Berechnung von Stromversorgungen. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Anfänger Funkamateur

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Die überwiegende Mehrheit der Amateurfunkkonstruktionen wird über das Netzteil mit Strom versorgt. Es enthält normalerweise einen Netzwerktransformator T1 (Abb. 45), einen Diodengleichrichter VD1 -VD4 und einen Oxidglättungskondensator C1 mit hoher Kapazität. Zu den zusätzlichen, aber notwendigen Geräten gehören der SA1-Schalter, die FU1-Sicherung und die Einschaltanzeige – eine Miniatur-HL1-Glühlampe mit einer Nennspannung, einer etwas höheren Spannung der Sekundärwicklung des Transformators (Lampen, die bei geringer Hitze brennen, halten viel länger). ).

Ein Spannungsregler, falls vorhanden, wird zwischen den Gleichrichterausgang und die Last geschaltet. Die Spannung an seinem Ausgang ist in der Regel kleiner als Uout und es wird eine spürbare Leistung für den Stabilisator aufgewendet.

Beginnen wir mit der Berechnung des Netzwerktransformators. Seine Abmessungen und sein Gewicht werden vollständig durch die Leistung bestimmt, die das Netzteil liefern soll: Рout = Uout ·Iout. Wenn mehrere Sekundärwicklungen vorhanden sind, müssen alle von jeder Wicklung aufgenommenen Leistungen summiert werden. Zur berechneten Leistung addieren Sie die Leistung der Kontrollleuchte Rind und die Leistungsverluste an den Gleichrichterdioden

Rvyp = 2Upr Iout

Dabei ist Unp der Durchlassspannungsabfall an einer Diode, bei Siliziumdioden beträgt er je nach Strom 0,6 ... 1 V. Unp kann aus den in den Nachschlagewerken angegebenen Eigenschaften der Dioden bestimmt werden.

Aus dem Netz verbraucht der Transformator etwas mehr Strom als berechnet, was mit Verlusten im Transformator selbst verbunden ist. Es gibt „Kupferverluste“ – zum Erhitzen der Wicklungen, wenn Strom durch sie fließt – das sind gewöhnliche Verluste, die durch den aktiven Widerstand der Wicklungen verursacht werden, und „Eisenverluste“, die durch die Ummagnetisierungsarbeit des Kerns und Wirbelströme verursacht werden seine Teller. Das Verhältnis der vom Netz aufgenommenen Leistung zur Ausgangsleistung ist gleich dem Transformatorwirkungsgrad η. Der Wirkungsgrad von Kleinleistungstransformatoren ist gering und beträgt 60 ... 65 %, nur bei Transformatoren mit einer Leistung von mehreren hundert Watt steigt er auf 90 % und mehr. So,

Рtr \uXNUMXd (Pout + Rind + Rvyp) / η

Nun ist es möglich, die Querschnittsfläche des zentralen Stabes des Kerns (der durch die Spule verläuft) mithilfe der empirischen Formel zu bestimmen:

S2=Ptp.

Die Bezeichnungen der Magnetkreise enthalten bereits Angaben zur Querschnittsbestimmung. Beispielsweise bedeutet W25x40, dass die Breite des Mittelteils der W-förmigen Platte 25 mm und die Dicke des Plattensatzes 40 mm beträgt. Aufgrund der lockeren Passung der Platten zueinander und der Isolationsschicht auf den Platten kann der Querschnitt eines solchen Kerns auf 8 ... 9 cm2 und die Leistung des darauf gewickelten Transformators auf 65 ... geschätzt werden. . 80 W.

Die Querschnittsfläche des zentralen Kerns des Transformatormagnetkreises S bestimmt den nächsten wichtigen Parameter – die Anzahl der Windungen pro Volt. Er sollte nicht zu klein sein, da sonst die magnetische Induktion im Magnetkreis zunimmt, das Kernmaterial in die Sättigung gerät, während der Leerlaufstrom der Primärwicklung stark ansteigt und ihre Form nicht sinusförmig wird – an den Spitzen treten große Stromspitzen auf die positiven und negativen Halbwellen. Das Streufeld und die Vibration der Platten nehmen stark zu. Das andere Extrem – eine zu hohe Windungszahl pro Volt – führt zu einem übermäßigen Kupferverbrauch und einem Anstieg des Wirkwiderstands der Wicklungen. Außerdem ist es notwendig, den Durchmesser des Drahtes zu reduzieren, damit die Wicklungen in das Fenster des Magnetkreises passen. Diese Probleme werden in [1] ausführlicher betrachtet.

Die Windungszahl pro Volt n für Werkstransformatoren, die auf einen Standardkern aus W-förmigen Platten gewickelt sind, wird normalerweise aus dem Verhältnis n \u45d (50 ... 2) / S berechnet, wobei S in cm10 angegeben wird. Durch Bestimmung von n und Multiplikation mit der Nennspannung der Wicklung erhält man deren Windungszahl. Bei Sekundärwicklungen sollte die Spannung XNUMX % über der Nennspannung liegen, um den Spannungsabfall an ihrem aktiven Widerstand zu berücksichtigen.

