Содержание
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.
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).
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:
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 :
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 :
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.
4. N = 50/S = 50/3= 16,6667
5. N1 = N * 220 = 16,6667 * 220 = 3666,674 витков, округляем до 3667 витков.
5,
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.
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.
Инструкции | Схема и подробное описание самодельного блока питания
Часто требуется в быту подключение того и иного электроустройства посредством блока питания с понижающем трансформатором, но готовый блок не всегда удается найти в магазине, поэтому зачастую приходится думать о самодельной конструкции.
Чтобы облегчить эту задачу, расскажем о простейших расчетах, которые позволят подобрать нужные детали для блока питания в зависимости от предъявляемых к нему требований.
Схема предполагаемого блока питания, обеспечивающего нужное выходное напряжение постоянного тока, приведена на рисунке.
В нем использован трансформатор питания, включаемый первичной обмоткой (I) в электрическую розетку переменного тока 220 Вольт и понижающий напряжение (оно снимается с обмотки II) до заданного значения, двухполупериодный выпрямитель на диодах VD1—VD4 и конденсатор С1, сглаживающий пульсации выпрямленного напряжения.
Полученное в итоге почти постоянное напряжение (пульсации его при подключении нагрузки все же будут) снимают с контактов XS1 и XS2.
схема самодельного блока питания
Расчет выпрямителя
Необходимо правильно выбрать выпрямительные диоды и конденсатор фильтра, а также определить необходимое переменное напряжение, снимаемое для выпрямления со вторичной (II) обмотки сетевого трансформатора.
Исходными данными для расчета выпрямителя служат требуемое напряжение на нагрузке (Uн) и потребляемый ею максимальный ток (Iн)
Порядок расчета
| Коэффициент | ||||||
Сначала определяют переменное напряжение, которое должно быть на вторичной обмотке трансформатора:
Uн — постоянное напряжение на нагрузке, В; В — коэффициент, зависящий от тока нагрузки, который определяют по таблице
По току нагрузки определяют максимальный ток, протекающий через каждый диод выпрямительного моста:
Iд — ток через диод, А; Iн — максимальный ток нагрузки, А; С — коэффициент, зависящий от тока нагрузки и определяемый по таблице
Далее подсчитываем обратное напряжение, которое будет приложено к каждому диоду выпрямителя:
Uобр — обратное напряжение, В; Uн — напряжение на нагрузке, В.
Выпрямительные диоды нужно выбрать, у которых значения выпрямленного тока и допустимого обратного напряжения равны или превышают расчетные.
В заключении определяем емкость конденсатора фильтра:
Сф — емкость конденсатора фильтра, мкФ; Iн — максимальный ток нагрузки, A; Uн — напряжение на нагрузке, В; Кп — коэффициент пульсации выпрямленного напряжения (отношение амплитудного значения переменной составляющей частотой 100 Гц на выходе выпрямителя к среднему значению выпрямленного напряжения).
Коэффициент пульсаций выбирают самостоятельно в зависимости от предполагаемой нагрузки, допускающей питание постоянным током вполне определенной «чистоты».
— малогабаритные транзисторные радиоприемники и магнитофоны
— усилители радио и промежуточной частоты
— предварительные каскады усилителей звуковой частоты и микрофонных усилителей
В дальнейшем, когда будете строить подобные выпрямители с последующей стабилизацией выпрямленного напряжения транзисторным стабилизатором, расчетную емкость фильтрующего конденсатора можно уменьшить в 5.
..10 раз.
Расчет питающего трансформатора
Для него у вас уже есть необходимые данные, напряжение на вторичной обмотке (UII) и максимальный ток нагрузки (Iн)
Сначала определяют максимальное значение тока, протекающего через вторичную обмотку:
III — ток через обмотку II трансформатора, А; Iн — максимальный ток нагрузки, А.
