Простой расчет выпрямителя с сетевым трансформатором

Приведено описание упрощенного расчета источника питания на основе сетевого трансформатора и мостового выпрямителя. Простой блок питания состоит из силового трансформатора, выпрямителя и подавляющего пульсации конденсатора.

Схема выпрямителя

Выпрямители бывают разные, но в таких блоках питания чаще всего используются мостовые выпрямители, как в блоке питания, схема которого показана на рисунке 1. Здесь рассматривается упрощенный расчет именно такого блока питания.

Принципиальная схема блока сетевого понижающего выпрямителя

Рис. 1. Принципиальная схема блока сетевого понижающего выпрямителя.

Трансформатор

Самой сложной деталью этой схемы является именно силовой трансформатор. Конечно сейчас можно приобрести готовый трансформатор практически под любые ваши «нужды», но это не всегда возможно.

И зачастую трансформатор приходится делать самостоятельно или, что бывает чаще, перематывать готовый, но неисправный (с горелыми обмотками) либо неподходящий трансформатор под необходимые для конкретного случая параметры.

И так, для изготовления силового трансформатора необходим сердечник с каркасом для обмоток и провод для намотки обмоток. Обычно сердечники встречаются двух типов - «Ш»-образные и тороидальные.

Проще всего наматывать «Ш»-образный, такой как показан на рисунке 2, особенно при большом числе витков, так как его обмотки наматываются на каркас как нитки на катушку, а потом сердечник собирается из отдельных «Ш»-образных пластин «в перекрышку». О нем и будем говорить. Для начала необходимо разобраться с требуемыми параметрами трансформатора.

А именно, - входное переменное напряжение (U), выходное переменное напряжение (Uo), мощность, которую нужно получить на выходе (Р).

Ш-образный сердечник для трансформатора

Рис. 2. Ш-образный сердечник для трансформатора.

Если мы живем в РФ, то входное напряжение U = 220V. Выходное напряжение Uo - такое какое вам нужно. Мощность Р зависит от выходного напряжения и максимально необходимой величины выходного тока (Іо).

Мощность рассчитываем: Р = Uо * Іо (напряжение в V, ток в А, мощность в W).

Таким образом, нам нужны исходные данные, - Uo и Іо. И здесь придется оторваться от расчета трансформатора и начать расчет с выпрямителя, чтобы узнать какие должны быть эти значения. Точный расчет мостового выпрямителя довольно сложен, так как необходимо учитывать множество параметров.

Расчет параметров

Здесь приводится упрощенный расчет, пригодный для радиолюбительской практики.

Сначала определяемся с напряжением. Для вычисления необходимого напряжения на вторичной обмотке трансформатора Uо (рис.3) нужно знать необходимое напряжение на выходе выпрямителя без нагрузки (Uв). Uo = 0,75Uв.

Под нагрузкой выходное напряжение Uв будет снижаться. Практически выходное напряжение на выходе мостового выпрямителя со сглаживающим конденсатором лежит в пределах от Uo/0,75 при работе без нагрузки до Uo-2Uд при максимальной нагрузке (где Uд - прямое напряжение падения на одном диоде выпрямителя при максимальном токе нагрузки).

Для вычисления максимального тока через обмотку Іо нужно знать максимальный ток нагрузки /в. Іо = 1,41/в

Теперь мы знаем необходимые параметры трансформатора по напряжению и току вторичной обмотки. Этого достаточно для подбора или расчета и изготовления трансформатора. Далее переходим к определению необходимых размеров сердечника.

На рисунке 2 показан обычный «Ш»-образный сердечник. Мощность такого сердечника трансформатора зависит от площади поперечного сечения его центральной части (на которую надевается катушка). Площадь определяется:

S = L * Т,

при этом все берется в сантиметрах.

Необходимую площадь S для необходимой мощности можно рассчитать так:

расчетная формула

Теперь можно выбрать сердечник, зная какой площади должен быть его средний керн. Найти именно такой как нужно сердечник сложно, поэтому следует руководствоваться принципом, что площадь сечения его среднего керна должна быть не меньше расчетной (конечно, в разумных пределах).

Подобрав сердечник переходим к расчету числа витков на 1V напряжения :

N = 50 / S,

где N - число витков на 1V, a S - площадь в см2 сечения среднего керна того конкретного сердечника, который будете использовать (а не который получился при расчете). На следующем этапе займемся расчетом уже самих обмоток. Число витков первичной (сетевой) обмотки, с учетом того, что в сети номинальное напряжение 220V, рассчитывается так:

N1 = N * 220.

Затем необходимо определить диаметр намоточного провода для первичной обмотки :

расчетная формула

где D1 диаметр провода в мм, Р - рассчитанная ранее мощность в W, а 220 - это напряжение в электросети. Полученный диаметр намоточного провода может быть нестандартным, поэтому округляем в сторону увеличения до ближайшего стандартного диаметра.