Alle Spannungen an den Transformatorwicklungen (UI und UII in Abb. 45) sind in Effektivwerten angegeben.

Der Amplitudenwert der Spannungen wird 1,41-mal höher sein. Wird die Sekundärwicklung des Brückengleichrichters belastet, so ist die Spannung am Ausgang des Gleichrichters Uout im Leerlauf nahezu gleich der Amplitude an der Sekundärwicklung. Unter Last nimmt die gleichgerichtete Spannung ab und beträgt:

Uout = 1,41UII-2Unp-Ioutp.tp.

Hier ist rtp der Widerstand des Transformators von der Seite der Sekundärwicklung. Mit ausreichender Genauigkeit für die Praxis können wir rtp = (0,03 ... 0,07) Uout / Iout einstellen, und für leistungsstärkere Transformatoren werden kleinere Koeffizienten verwendet.

Nachdem man die Anzahl der Windungen ermittelt hat, sollte man die Ströme in den Wicklungen ermitteln. Sekundärwicklungsstrom Iii = Iind + Pout/UII. Wirkstrom der Primärwicklung (aufgrund des Laststroms) Iia = Ptr / UI. Darüber hinaus fließt auch in der Primärwicklung ein reaktiver, „magnetisierender“ Strom, der im Kern einen magnetischen Fluss erzeugt, der nahezu dem Leerlaufstrom des Transformators entspricht. Sein Wert wird durch die Induktivität L der Primärwicklung bestimmt: Iip = Ui/2πfL

In der Praxis wird der Leerlaufstrom experimentell ermittelt – für einen richtig ausgelegten Transformator mittlerer und hoher Leistung beträgt er (0,1 ... 0,3) IiA. Der Blindstrom hängt von der Anzahl der Windungen pro Volt ab und nimmt mit zunehmendem n ab. Für Kleinleistungstransformatoren ist Iip = (0,5 ... 0,7) IiA zulässig. Die Wirk- und Blindströme der Primärwicklung werden in Quadratur addiert, sodass der Gesamtstrom der Primärwicklung Ii2 = Iiai2 + Iipi2 ist.

Nachdem die Wicklungsströme ermittelt wurden, muss der Drahtdurchmesser anhand der zulässigen Stromdichte für Transformatoren von 2 ... 3 A / mm2 ermittelt werden. Die Berechnung wird durch die in Abb. dargestellte Grafik erleichtert. 46 [2].

Die Möglichkeit, die Wicklungen im Fenster zu platzieren, wird wie folgt bewertet: Durch Messen der Höhe des Fensters (Breite der Spule) wird die Anzahl der Windungen einer Schicht jeder Wicklung bestimmt und anschließend die erforderliche Anzahl der Schichten. Durch Multiplikation der Anzahl der Lagen mit dem Durchmesser des Drahtes und Addition der Dicke der isolierenden Abstandshalter erhält man die Dicke der Wicklung. Die Dicke aller Wicklungen sollte nicht größer als die Breite des Fensters sein. Da zudem ein dichtes Wickeln von Hand nicht möglich ist, sollte die resultierende Dicke der Wicklungen um das 1,2- bis 1,4-fache erhöht werden.

Abschließend präsentieren wir eine vereinfachte Berechnung des Gleichrichters (Abb. 45). Der zulässige durchschnittliche Gleichstrom von Dioden in der Brückenschaltung muss mindestens 0,5 Iout betragen. In der Praxis werden Dioden mit einem großen Durchlassstrom gewählt (aus Gründen der Zuverlässigkeit). Die zulässige Sperrspannung sollte nicht weniger als 0,71 Uii + 0,5 Uout betragen. Da Uout im Leerlauf jedoch 1,41 Uii erreicht, empfiehlt es sich, die Sperrspannung der Dioden nicht kleiner als diesen Wert zu wählen, d. h. den Amplitudenwert der Spannung am Sekundärwicklung. Außerdem ist es sinnvoll, mögliche Schwankungen der Netzspannung zu berücksichtigen.

Die Amplitude der gleichgerichteten Spannungswelligkeit in Volt lässt sich mit einer vereinfachten Formel abschätzen:

Aufpuls = 5Iout/S.

Der Ausgangsstrom wird in Ampere angegeben, die Kapazität des Kondensators C1 in Mikrofarad.

Bei Lastströmen von mehreren zehn Milliampere oder weniger ist eine Begrenzung zulässig das einfachste Gerät mit einer Zenerdiode.

Für hohe Lastströme empfehlen wir den Einsatz eines etwas komplexeren Stabilisators, dessen Schaltung in Abb. dargestellt ist. 47.