Далее определяют мощность, потребляемую выпрямителем от вторичной обмотки трансформатора:
PII — максимальная мощность, потребляемая от вторичной обмотки, Вт; UII — напряжение на вторичной обмотке, В; III — максимальный ток через вторичную обмотку, А.
Вычисляем мощность питающего трансформатора:
Ртр — мощность трансформатора, Вт; РII — максимальная мощность, потребляемая от вторичной обмотки трансформатора, Вт.
Если изготавливают трансформатор с несколькими вторичными обмотками, то сначала подсчитывают их суммарную мощность, а затем мощность самого трансформатора.
Расчитываем ток, протекающий через первичную обмотку трансформатора:
II — ток через обмотку I, А; Ртр — подсчитанная мощность трансформатора, Вт; UI — напряжение на первичной обмотке трансформатора (сетевое напряжение), В.
Рассчитываем необходимую площадь сечения сердечника магнитопровода:
S — сечение сердечника магнитопровода, кв.см; Ртр — мощность трансформатора, Вт.
Определяем число витков первичной (сетевой) обмотки:
WI — число витков обмотки; UI — напряжение на первичной обмотке, В; S — сечение сердечника магнитопровода, кв.см.
Определяем число витков вторичной обмотки:
WII — число витков вторичной обмотки; UII — напряжение на вторичной обмотке, В; S — сечение магнитопровода, кв.см.
Определяем диаметр провода обмоток:
D — диаметр провода, мм; I — ток через обмотку, мА.
Можно выбрать провод по готовой таблице
 ..60 | ||||||||
По полученным данным можно подбирать подходящее железо, провод и изготавливать трансформатор. Правда, нелишне сначала прикинуть, разместится ли провод на каркасе будущего трансформатора при данных Ш-образных пластинах — ведь однотипные (по ширине средней части) пластины имеют неодинаковую площадь окна. Достаточно подсчитанную ранее мощность трансформатора умножить на 50 и сравнить полученный результат (это необходимая площадь окна в кв.
мм) с измеренной площадью окна имеющихся пластин
При выборе сердечника магнитопровода следует придерживаться и еще одного правила — отношение ширины средней части сердечника к толщине набора (отношение сторон сердечника) должно быть в пределах 1…2
Трансформатор, диоды и конденсатор фильтра, разместите в корпусе подходящих габаритов. На лицевой панели корпуса укрепите выходные контакты, выключатель питания, а на задней стенке разместите держатель предохранителя с предохранителем FU1 (его ток зависит от тока через первичную обмотку трансформатора). Через отверстие в задней стенке выведите шнур питания с сетевой электровилкой.
Блоки питания Трансформаторы и выпрямители
- Изучив этот раздел, вы должны уметь:
- Описать принципы работы трансформаторов, используемых в основных источниках питания.
- • Первичное и вторичное напряжение.
- • Изоляция.
- Описать принципы выпрямления, используемые в основных источниках питания.
- • Половина волны.
- • Полная волна.
- • Мост.
Трансформатор
Рис. 1.1.1 Типовой входной трансформатор
В базовом источнике питания первичная обмотка входного силового трансформатора подключена к сети (линии). Вторичная обмотка, электромагнитно связанная, но электрически изолированная от первичной, используется для получения переменного напряжения подходящей амплитуды и после дальнейшей обработки блоком питания для управления электронной схемой, которую она должна питать.
Ступень трансформатора должна обеспечивать необходимый ток. Если используется слишком маленький трансформатор, вполне вероятно, что способность источника питания поддерживать полное выходное напряжение при полном выходном токе будет нарушена. При слишком маленьком трансформаторе потери резко возрастут, так как на трансформатор будет возложена полная нагрузка.
Поскольку трансформатор, вероятно, является наиболее дорогостоящим компонентом блока питания, необходимо уделить особое внимание соотношению затрат с вероятным потреблением тока.
Также может потребоваться предохранительное устройство, такое как плавкие предохранители для отключения трансформатора в случае перегрева, и электрическая изоляция между первичной и вторичной обмотками для обеспечения электробезопасности.
