U_{dc max} – U_H ) = 1 (20,3 – 12 ) = 8,3 Вт.

 

Конденсатор фильтра С1 выбираем К50—35 –2200 мкФ – 64 В.

 

Стабилизатор необходимо установить на радиатор с тепловым сопротивлением не выше 3  Схема источника электропитания приведена на рис.5.2.

 

              Рис.5.2. Стабилизированный источник питания

 

 

Расчёты элементов

 

3.1 Расчёт ограничивающего резистора R_ОГ

Рис. 3,1

 

 

Рис. 3.2

 

R_ОГ  = , (3.1) 

расчет R_ОГ для рис. 3.1 при напряжении U .

 

 R_ОГ  = ,   (3.2) 

расчет R_ОГ для рис.3.2 при напряжении U .

где U _ПИТ -- напряжение питания 5 В; U _ПР – (см. табл.) напряжение падения на светодиоде оптопары; U  - напряжение падения на выходном транзисторе «ОК» -- 0,4 В; I _ПР 10^—3 mA. Значение резистора выбирается из ближайшего номинала рядов Е12 , Е24 или Е48 таблица 3.1

 

3.2  Расчет мощности рассеивания на резисторе

 

P = I² 10^--3 R , Вт; где R – номинал резистора из ряда Е12, Е24.

 

3.3 Расчет фильтров НЧ и ВЧ

 

 

Расчёт фильтра питания НЧ и ВЧ производится по уравнению резонанса

 

U * R _Н = ;

где U – напряжение питания 5 В; R_H – сопротивление нагрузки Ом,

 

R_H =  , I _ПОТ   A ( 10^—3 mA ) суммарный ток потребления микросхем и излучающих VU (оптоэлектронных или твердотельных реле).

f - частота 2 10⁴ Гц для фильтра высокой частоты (ВЧ), 5 10 Гц для фильтра низкой частоты (НЧ).

С_ВЧ  =  нФ,

 

С_НЧ  =  мкФ.

Номинальные значения резисторов и конденсаторов выбираются по коэффициентам рядов; резисторы ряды Е12, Е24, Е48 таблица 3.1; конденсаторы ряд Е12 таблица 3.2.

 

Номинальные ряды коэффициентов значений сопротивлений резисторов

                                                                  Таблица 3.1

1				1,2				1,5				Е12 ± 10%
1,0		1,1		1,2		1,3		1,5		1,6		Е24 ± 5%
100	105	110	115	121	127	133	140	147	154	162	169	Е48 ± 2%
1,8				2,2				2,7				Е12 ± 10%
1,8		2,0		2,2		2,4		2,7		3,0		Е24 ± 5%
178	187	196	205	215	226	237	249	261	274	287	301	Е48 ± 2%
3,3				3,9				4,7				Е12 ± 10%
3,3		3,6		3,9		4,3		4,7		5,1		Е24 ± 5%
316	332	348	365	383	402	422	442	464	487	511	536	Е48 ± 2%
5,6				6,8				8,2				Е12 ± 10%
5,6		6,2		6,8		7,2		8,2		9,1		Е24 ± 5%
562	590	619	649	681	715	750	787	825	866	909	953	Е48 ± 2%

 

 

Ряд Е12 номинальных значений коэффициентов конденсаторов

                                                       Таблица 3.2

1,0	1,2	1,5	1,8	2,0	2,7	(1*10 – 9) мкФ
3,3	3,9	4,7	5,6	6,8	8,2
10	12	15	18	20	27
33	39	47	56	68	82
0,1	0,12	0,15	0,18	0,2	0,27	(1*10 – 6) мкФ
0,33	0,39	0,47	0,56	0,68	0,82
1,0	1.2	1,5	1,8	2,0	2,7
3,3	3,9	4,7	5,6	6,8	8,2

 

 

Список используемой литературы

 

1. Ю.Ф.Опадчий. О.П.Глускин. Аналоговая и цифровая электроника.

Москва, «Горячая линия—Телеком» 2002 г.

2. Г.И.Волович. Схемотехника аналоговых и аналогово-цифровых электронных устройств. Москва, Издательский дом «Додека—21» 2005 г.

3. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Пер. с англ. В 3-х т.

Москва. Мир, 1993 г.

4. У.Титце и К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника. Москва «Мир» 

1982 г.

5. М. Тули. Справочник по электорнике. Пер. с англ. Москва. «Энергоиздат»

1993 г.