Разработка электрической схемы блока питания

Анализ классификации блоков электропитания

Перед выполнением проектирования блока питания целесообразно рассмотреть существующую их классификацию в целях уточнения места разрабатываемого устройства среди аналогичных и выявления путей удовлетворения требований, заданных в техническом задании.

Классификация [1, 2] предусматривает следующие группы блоков электропитания питания (БЭП).

1. Нестабилизированные БЭП. Это самые распространенные трансформаторные блоки питания. Обеспечивают выходное напряжение постоянного тока. Такой блок питания обычно содержит сетевой трансформатор и выпрямитель. В нестабилизированных блоках питания выходное напряжение соответствует номинальному только при номинальном сетевом напряжении (220 В) и номинальном токе нагрузки. Эти БЭП пригодны для питания осветительных и нагревательных приборов, электромоторов и любых устройств со встроенным стабилизатором напряжения (например, большинство радиотелефонов и автоответчиков). Они имеют значительный уровень пульсаций выходного напряжения и не пригодны для питания звуковой техники (радиоприемников, плееров, музыкальных синтезаторов).

2. Стабилизированные БЭП. Обеспечивают стабилизированное выходное напряжение постоянного тока. Такой блок питания обычно содержит сетевой трансформатор, выпрямитель и стабилизатор. Выходное напряжение не зависит (или почти не зависит) от изменения сетевого напряжения (в разумных пределах) и от изменения тока нагрузки. В стабилизированных БЭП выходное напряжение будет почти одинаковым как на холостом ходу, так и при номинальной нагрузке. Кроме того, для них характерны достаточно малые пульсации напряжения переменного тока на выходе. Стабилизированный блок питания практически всегда может заменить нестабилизированный. Стабилизированные БЭП могут не иметь трансформатора.

3. Импульсные БЭП обеспечивают на выходе стабилизированное напряжение постоянного тока. Они имеют следующие преимущества по сравнению с трансформаторными (такими могут быть БЭП первых двух групп): большой коэффициент полезного действия, незначительный нагрев, малый вес и габариты, большой допустимый диапазон сетевого напряжения. Обычно имеется встроенная защита от перегрузки и замыканий на выходе. Важнейшими элементами импульсного источника питания являются ключ — устройство, способное за короткое время изменить сопротивление прохождению тока с минимального на максимальное, и наоборот, и интегратор, напряжение на котором не может измениться мгновенно, а плавно растёт по мере накопления им энергии и так же плавно падает по мере отдачи её в нагрузку. Преимущества импульсных блоков питания растут с увеличением мощности, т.е. для самой маломощной бытовой аппаратуры их применение может быть экономически не оправдано, а блоки питания мощностью от 50 Вт уже существенно дешевле в импульсном варианте. Импульсные блоки питания схемотехнически сложнее трансформаторных.

4. БЭП переменного тока (включая автотрансформаторы). Применяются для питания осветительных и нагревательных электроприборов, а также для тех бытовых приборов, которые содержат внутренний выпрямитель и стабилизатор напряжения (например многие радиотелефоны Siemens, Toshiba, ряд автоответчиков).

5. Зарядные устройства. Под зарядными понимаются устройства, предназначенные исключительно для заряда аккумуляторов различных типов. При этом аккумуляторы могут в процессе заряда располагаться как внутри зарядного устройства, так и снаружи. Однако, например, сетевые адаптеры для радиотелефонов, ноутбуков будем относить к БЭП, т.к., во-первых, аккумуляторы при этом подключаются к устройству заряда не напрямую, а через внутреннюю схему, а во-вторых, кроме заряда аккумуляторов такой блок питания, как правило, обеспечивает и работу от сети.

Исходя из назначения проектируемого блока питания, определим его место в приведенной классификации. Электропитание радиоприемников должно осуществляться при помощи стабилизированных источников постоянного тока (пп.2 и 3). Требованию по отсутствию в схеме трансформаторов удовлетворяют стабилизированные и импульсные БЭП. В [1] отмечается, что импульсные блоки питания малой мощности имеют стоимость, соизмеримую с трансформаторными источниками питания. Поэтому в данном случае проектировать БЭП импульсного класса экономически нецелесообразно.

Следовательно, в приведенной классификации разрабатываемый блок электропитания относится к бестрансформаторным, стабилизированным (п.2), и не является импульсным.

Принципиальная электрическая схема. В настоящее время используемые на практике блоки питания могут иметь как простую, так и весьма сложную схемотехнику. БЭП повышенной сложности характеризуются большим интервалом входных напряжений, защитой от перегрузки, высокой степенью стабилизации выходных напряжений. Техническое задание на разработку блока питания не содержит особо жестких требований по параметрам выходного напряжения, по защите от короткого замыкания и т.п., поэтому в данном случае целесообразно использовать наиболее простую и дешевую схему, что позволит сделать БЭП конкурентоспособным при оговоренном в задании коммерческом использовании.

