|
МикроЭВМ на базе микропроцессора КР580ВМ80
7 Расчет источника питания
Источник питания (ИП) является важнейшей составной частью
любой радиоэлектронной аппаратуры. ИП предназначен для питания
устройств электроэнергией постоянного и переменного токов. Тип,
параметры и количество напряжений ИП определяются, как правило,
электрической схемой самого радиоэлектронного устройства, а именно,
количеством и типами питающих напряжений и суммарным током
потребления по каждому напряжению. Расчет производится согласно
методике, указанной в [6].
В разрабатываемом микропроцессорном блоке необходимо
использование трех питающих напряжений постоянного тока: +5, -5 и +12
вольт, следовательно, источник питания будет состоять из следующих
основных узлов: трансформатор, три независимых выпрямителя, фильтра и
стабилизатора.
7.1 Расчет требуемой мощности ИП.
Расчёт суммарного тока потребления по каждому из напряжений
сведём в таблицу 7.1.
7.2 Выбор схемы источника питания
Выбор схемы источника питания производится с учетом парамет-
ров питающей сети, выходной мощности по каждому напряжению, а так же
характеру нагрузки (активной и реактивной составляющих) В нашем слу-
чае можно воспользоваться общей схемой с применением стабилизаторов в
интегральном исполнении, приведенной на рисунке 7.1, которая отличается
хорошими надежностными характеристиками.
Рекомендуемое выходное напряжение E0 II при колебаниях сети
±10% и токе I0 II =0,3 А составляет 18 В, E0 III при токе 0,5 А - 9 В и E0 IV при
токе 0,1 А – 9 В.
Выпрямленная мощность трансформатора:
(7.1)
Вт
7.3 Расчет источника +12В
Выпрямленное сопротивление кремниевого диодного моста при
работе на нагрузку с ёмкостным характером:
(7.2)
где: =1 В – падение напряжения на кремниевом диоде;
- выпрямленный ток для мостовой схемы.
(7.3)
где: =0,3 А при использовании ИМС КР142ЕН8Б.
Сопротивление обмотки II трансформатора:
(7.4)
где: - коэффициент, зависящий от схемы выпрямителя (для
мостовой схемы =4,7);
s – число стержней трансформатора, несущих обмотки (для
Ш-образного сердечника s=1);
B – магнитная индукция в сердечнике трансформатора (при
выпрямляемой мощности ? 50 Вт B=1,3 Тл;
f – частота питающей сети, f=50 Гц;
Так как трансформатор имеет ещё две обмотки, необходимо опре-
делить сопротивление обмотки II с учетом дополнительных обмоток:
(7.5)
где: - вольт-амперы вторичных обмоток для рассчитываемого
выпрямителя (для мостовой схемы =1,5 P0=1,5•10,8=16,2
- габаритная мощность трансформатора. Для мостовой
схемы выпрямителя =1,5 P0=1,5•10,8=16,2 Вт.
Активное сопротивление фазы выпрямителя r определяют по
формуле:
(7.6)
Индуктивность рассеяния обмотки трансформатора LS II :
(7.7)
где: – коэффициент, зависящий от схемы выпрямителя (для
мостовой схемы ;
p – число чередующихся секций обмоток; когда вторичная
обмотка наматывается после первичной p=2.
Необходимо также учесть влияние дополнительных обмоток:
(7.8)
Основной расчетный коэффициент:
(7.9)
где m – число фаз выпрямителя (для мостовой схемы m=2).
Находим угол, характеризующий соотношение между индуктив-
ным и активным сопротивлениями фазы выпрямителя:
(7.10)
По графикам из [6] находим вспомогательные коэффициенты:
=1,06;
=2,02;
=5,5;
=22000.
Определяем э.д.с. вторичной обмотки трансформатора:
(7.11)
Определяем обратное напряжение на диодах:
(7.12)
Определяем действующее значение тока вторичной обмотки:
(7.13)
Ток через диоды:
(7.14)
Определяем импульс тока через диод:
(7.15)
Выбираем диодный мост КЦ405Е со следующими параметрами:
Выходная емкость выпрямителя:
(7.16)
где: - коэффициент, рассчитываемый по формуле:
(7.17)
где: =1 В; =18 В;
Принимаем емкость = 1000 мкф.
Рабочее напряжение конденсатора:
(7.18)
По справочнику выбираем конденсатор К50-6-1000 мкф?50В.
Коэффициент трансформации:
(7.19)
где: =220 – напряжение первичной обмотки.