Число витков вторичной (выходной) обмотки рассчитывается так:

N2 = N * Uo.

Затем необходимо определить диаметр намоточного провода для первичной обмотки :

расчетная формула

Полученный диаметр намоточного провода может быть нестандартным, поэтому округляем в сторону увеличения до ближайшего стандартного диаметра. Все. Можно наматывать трансформатор. Конечно, в идеале все обмотки должны быть намотаны плотно виток в витку.

Но для первичной обмотки, число витков которой может измеряться тысячами, это может быть слишком уж утомительно. Поэтому наматываем внавал, но осторожно, аккуратно, и плотно, как будто бы пытаемся намотать виток к витку, но не получается. Нельзя чтобы провода начала и конца первичной обмотки соприкасались или были слишком близко, - может пробить.

Сильно натягивать провод тоже нельзя, - разрушится тоненькая прозрачная изоляция, которой покрыт намоточный провод. По той же причине нельзя провод скребсти при намотке о края катушки или другие предметы, способные повредить изоляцию.

Сначала на каркас наматывают первичную обмотку. Затем её покрывают слоем изоляции, например, бумаги, но лучше - специальной фторопластовой лентой или стеклолакотканью. Потом на эту изоляцию наматывают вторичную обмотку.

Она содержит всего 106 витков и довольно толстого провода. Так что не ленитесь, - мотайте строго виток к витку. После окончания обмотки можно переходить к сборке сердечника.

Сердечники трансформатора обычно бывают в собранном виде с каркасом, так что предварительно их нужно разбирать, равно как и при перемотке неисправного или неподходящего трансформатора. Запомните как он разбирался и сборку делайте в обратном порядке.

Следует учесть, что все сказанное выше имеет отношение только к силовым трансформаторам, работающим на переменном токе частотой 50 Гц. И так, трансформатор есть, продолжаем рассчитывать выпрямитель. Следующий этап - выбор диодов.

Максимально допустимое обратное напряжение диода должно быть не ниже значения Uд = 1,5Uв.

По максимально допустимому прямому току диоды выбирают так, чтобы значение максимального прямого тока было больше величины Ід = 1,2/в. Теперь переходим к расчету емкости сглаживающего конденсатора С. Ниже приводится расчет при условии что частота переменного напряжения на входе выпрямителя равна 50 Гц.

Емкость сглаживающего конденсатора в мкФ С = (300*lв/q)/Uв. Где q - допустимый коэффициент пульсаций, выражающийся в отношении амплитуды пульсаций к величине выходного постоянного напряжения. Обычно для источников питания бытовой аппаратуры берется q = от 0,1 до 0,01.

Максимально допустимое рабочее напряжение конденсатора должно быть не ниже Uв, но его лучше взять с запасом, так не менее 1,5Uв.

Пример расчета

Теперь можно попробовать рассчитать реальный блок питания.

Исходные данные:

  • U = 220V,
  • Ue = 15V,
  • Ів = 0,5А,
  • q=0,01.

1. Находим необходимые параметры трансформатора:

Uo = 0,75Uв = 0,75*15=11,25V

lo= 1,41*Ів= 1.41 * 0,5 = 0,705А (напряжение вторичной обмотки равно 11,5V, а ток не ниже 0,705А)

2. Р = Uo * Іо = 11,5 * 0,705 = 8,1075W. Возьмем мощность с запасом - 9W

3.

формула расчет площади поперечного сечения трансформатора

4. N = 50/S = 50/3= 16,6667

5. N1 = N * 220 = 16,6667 * 220 = 3666,674 витков, округляем до 3667 витков.

5,

формула

выбираем ближайший стандартный обмоточный провод ПЭВ-0,13 (0,13 мм).

6. N2 = N * Uo = 16,6667 * 11,5 = 191,667 округляем до 192 витков.

7.

формула

выбираем ближайший стандартный обмоточный провод ПЭВ-0,54 (0,54 мм).

8. Находим параметры диодов:

Uд - 1,5Uв = 1,5*15 =22,5V

Ід= 1,2 * Iв = 1,2* 0,5 = 0,6А (максимальное обратное напряжение не ниже 22,5V, максимальный прямой ток не ниже 0,6А)

9. Находим параметры конденсатора: C=(300*lв/q)/Uв= (300*0,5/0,01)/15 = 1000 мкФ (не ниже 1000 мкФ)

10. Допустимое напряжение конденсатора не ниже 15V.

Иванов А. РК-09-17.

1 759 Схемотехника
расчеты выпрямитель начинающим блок питания
Написать комментарий:

cashback