Схему БЭП целесообразно строить на основе делителя напряжения, в состав которого включен элемент стабилизации [3]. Кроме того, схема должна содержать выпрямительный мост для преобразования переменного тока в постоянный. Предлагаемая схема БЭП изображена на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема

Переменный ток, поступающий в схему, проходит через конденсаторы С1 и С2, а также сопротивление R3 и поступает на выпрямительный мост, собранный по схеме Греца. Данный выпрямительный мост относится к двуполупериодным. Он состоит из двух полупроводниковых диодов, и двух стабилитронов. Мост в первом приближении преобразует синусоидальный сигнал в сигнал, являющийся его модулем. Стабилитроны обеспечивают стабилизацию выходного напряжения, устанавливая его фиксированный уровень при обратном смещении в режиме лавинного пробоя. Стабилитроны должны иметь напряжение стабилизации, равное номинальному выходному напряжению БЭП. Таким образом, входное напряжение падает на реактивном сопротивлении конденсаторов C1 и С2, резисторе R3 и выпрямительном мосте. Конденсатор С3 необходим для сглаживания пульсаций напряжения на выходе.

Конденсаторы С1 и С2 можно объединить в один, но это оказывается не выгодным, как будет показано ниже при выборе элементной базы. Это касается и резисторов R1 и R2.

Что касается сопротивлений R1 и R2, то они подключены непосредственно к источнику питания. Эти элементы не обязательно устанавливать в данную схему, но, если сетевое напряжение предварительно подается через стабилизаторы некоторых типов, то R1 и R2 необходимы для устойчивой их работы. Кроме того, они замыкают токовый контур для конденсаторов С1 и С2, на которых после отключения БЭП от питающей сети может накапливаться значительный заряд, что создает определенную опасность при касании контактов вилки. Резисторы R1 и R2 позволяют разрядить эти конденсаторы за весьма короткое время. Но это будет возможным, только если к блоку питания подключена нагрузка, поскольку сам по себе мост Греца почти полностью разрывает цепь.

В нормальном режиме работы, когда отсутствует перегрузка, стабилизированное напряжение на выходе почти не меняется при колебании сетевого напряжения в широких пределах. В случае перегрузки выходное напряжение очень быстро снижается почти до нуля и остается малым до тех пор, пока перегрузка не будет устранена.

Одной из особенностей данного блока питания является большая длительность переходных процессов, текущих в цепи при включении. Они связаны с наличием в цепи конденсатора большой (см. ниже) емкости, а также нестабильностью характеристик стабилитронов при их выходе на рабочий режим. Поэтому следует рекомендовать сначала включать в сеть блок питания, а затем, через 1…2 с — его нагрузку. Такие эксплуатационные рекомендации характерны для многих схем, используемых в качестве вторичных источников питания [3].

Выбор номиналов элементов и элементной базы. Выбор элементов из доступной элементной базы можно производить, исходя из самых различных соображений. Это могут быть требования надёжности, специфические электрические требования, экономические соображения.

Для устройств такого типа широко применяются стабилитроны Д814Б. Они достаточно дёшевы, и в точности соответствуют необходимым электрическим параметрам (напряжение стабилизации от 8 до 9,5 В, ток стабилизации до 36 мА по [4]). Кроме того, эти стабилитроны удобны с точки зрения их установки на печатную плату при монтаже в отверстия, т.к. обладают гибкими выводами.

Поскольку устройство относится к классу маломощных, то и диоды следует выбрать такими же. Подходящими являются диоды Д226А как одни из самых распространенных и соответствующих требуемым электрическим параметрам. Они отличаются низкой стоимостью и малым разбросом параметров в пределах партии [5]. Это низкочастотные диоды, эксплуатацию которых рекомендуется проводить на частотах
до 1 кГц, импульсное обратное напряжение для каждого из них составляет 400 В, что превосходит амплитуду синусоидального сетевого напряжения 310,2 В.

Выбор номиналов конденсаторов и сопротивлений производят на основании анализа схемы на переменном токе. Исходными данными для этого расчета являются режимы работы диодов и стабилитронов, выбираемые разработчиком, и описание входного сигнала. На основании этих данных рассчитывают полное добавочное сопротивление цепи. В нашем случае наиболее выгодно в качестве добавочного сопротивления использовать последовательно включенные емкость и активное сопротивление. Известно, что реактивное сопротивление не потребляет электрической мощности, но обеспечивает падение напряжения. Это позволит избежать применения мощного активного сопротивления, которое неизбежно отличалось бы повышенным тепловыделением и требовало бы установки на удалении от других элементов (вне печатной платы или на радиаторе).