7.4 Расчет источника +5В
Для стабилизации напряжения +5В используем стабилизатор в
интегральном исполнении КР142ЕН5В. При использовании данной ИМС
рекомендуемое входное напряжение составляет 9 вольт. Таким образом,
получим исходные данные для расчета:
Внутреннее сопротивление кремниевых диодов моста при работе
на нагрузку с емкостным характером сопротивления:
(7.20)
где: =1 В – падение напряжения на кремниевом диоде;
- выпрямленный ток для мостовой схемы.
(7.21)
где: =0,5 А при использовании ИМС КР142ЕН5В.
Сопротивление обмотки III трансформатора:
(7.22)
где: - коэффициент, зависящий от схемы выпрямителя (для
мостовой схемы =3,5);
s – число стержней трансформатора, несущих обмотки (для
Ш-образного сердечника s=1);
B – магнитная индукция в сердечнике трансформатора (при
выпрямляемой мощности ? 50 Вт B=1,3 Тл;
f – частота питающей сети, f=50 Гц;
Необходимо определить сопротивление обмотки III с учетом до-
полнительных обмоток:
(7.23)
где: - вольт-амперы вторичных обмоток для рассчитываемого
выпрямителя (для мостовой схемы =1,5 P0=1,5•10,8=16,2
- габаритная мощность трансформатора. Для мостовой
схемы выпрямителя =1,5 P0=1,5•10,8=16,2 Вт.
Активное сопротивление фазы выпрямителя r определяют по
формуле:
(7.24)
Индуктивность рассеяния обмотки трансформатора LS III :
(7.25)
где: – коэффициент, зависящий от схемы выпрямителя (для
мостовой схемы ;
p – число чередующихся секций обмоток; когда вторичная
обмотка наматывается после первичной p=2.
Необходимо также учесть влияние других вторичных обмоток:
(7.26)
Основной расчетный коэффициент:
(7.27)
где m – число фаз выпрямителя (для мостовой схемы m=2).
Находим угол, характеризующий соотношение между индуктив-
ным и активным сопротивлениями фазы выпрямителя:
(7.28)
По графикам из [6] находим вспомогательные коэффициенты:
=1,13;
=2,05;
=5,3;
=25500.
Определяем э.д.с. вторичной обмотки трансформатора:
(7.29)
Определяем обратное напряжение на диодах:
(7.30)
Определяем действующее значение тока вторичной обмотки:
(7.31)
Ток через диоды:
(7.32)
Определяем импульс тока через диод:
(7.33)
Выбираем диодный мост КЦ410А со следующими параметрами:
Выходная емкость выпрямителя:
(7.34)
где: - коэффициент, рассчитываемый по формуле:
(7.35)
где: =0,7 В; =9 В;
Принимаем емкость = 2000 мкф.
Рабочее напряжение конденсатора:
(7.36)
По справочнику выбираем конденсатор К50-6-2000 мкф?16В.
Коэффициент трансформации:
(7.37)
где: =220 – напряжение первичной обмотки.
7.5 Расчет источника -5В
Для стабилизации напряжения -5В используем стабилизатор в ин-
тегральном исполнении КР142ЕН5В. При использовании данной ИМС ре-
комендуемое входное напряжение составляет 9 вольт. Таким образом, по-
лучим исходные данные для расчета:
Внутреннее сопротивление кремниевых диодов моста при работе
на нагрузку с емкостным характером сопротивления:
(7.38)
где: =1 В – падение напряжения на кремниевом диоде;
- выпрямленный ток для мостовой схемы.
(7.39)
где: =0,1 А при использовании ИМС КР142ЕН5В.
Сопротивление обмотки III трансформатора:
(7.40)
где: - коэффициент, зависящий от схемы выпрямителя (для
мостовой схемы =3,5);
s – число стержней трансформатора, несущих обмотки (для
Ш-образного сердечника s=1);
B – магнитная индукция в сердечнике трансформатора (при
выпрямляемой мощности ? 50 Вт B=1,3 Тл;
f – частота питающей сети, f=50 Гц;
Необходимо определить сопротивление обмотки III с учетом до-
полнительных обмоток:
(7.41)
где: - вольт-амперы вторичных обмоток для рассчитываемого
выпрямителя (для мостовой схемы =1,5 P0=1,5•10,8=16,2
- габаритная мощность трансформатора. Для мостовой
схемы выпрямителя =1,5 P0=1,5•10,8=16,2 Вт.
Активное сопротивление фазы выпрямителя r определяют по
формуле:
(7.42)
Индуктивность рассеяния обмотки трансформатора LS IV :
(7.43)
где: – коэффициент, зависящий от схемы выпрямителя (для
мостовой схемы ;
p – число чередующихся секций обмоток; когда вторичная
обмотка наматывается после первичной p=2.
Необходимо также учесть влияние других вторичных обмоток:
(7.44)
Основной расчетный коэффициент:
(7.45)
где m – число фаз выпрямителя (для мостовой схемы m=2).
