курсовик по электронике (Методические указания к лабораторным работам по аналоговой электронике), страница 7

Классические блоки питания весьма полно рассмотрены в литературе. Они изучались в курсе электроники и рассмотрены в частности в лабораторной работе «Диоды в источниках питания». Конверторы DC - DC типа комплектуются, как правило, импортными деталями и поэтому оказываются дороже классических блоков питания с линейными стабилизаторами напряжения.

Рассмотрим в качестве компромиссного решения схему блока питания отечественного принтера, построенную полностью на дешевых отечественных деталях. Особенность этой схемы состоит в том, что используются два трансформатора. Первый трансформатор низкочастотный, он понижает сетевое напряжение 220 В с частотой 50 Гц до напряжения 21 В. Это напряжение выпрямляется и поступает на DC - DC конвертор, содержащий высокочастотный трансформатор и высокоэкономичный импульсный стабилизатор напряжения, который в дальнейшем для краткости будем обозначать ИСН. Наличие трансформатора не позволяет уменьшить его габариты и массу, но ИСН обеспечивает повышенный КПД. Принципиальная схема блока питания представлена на рис.15.

C7

C8

C9

C10

C11

II

III

C2

C3

C4

C5

C1

SA1

L1

L2

T1

I

FU4

VD1-VD4

VD5-

VD8

C6

FU3

FU1

220В

FU2

220В

+24В

Заземление блока

FU5

II

T2

I



4

3

7

2

6

R3

5

8

R1

R2

C15

VT1

VT2

C14

C16

VD9

C20

C19

C18

C21

U _стаб

+12в

C121

DA1

III

C17

VD10

U _стаб

-!2В

VD11

VD12

R4

R5

R6

R7

R8

R9

C136

КТ3

L3

U _стаб +5В

Рис. 15 Принципиальная схема блока питания.

Блок питания вырабатывает три уровня стабилизированного постоянного напряжения: +5 В, +12 В и –12 В. Наибольшая мощность у секции с напряжением +5 В, поэтому именно в этой секции осуществляется стабилизация напряжения. Напряжение в двух других секциях зависит от напряжения в первой, и поэтому тоже является стабилизированным, но в меньшей степени.

Основным элементом ИСН является операционный усилитель DA1, выполняющий функции компаратора, который сравнивает напряжение в секции +5 В с опорным напряжением на стабилитроне VD9 и делителе напряжения R1, R2. R4. Сигнал с выхода компаратора поступает на составной транзистор VT1 - VT2. Компаратор работает в ключевом режиме, поэтому усиленный сигнал в цепи коллектор – эмиттер транзистора VT2 также может иметь два уровня высокий и низкий. Схема работает как релаксационный генератор с частотой около 20 кГц.

При включении тумблера SA1, во вторичной обмотке трансформатора Т1 появится переменное напряжение с частотой 50 Гц, которое будет выпрямлено двухполупериодным выпрямителем VD1 – VD4 и сглажено от пульсаций фильтром C7, C8, C9, C12. Стабилитрон VD9 и резисторы R1, R2, R4 образуют обычный параметрический стабилизатор напряжения, поэтому на инверсном входе DA1 (ножка 3) всегда поддерживается напряжение +5 вольт. Напряжение в точке КТ3 не может сразу достичь необходимого уровня, т.к. первичная обмотка трансформатора Т2 обладает реактивным сопротивлением, и ток в ней может нарастать только постепенно. Поэтому напряжение в КТ3 и на прямом входе компаратора (ножка 4) в первый момент будет менее +5 вольт. Из этого следует, что на выходе компаратора (ножка 7), который сравнивает напряжение на прямом и инверсном входах, будет низкий уровень. Низкий уровень напряжения передается на базу транзистора VT1 p-n-p типа. Более высокий уровень напряжения на эмиттере этого транзистора, чем на базе, сместят его эмиттерный переход в прямом направлении, и транзистор будет открыт. Потенциал на базе транзистора VT2 n-p-n типа окажется выше, чем на эмиттере и он также откроется, что и обеспечит протекание тока в первичной обмотке трансформатора Т2.

Как только напряжение в точке КТ3 и на прямом входе DA1 превысит +5 вольт, на выходе компаратора установится высокий уровень напряжения и поэтому закроется транзистор VT1, а следом за ним транзистор VT2, что приведет к появлению ЭДС самоиндукции в первичной обмотке трансформатора Т2. Ток, образованный ЭДС самоиндукции, будет протекать через диод VD10. Во вторичных обмотках трансформатора Т2 при этом также возникает электрический ток, который зарядит конденсаторы C16, C17, до нужной величины. Величина напряжения на конденсаторах C16, C17 определяется подбором количества витков вторичной обмотки трансформатора Т2.