Ступень выпрямителя
Можно использовать три типа схемы выпрямителя на кремниевых диодах, каждая из которых имеет различное действие в отношении того, как входной переменный ток преобразуется в постоянный. Эти различия проиллюстрированы на рис. 1.1.2 – 1.1.6
Однополупериодный выпрямитель
Рис. 1.1.2 Однополупериодный выпрямитель
Рис. 1.1.3 Двухполупериодный выпрямитель
Рис. 1.1.4 Мостовой выпрямитель
Рис. 1.1.5 Ток Поток в положительном полупериоде
Рис. 1.1.6 Поток тока в отрицательном полупериоде
Для получения постоянного напряжения от входа переменного тока можно использовать один кремниевый выпрямительный диод, как показано на рис. 1.1.2. Эта система дешева, но подходит только для довольно нетребовательных применений.
Напряжение постоянного тока, создаваемое одним диодом, меньше, чем в других системах, что ограничивает эффективность источника питания, а количество пульсаций переменного тока, остающихся в источнике постоянного тока, обычно больше.
Однополупериодный выпрямитель проводит только половину каждого периода входной волны переменного тока, эффективно блокируя другой полупериод, оставляя выходную волну, показанную на рис. 1.1.2. Поскольку среднее значение постоянного тока одного полупериода синусоиды составляет 0,637 от пикового значения, среднее значение постоянного тока всего периода после полупериода выпрямления будет равно 0,637, деленное на 2, поскольку среднее значение каждого чередующегося полупериода, где диод не проводит, конечно будет ноль. Это дает результат:
Впик x 0,318
Это число является приблизительным, так как амплитуда полупериодов, в течение которых диод проводит, также будет уменьшена примерно на 0,6 В из-за прямого падения напряжения (или потенциала прямого соединения) кремниевого выпрямительного диода.
Это дополнительное падение напряжения может быть незначительным, когда выпрямляются большие напряжения, но в источниках питания низкого напряжения, где переменный ток от вторичной обмотки сетевого трансформатора может составлять всего несколько вольт, это падение 0,6 В на диодном переходе, возможно, придется компенсировать. для, имея немного более высокое вторичное напряжение трансформатора.
Однополупериодное выпрямление не очень эффективно для получения постоянного тока из входного переменного тока с частотой 50 Гц или 60 Гц. Кроме того, промежутки между выходными импульсами диода 50 или 60 Гц затрудняют удаление пульсаций переменного тока, оставшихся после выпрямления.
Двухполупериодное выпрямление
Если используется трансформатор со вторичной обмоткой с отводом от середины, можно использовать более эффективное двухполупериодное выпрямление. Вторичная обмотка с отводом от центра производит два противофазных выхода, как показано на рис. 1.1.3.
Если каждый из этих выходов является «полупериодным выпрямлением» одним из двух диодов, при этом каждый диод проводит через чередующиеся полупериоды, в каждом цикле возникает два импульса тока вместо одного за цикл при полупериодном выпрямлении.
Таким образом, выходная частота двухполупериодного выпрямителя вдвое превышает входную частоту. Это эффективно обеспечивает удвоенное выходное напряжение полуволновой схемы, Vpk x 0,637 вместо Vpk x 0,318, поскольку «отсутствующий» полупериод теперь выпрямляется, уменьшая потери мощности в полуволновой схеме. Более высокая выходная частота также облегчает сглаживание любых оставшихся пульсаций переменного тока.
Хотя эта двухполупериодная конструкция более эффективна, чем полуволновая, для нее требуется трансформатор с центральным отводом (и, следовательно, более дорогой).
Мостовой выпрямитель
Двухполупериодный мостовой выпрямитель использует четыре диода, расположенных по мостовой схеме, как показано на рис. 1.1.4, для обеспечения двухполупериодного выпрямления без необходимости использования трансформатора с отводом от средней точки. Дополнительным преимуществом является то, что, поскольку два диода (фактически последовательно) проводят ток в любой момент времени, диодам требуется только половина обратного напряжения пробоя, т.