Находим угол, характеризующий соотношение между индуктив-
ным и активным сопротивлениями фазы выпрямителя:
(7.46)
По графикам из [6] находим вспомогательные коэффициенты:
=1,11;
=2,03;
=5,3;
=25000.
Определяем э.д.с. вторичной обмотки трансформатора:
(7.47)
Определяем обратное напряжение на диодах:
(7.48)
Определяем действующее значение тока вторичной обмотки:
(7.49)
Ток через диоды:
(7.50)
Определяем импульс тока через диод:
(7.51)
Выбираем диодный мост КЦ405E со следующими параметрами:
Выходная емкость выпрямителя:
(7.52)
где: - коэффициент, рассчитываемый по формуле:
(7.53)
где: =0,7 В; =9 В;
Принимаем емкость = 400 мкф.
Рабочее напряжение конденсатора:
(7.54)
По справочнику выбираем конденсатор К50-6-400 мкф?16В.
Коэффициент трансформации:
(7.55)
где: =220 – напряжение первичной обмотки.
7.6 Расчет трансформатора
Исходные данные для расчета.
Действующие напряжения обмоток:
Действующие токи в обмотках:
Коэффициенты трансформации:
Частота сети 50 Гц.
Габаритная мощность трансформатора:
(7.56)
Составляющие тока первичной обмотки, вызванные токами вто-
ричных обмоток, нагруженных на выпрямители:
(7.57)
(7.58)
(7.59)
Ток первичной обмотки равен сумме токов вызванных всеми вто-
ричными обмотками:
(7.60)
Ток первичной обмотки с учетом потерь в трансформаторе:
(7.61)
где: - к.п.д. трансформатора, =0,85 таблица 17-8 [6];
Определим геометрические размеры окна сердечника (рисунок
7.2):
(7.62)
где: - полное сечение стержня, несущего обмотки, ;
- площадь окна сердечника, приходящегося на обмотки
одного стержня, ;
B - максимальная индукция в сердечнике, Тл;
- плотность тока в обмотке, ;
- к.п.д. трансформатора;
s - число стержней трансформатора, несущих обмотки;
- коэффициент заполнения сечения стержня сталью;
- коэффициент заполнения окна медью обмотки;
В соответствии с рисунком.17-25 [6]
Из таблицы 17-8 [6] при , частоте 50 Гц, марки стали
Э350 находим:
Подставляя данные значения в формулу (78), получим:
Ориентировочное значение ширины стержня:
(7.63)
По справочнику [6] выберем витой сердечник броневого типа
Ш16.
Определим ширину ленты витого сердечника:
(7.64)
где b=1,6 см; h=4см – значения выбираются по таблице 17-9 [6]
Выбираем C=1,6 см.
Таким образом, габариты сердечника будут:
Ширина
Высота
Толщина
Масса
7.7 Расчет обмоток трансформатора
Определим э.д.с. одного витка обмотки:
(7.65)
по таблице 17-8 [6]
Ориентировочное значение падения напряжения в обмотках:
(7.66)
где: (по таблице 17-8 [6] );
Число витков обмотки I равно:
(7.67)
Принимаем витков.
Для обмотки II :
Число витков обмотки II равно:
Принимаем витков.
Для обмотки III :
Число витков обмотки III равно:
Принимаем витка.
Для обмотки IV :
Число витков обмотки IV равно:
Принимаем виток.
Диаметр проводов обмоток (без изоляции):
(7.68)
где: - плотность тока, зададимся в пределах
Для обмотки I ( ) :
Принимаем
Для обмотки II ( ) :
Принимаем
Для обмотки III ( ) :
Принимаем
Для обмотки IV ( ) :
Принимаем
Для уточнения падения напряжения в обмотках, определяют
среднюю длину витка обмоток:
(7.69)
где:
Длина обмоток:
(7.70)
Точное значение падения напряжения:
(7.71)
Уточняем число витков в обмотках:
(7.72)
Принимаем витков;
Принимаем витков;
Принимаем витков;
Принимаем витков;
Ток намагничивания трансформатора
(7.73)
где: - напряженность магнитного поля, согласно
кривой на рисунке 17-26 [6] для трансформаторного железа Э350;
Определим среднюю длину магнитной линии для сердечников
броневого типа:
(7.74)
Вес сердечника:
(7.75)
где: - удельный вес стали Э350;
Потери в сердечнике:
(7.76)
где: в соответствии с рисунком 17-27 [6];
Ток холостого хода:
(7.77)
Ток первичной обмотки с учетом потерь:
(7.78)
Потери в меди:
(7.79)
где:
(7.80)
| |