Резистор R3 служит для ограничения тока, протекающего через схему в момент включения ее в сеть. В начальный момент времени, согласно законам коммутации [6], конденсаторы С1, С2 и С3 могут считаться замкнутыми накоротко. Наибольший ток при этом соответствует случаю, когда входное напряжение близко к амплитудному значению (номинальное значение около 310 В). Импульс тока будет очень кратковременным, т.к. емкости С1 и С2 быстро зарядятся до текущего требуемого уровня. Номинал R3, с одной стороны, определяет тепловые потери в схеме, т.е. влияет на ее коэффициент полезного действия, а с другой — определяет максимальный импульсный ток, который течет в проводниках схемы. Обычно для печатных плат этот ток огранивается на уровне 2...3 А, что позволяет выбрать значение R3 из стандартного ряда сопротивлений — 130 Ом.

Общая емкость, соответствующая конденсаторам С1 и С2, определяется из следующих соображений. Ток через эти конденсаторы при максимальном (амплитудном) напряжении на входе должен несколько превышать номинальный ток источника питания, который по техническому заданию равен 45 мА, чтобы обеспечивалось питание нагрузки и заряд емкости С3, которая сглаживает пульсации напряжения. Вместе с тем, номиналы емкостей должны быть таковыми, чтобы не был превышен максимальный прямой ток через диоды D1 и D2 в схеме на рис. 1. Он составляет 100 мА. Полагая значение требуемого тока равным 85 мА, можно определить требуемое полное актитвно-реактивное сопротивление емкостей С1, С2 и резистора R3 на частоте 50 Гц. Оно составляет около 3650 Ом. Далее можно найти требуемое общее реактивное сопротивление конденсаторов С1 и С2, которое составит 3540 Ом, откуда общая емкость последовательного соединения конденсаторов С1 и С2 составит около 0,9 мкФ.

Сглаживающий пульсации напряжения конденсатор С3 должен иметь емкость порядка 500 мкФ и быть электролитическим, что соответствует общим рекомендациям по проектированию источников питания постоянного тока [3]. Резисторы R1 и R2 должны обладать большим сопротивлением, чтобы практически не потреблять электрическую энергию. Поэтому рекомендуется принять R1 = R2 = 2,2 МОм.

Выберем марки резисторов и конденсаторов. Наиболее распространенными являются резисторы МЛТ разных мощностей. Для данной схемы необходимы резисторы следующих мощностей: R1 и R2 — по 0,125 Вт, R3 — 2 Вт. Конденсаторы С1 и С2 выберем марки К73-11 с номинальными параметрами 1,8 мкФ и 250 В. Они весьма дороги, однако альтернативы им практически нет, поскольку другие типы предполагают крепление на более прочную, чем печатная плата, основу при помощи винтов, что ввиду их существенно больших габаритов приведёт к увеличению размеров печатного узла.

Электролитический конденсатор С3 выберем на напряжение 25 В, марки К50-5.

Печатный узел БЭП может использоваться в составе радиоприемника или другого устройства. Поэтому не будем устанавливать на печатную плату разъем для подключения печатного узла к источнику питания и нагрузке. Это оказывается выгодным по нескольким причинам. Во-первых, отсутствие разъема упрощает топологию печатной платы и снижает стоимость её производства, а также стоимость всего печатного узла. Во-вторых, это увеличивает надёжность всего устройства.

В целях систематизации в таблицу 1 сведены типы элементов, их обозначения на схеме и электрические характеристики.

Таблица 1. Радиоэлементы, используемые в проектируемом БЭП

Обозначение в схеме на рис.1	Количество	Тип	Основные электрические характеристики
Резисторы
R1, R2		МЛТ-0,125	Сопротивление 2,2 МОм, мощность 0,125 Вт
R3		МЛТ-2,0	Сопротивление 130 Ом, мощность 2 Вт
Конденсаторы
С1, С2		К73-11	Емкость 1,8 мкФ, макс. напряжение 250 В
С3		К50-5	Емкость 500 мкФ, макс. напряжение 25 В
Диоды выпрямительные
D1, D2		Д226А	Максимальное обратное напряжение 400 В, макс. прямой ток 0,1 А.
Стабилитроны
VD1, VD2		Д814Б	Напряжение стабилизации 8…9,5 В, макс. ток стабилизации 40 мА

Дата добавления: 2015-08-31