Расчет вторичного источника электропитания

Значительная часть элементов электронных и полупроводниковых устройств для своей работы потребляют электрическую энергию постоянного тока. Устройства, поставляющие нагрузке такую энергию, называются вторичными источниками питания (далее ВИЭП).

ВИЭП в большинстве случаев состоит из следующих элементов:

- Силовой трансформатор (или автотрансформатор), служащий для повышения или понижения напряжения до нужной величины;

- Одного или нескольких диодов (в зависимости от схемы), обладающих односторонней проводимостью тока и выполняющих основную функцию выпрямления – преобразование переменного тока в постоянный;

- Сглаживающего фильтра, уменьшающего пульсацию выпрямленного тока.

В схему выпрямителя, кроме этих основных элементов, могут входить различные вспомогательные устройства, предназначенные для регулировки выпрямленного напряжения, включения и выключения выпрямителя, защиты выпрямителя от повреждений при нарушениях нормального режима работы (например, стабилизаторы напряжения) и т.п.

Структурная схема неуправляемого ВИЭП показана на рисунке 1.

Рисунок 1 Структурная схема неуправляемого ВИЭП

На структурной схеме рисунка 1 слева на право обозначены элементы: трансформатор, выпрямитель, фильтр, стабилизатор. О стабилизаторе речь пойдет в следующем разделе.

Для питания электронной аппаратуры наиболее часто применяются выпрямители однофазного переменного тока, работающие в режиме двухполупериодного выпрямления. Обычно на выходе таких выпрямителей включаются сглаживающие фильтры, начинающиеся с конденсатора, что определяет емкостной характер нагрузки выпрямителя.

Мостовая схема выпрямителя изображена на рисунке 2. Эта схема обеспечивает двухполупериодное выпрямление за счет чередующегося открывания пар диодов VD2-VD3 и VD1-VD4 при подаче переменного синусоидального напряжения на питающую диагональ моста. Так, одна пара открывается при положительной полуволне (вторая пара в это время закрыта), а другая при отрицательной, при этом ток по нагрузке всегда течет в одном и том же направлении.

Необходимость использования в схеме четырех вентилей является недостатком мостовой схемы (высокий расход материалов). На схеме рисунка 2 использован С-фильтр. Сглаживание пульсаций в таких фильтрах осуществляется за счет не мгновенного процесса разрядки конденсатора, т.е. конденсатор не успевает полностью разрядиться до наступления следующей полуволны, что увеличивает постоянную составляющую пульсирующего напряжения.

Задача

Рассчитать ВИЭП, выполненный по мостовой схеме. Исходные данные приведены в таблице 1. Расчетная схема приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 Мостовой выпрямитель

Таблица 1

Здесь K_Т – коэффициент типовой мощности;

B_m – амплитуда магнитной индукции;

d - плотность тока в проводе.

1 Рассчитаем действующее значение тока и напряжения на вторичной обмотке трансформатора, мощность нагрузки и среднее значение выпрямленного тока и напряжения.

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

2 Определим мощность трансформатора и его физические параметры (сечение сердечника, число витков, сечение обмоточных проводов для меди).

(6)

(7)

Здесь S – сечение сердечника трансформатора.

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

3 Определим параметры диодов.

(17)

(18)

По справочнику выбираем диоды типа КД244А (). Паспортные данные для данного диода приведены в таблице 3.

4 Определим емкость C-фильтра.

(19)

Временные диаграммы изображены на рисунке 3. Сведем все результаты в таблицу 2.

Таблица 2

Участок ВИЭП	Параметры
Трансформатор
Диодный мост
C-фильтр

Таблица 3

	Напряжение на вторичной обмотке трансформатора
Выпрямленное пульсирующее напряжение
Обратное напряжение на паре VD2-VD3
Обратное напряжение на паре VD1-VD4
Выпрямленное напряжение после включения C-фильтра

Рисунок 3 Временные диаграммы