Количество витков в обмотке II меньше, чем в обмотке III, т.к. она включается последовательно с главной секцией +5В и добавляет недостающее напряжение +7В. Направление навивки этих обмоток противоположное, т.к. секция II обеспечивает получение напряжения +7В, а обмотка III - 12В.

Таким образом, индуктивность первичной обмотки трансформатора определяет колебательный режим работы генератора на заданной частоте, а вторичные обеспечивают напряжением слаботочные секции.

Конденсатор C12 устраняет паразитную генерацию колебаний в цепи управления составным транзистором. Конденсатор C15 служит для ослабления импульсных помех.

ИСН реагирует как на изменение величины напряжения в электросети, так и на величину тока потребления в главной секции +5В, путем изменения скважности сигнала в его первичной обмотке I. При уменьшении сетевого напряжения скважность сигнала в первичной обмотке уменьшится. При увеличении тока нагрузки в секции +5В скважность сигнала в первичной обмотке также уменьшится. Благодаря этому напряжение в секции +5В будет поддерживаться на постоянном уровне.

Расчет элементов блока питания

Расчет низкочастотного трансформатора

При выполнении блока питания по схеме на рис. 15 суммарная мощность потребляемая всеми секциями определяется формулой:

P_пот =  U_i I_i

При выполнении курсового проекта студенты принимают напряжение в нестабилизируемой секции в зависимости от номера по списку. С 1-го номера по 12-ый U_нестаб =12В, С 13-го номера по 24-ый U_{не стаб} =24В, С 25-го номера и более U_{не стаб} =36В. Величина тока в амперах в нестабилизируемой секции принимается по формуле:

I_{не стаб} = 0,5 + 0,05 N_сп ,

где N_сп – номер студента по списку.

Далее необходимо выяснить, какова мощность секций со стабилизированным напряжением, сколько их и каковы величины напряжений в каждой секции. Для питания операционных усилителей необходимы две секции стабилизированного напряжения +15В и – 15В. Для питания цифровых микросхем и аналого-цифрового преобразователя наверняка потребуется стабилизированное напряжение +5В.

Для определения величины тока, потребляемой секциями со стабилизированным напряжением необходимо просуммировать ток, потребляемый всеми микросхемами и другими элементами. Для операционных усилителей ток питания можно определить по справочнику[..]. Так по данным справочника для одной микросхемы К140УД23 ток потребления I_пот = 10мА при напряжении питания U_п = 15В.

Помимо этого может потребоваться еще одна вторичная обмотка трансформатора для питания индуктивного датчика с несущей частотой 50 Гц.

Габаритная мощность трансформатора P_тр должна учитывать потери мощности во всех элементах блока питания, включая потери в самом трансформаторе. КПД самого трансформатора _тр зависит от его мощности. Для трансформаторов с мощностью 50 ВА _тр =0,8 , а для трансформаторов с мощностью 150 ВА _тр =0,86.

При определении потерь в диодных мостиках VD1 – VD4 и VD5 – VD8 необходимо иметь в виду, что в каждый момент времени работают по два диода. Если диоды кремниевые, то на каждом диоде происходит падение напряжения 0,6 – 1В в зависимости от величины выпрямляемого тока. В расчетах будем брать максимальное падение напряжения на каждом диодном мостике – 2В. Отсюда следует, что КПД выпрямителя _в зависит от величины выпрямляемого напряжения. Чем больше величина выпрямляемого напряжения, тем выше КПД. В нашем случае на обмотке II трансформатора Т1 напряжение – 21В, следовательно, _в = (21 – 2)/ 21 = 0,86.

КПД импульсного стабилизатора напряжения можно принять _исн = 0,8. Можно также ввести коэффициент запаса мощности для возможности модернизации электронных схем без переделок блока питания. Такое решение используют в современных персональных компьютерах для возможности установки дополнительных плат расширения. Введение коэффициента запаса мощности 1,2 – 1,5 позволяет также не рассматривать небольшие потери в фильтрах

При определении габаритной мощности трансформатора потребляемая мощность делится на КПД и умножается на коэффициент запаса мощности.

Габаритная мощность трансформатора по схеме на рис. 15 при введении коэффициента запаса мощности 1,2:

P_тр = 1,2 [(215 I₁₅ + 5 I₅ )/ _исн  _в + (U_{не стаб} I_{не стаб} ) / _в] /_тр,

где первое слагаемое определяет мощность обмотки II, поступающую на импульсный стабилизатор напряжения, а второе слагаемое определяет обмотки III, поступающую на нестабилизированный выпрямитель. Здесь I₁₅ – ток в секциях с напряжением 15 В, I₅ – ток в секции с напряжением 5 В, _в - КПД выпрямителя, а _тр - КПД самого трансформатора.

Размеры магнитопровода трансформатора определяются по формуле:

S_м S_ок = 45 P_тр/f B_m j k_ок k_м