е. максимальное рабочее пиковое обратное напряжение (V RWM )’ возможности диодов, используемых для однополупериодного и обычного двухполупериодного выпрямления. Мостовой выпрямитель можно построить из отдельных диодов или использовать комбинированный мостовой выпрямитель.
Пути тока на положительных и отрицательных полупериодах входной волны показаны на рис. 1.1.5 и рис. 1.1.6. Видно, что в каждом полупериоде проводят противоположные пары диодов, но ток через нагрузку остается одной полярности в течение обоих полупериодов.
Выпрямительный трансформатор – принцип работы и применение
Содержание
Выпрямительные трансформаторы отличаются от обычных силовых и распределительных трансформаторов тем, что они представляют собой специальные трансформаторы, предназначенные для промышленного применения. Выпрямительный трансформатор — это трансформатор специального назначения, который включает диоды и тиристоры в одном корпусе.
Силовые электронные схемы, преобразующие переменный ток (ac) в постоянный ток (dc), называются выпрямительными цепями.
Точно так же цепи, которые могут преобразовывать постоянный ток в переменный ток, называются инверторными цепями. Обе эти схемы считаются преобразователями.
Трансформатор, одна из обмоток которого подключена к одной из этих цепей преобразователя в качестве специального трансформатора, является выпрямительным или преобразовательным трансформатором.
Выпрямительные трансформаторы производства Siemens
На рисунке показан выпрямительный трансформатор производства Siemens, используемый на алюминиевом заводе.
Некоторые другие трансформаторы специального промышленного назначения: трансформаторы электродуговой печи (ЭДП), трансформаторы электродуговой печи постоянного тока (ЭДП постоянного тока), преобразовательные трансформаторы, линейные фидеры.
Читайте: Оборудование подстанции и его работа
Где используются выпрямительные трансформаторы?
Выпрямительные трансформаторы используются в промышленных процессах, требующих значительных источников постоянного тока.
Цепи выпрямителя используются для обеспечения сильноточного постоянного тока для электрохимических процессов, таких как производство хлора, а также производство меди и алюминия.
Сегодня существует множество приложений, требующих трансформаторов для питания выпрямителей с постоянно растущим уровнем мощности.
Классический пример дают те отрасли промышленности, которые используют процессы электролиза для производства алюминия, и высокие вторичные токи вместе с гармоническими токами, генерируемыми системами выпрямления, должны полностью учитываться при проектировании трансформаторов для питания таких нагрузок. .
Еще одним типичным применением выпрямителей являются системы электрической тяги на железных дорогах и в метро.
Они также используются в устройствах управления двигателем с регулируемой скоростью, транспортных тягах, горнодобывающей промышленности, электрических печах, лабораторных экспериментах с более высоким напряжением, высоковольтной передаче постоянного тока (HVDC), статических осадителях и т.
д. другие.
Эксплуатация выпрямительных трансформаторов
Доступны два типа выпрямителей: тиристорные выпрямители и диодные выпрямители .
В обоих случаях трансформаторы, питающие их, должны обеспечивать плавно регулируемое вторичное напряжение, которое обычно создается с помощью переключателей ответвлений под нагрузкой (РПН).
В случаях, когда диапазон вторичных напряжений высок, изменение производится с помощью регулировочного трансформатора, который может быть расположен в отдельном баке или в том же баке, что и главный трансформатор.
Выпрямительные трансформаторы могут быть погруженными в жидкость, сухими или с литой катушкой.
Сухие трансформаторы в основном использовались в классах распределительного напряжения.
Сухой и литой змеевик — ограничены напряжением и мощностью в кВА. Однако трансформаторы с жидким погружением могут быть изготовлены для всех уровней напряжения и тока.