Wie Sie hier sehen können, wird dem einfachsten Stabilisator der Elemente R1, VD1 ein Emitterfolger hinzugefügt, der auf einem Transistor VT1 montiert ist. Wenn im einfachsten Stabilisator der Laststrom nicht größer sein kann als der Strom der Zenerdiode, dann kann er hier den Strom der Zenerdiode um das h21e-fache überschreiten, wobei h21e der statische Stromübertragungskoeffizient der Basis des Transistors in a ist Schaltung mit gemeinsamem Emitter. Um es zu erhöhen, wird anstelle von VT1 häufig ein Verbundtransistor verwendet. Die Ausgangsspannung des Stabilisators ist 0,6 V niedriger als die Stabilisierungsspannung VD1 (1,2 V für einen Verbundtransistor).

Es wird empfohlen, die Berechnung einer stabilisierten Stromversorgung mit einem Stabilisator zu beginnen. Basierend auf der erforderlichen Spannung und dem Laststrom werden der Transistor VT1 und die Zenerdiode VD1 ausgewählt. Der Basisstrom des Transistors beträgt:

Ib \u21d Iout / hXNUMXe.

Dies ist der Ausgangsstrom des einfachsten Stabilisators an den Elementen R1 und VD1. Bewerten Sie dann die Mindestspannung am Ausgang des Gleichrichters Uout-Upulse – sie sollte auch bei der minimal zulässigen Netzspannung 2 ... 3 V mehr sein als die erforderliche Spannung an der Last. Im Weiteren erfolgt die Berechnung auf die beschriebene Weise. Fortgeschrittenere Schemata und die Berechnung von Stabilisatoren sind in [3] aufgeführt.

Fragen zum Selbsttest

1. Leiten Sie anhand der Informationen aus den vorherigen Abschnitten (der Impulsantwort der RC-Schaltung) die obige Formel für die Amplitude der Welligkeit am Ausgang eines ungeregelten Gleichrichters ab. In diesem Fall sei die Dauer der Kondensatorentladung zur Gleichrichterlast 0,01 s (Pulsfrequenz 100 Hz) und verwende die Näherung et/RC - 1 - t/RC.

2. Nachdem Sie einen alten Netztransformator gefunden haben (er kann durchgebrannt sein), zerlegen und wickeln Sie ihn ab, wobei Sie sich merken oder sogar aufschreiben, wie er funktioniert (dies ist praktisch, wenn Sie selbst Transformatoren herstellen). Schätzen Sie die Windungszahl der Wicklungen und den Durchmesser des Drahtes. Berechnen Sie diesen Transformator nach der beschriebenen Methode und vergleichen Sie die Ergebnisse.

3. Berechnen Sie eine vollständig geregelte Stromversorgung für eine Spannung von 13,5 V und einen Strom von 1 A.

Antworten

Die Spannungswellenform am Ausgang eines Vollweggleichrichters ohne Glättungskondensator ist in dargestellt Abb. 64 dünne Linie. Wir sehen, dass die Spannung von Null auf U pulsiert_m mit einer Frequenz von 100 Hz. Bei Vorhandensein eines Kondensators wird dieser in den Spitzen der gleichgerichteten Spannung auf einen Wert etwas kleiner als U aufgeladen_mund Entladungen zwischen Spitzen. Der Mittelwert der gleichgerichteten Spannung wird mit U bezeichnet_O. Pulsationsamplitude - U_Impuls.

Während der Entladung des Kondensators ändert sich die Spannung an ihm gemäß dem in der Bedingung angegebenen Gesetz vom Wert U_O + Du_Impuls bis zum U-Wert_O - U_Impuls

Daher kann man schreiben

U_O - U_Impuls = (U_O + Du_Impuls)e^{-t / RC}-(U_O + Du_Impuls).(1 - t/RC),

wobei t = 0,01 s; R ist der Lastwiderstand des Gleichrichters; C ist die Kapazität des Glättungskondensators.

Klammern öffnen, U kürzen_O und den Begriff U vernachlässigen_Impulst/RC aufgrund seiner Kleinheit (Pulsationsamplitude ist kleiner als U_O) erhalten wir 2U_Impuls = U._Ot/RC.

Beachten Sie nun, dass U_O/R ist gleich dem Laststrom I, und ersetzen Sie t: U_Impuls = 5 10^-3l/Z,

Dabei müssen alle Größen in Grundeinheiten – Volt, Ampere und Farad – eingesetzt werden. Wenn der Strom in Milliampere und die Kapazität in Mikrofarad angegeben wird, erhalten wir die obige Formel für die Welligkeitsspannung in Volt:

U_Impuls= 5 l/C.

Literatur

1. Polyakov V. Reduzierung des Transformatorstreufeldes. – Radio, 1983, Nr. 7, S. 28, 29.
2. Malinin R.M. Stromversorgung von Funkgeräten aus dem Stromnetz. - M.: Energie, 1970.
3. Moskvin A. Transistorspannungsstabilisatoren mit Überlastschutz. – Radio, 2003, Nr. 2, S. 26-28.

Autor: V.Polyakov

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