Методические указания по расчету ВИП

1. Выбор структуры ВИП

Чтобы обеспечить гальваническую развязку нагрузки от сети переменного тока и согласовать уровни выходного и сетевого напряжений, ВИП должен включать согласующий трансформатор. Для получения постоянного напряжения с заданными максимально допустимым коэффициентом пульсаций и максимальной нестабильностью необходимо применить выпрямитель со сглаживающим фильтром и СН.

Для выпрямителя целесообразно выбрать двухполупериодную схему выпрямителя как обладающую в два раза более высокими средним напряжением и частотой пульсаций, меньшим коэффициентом пульсаций по сравнению с однополупериодной схемой. Такой выбор позволит более эффективно использовать согласующий трансформатор и более просто решить задачу сглаживания пульсаций.

В качестве сглаживающего фильтра во всех случаях рекомендуется использовать емкостный фильтр.

Необходимый уровень стабилизации выходного напряжения достигается СН. Его работу можно оценить двумя важнейшими параметрами: коэффициентом стабилизации К_СТ = (D U_вхU)/(D U×U_вх) = dU_С /dU и коэффициентом сглаживания пульсаций К_СГ = К_Пвх / К_П,

где U_вх – номинальное напряжение на входе СН;

D U_вх = 0,01 dU_C U_вх – наибольшее изменение входного напряжения;

D U = 0,01 dU×U – наибольшее изменение выходного напряжения;

К_Пвх – коэффициент пульсаций на входе СН.

При К_СТ £ 15 целесообразно применение параметрического СН, дополненного при необходимости (когда максимальный ток через стабилитрон больше допустимого) эмиттерным повторителем. При более высоких требованиях к стабильности следует ориентироваться на ИСН, некоторые типы которых приведены в прил. 3.

2. Расчет параметров СН

Расчет сопротивления балластного резистора R_Б, необходимого входного напряжения U_вх и выбор типа стабилитрона можно вести в следующем порядке:

а) выбирают в первом приближении из справочника стабилитрон (часть типов приведена в прил. 4) по напряжению U_ст и току I_ст стабилизации. При этом должно соблюдаться U_ст» U с заданным максимальным отклонением ±15 %, а I_ст > I _max при возможно меньшем r_ст.

б) определяют предельно достижимое значение коэффициента стабилизации К_СТпр

,

где D₁ = dU / 2 – допустимое относительное уменьшение входного напряжения по сравнению с номинальным, %;

I_{ст .min} – минимальный ток стабилитрона, А (из справочника);

r_ст – дифференциальное сопротивление стабилитрона (из справочника), Ом.

Значение К_СТпр должно быть не менее чем в 1,3 раза больше требуемого К_СТ. Если это условие не соблюдается, следует выбрать другой стабилитрон или перейти к ИСН.

в) находят необходимое входное напряжение по формуле

.

г) рассчитывают сопротивление балластного резистора R_Б по формуле

,

где R_вых – выходное сопротивление выпрямителя и фильтра постоянному току, принять равное нулю.

д) определяют максимальный ток стабилитрона

.

Рассчитанное значение I_ст должно быть меньше максимального тока стабилизации выбранного стабилитрона I_{ст .max}. Если это условие не выполняется, то при заданных требованиях и выбранном стабилитроне выполнить параметрический СН нельзя и следует выбрать другой стабилитрон, добавить эмиттерный повторитель или применить ИСН.

В случае использования параметрического СН с эмиттерным повторителем расчет проводится по формулам, указанным для параметрического СН. Только токи I _max и I _min необходимо уменьшить в h _{21 э} раз, т.е. взять значения I _max/ h _{21 э} и I _min/ h _{21 э} соответственно, где h _{21 э} – коэффициент передачи тока транзистора эмиттерного повторителя (часть типов транзисторов приведена в прил. 5). Тем самым будет учтено, что нагрузкой параметрического СН является не заданная нагрузка, а эмиттерный повторитель.

В случае использования ИСН его тип и схема включения (типовая схема включения некоторых типов ИСН приведена в прил. 3) предварительно определяются по справочнику, исходя из требуемых выходного напряжения U и максимального тока нагрузки I_max. Тут же определяется и величина входного напряжения ИСН.

Далее следует проверить возможность использования выбранного СН по критерию нестабильности выходного напряжения dU, которая складывается из нестабильности dU_U, обусловленной изменением входного напряжения, нестабильности dU_I, обусловленной изменением тока нагрузки, и температурной нестабильности dU_Т:

dU=dU_U + dU_I + dU_T.

Если пренебречь внутренним сопротивлением выпрямителя, то составляющие нестабильности можно считать взаимно независимыми.

Наиболее просто они определяются для ИСН

dU_U = K_нU × D U_вх; dU_I = K_нI × D I; dU_T = a ×D T.

Здесь K_нU, K_нI, a – паспортные параметры ИСН, D I = I _max I _min– наибольшее изменение тока нагрузки, D Т = 0 К согласно заданию. Величина D U_вх находится после выбора величины входного напряжения с учетом заданного отклонения напряжения первичного источника.

Расчет первых двух нестабильностей параметрического СН ведется по формулам

D U_U = D U_вх × r_ст / R_Б; D U_I = r_ст × D I.

Для параметрического СН с дополнительным эмиттерным повторителем нестабильность D U_U определяется так же, как и без эмиттерного повторителя, а токовая нестабильность напряжения определяется выражением

D U_I = r_ст × D I / h_21Э + U_T ln(I _max / I _min).

Здесь h_21Э – минимальное значение параметра для выбранного типа транзистора, U_T = 26 мВ – термоэлектрический потенциал при нормальной температуре. Температурной нестабильностью параметрического СН согласно заданию можно пренебречь.

Очевидно, расчетное значение dU не должно превосходить требуемое, в противном случае выбирают другой стабилитрон, транзистор или ИСН.

3) Выбор элементов выпрямителя и сглаживающего фильтра.

Эта часть задания предполагает расчет емкости сглаживающего фильтра и выбор типа выпрямительных диодов или блока.

Вначале по заданному параметру K_П и найденному коэффициенту сглаживания K_СГ выбранного СН следует определить допустимый уровень пульсаций входного напряжения СН К_Пвх.

Для параметрического СН

.

Для ИСН К_СГ является справочным параметром и выражается в децибелах. Для его перевода в безразмерный коэффициент можно воспользоваться формулой .

Допустимый уровень К_Пвх = К_П × К_СГ. Емкость конденсатора фильтра С рассчитывают по формуле

,

где I_П – ток потребления СН, является справочным параметром для ИСН и в случае параметрического стабилизатора равен максимальному току через стабилитрон I_П = I_ст;

f_П – частота пульсаций выпрямленного напряжения, для двухполупериодного выпрямителя f_П = 2 f_C ;

– минимальное мгновенное значение напря­же­ние на входе СН.

Промышленность выпускает резисторы и конденсаторы с номиналами согласно стандартным рядам. Поэтому конденсатор сглаживающего фильтра окончательно выбирается одного из полярных типов с номинальной емкостью, соответствующей стандартному ряду Е6, принимая ее в сторону большей емкости. Стандартный ряд Е6 приведен в прил. 7.

Если К_Пвх окажется больше 10 %, то емкость конденсатора фильтра C рассчитывают по допустимому уровню пульсаций 10 % (принимают К_Пвх = 10 %).

Очевидно, что за расчетный ток нагрузки выпрямителя следует принять сумму тока I _max и тока потребления СН I_П.

Напряжение вторичной обмотки трансформатора U ₂ определяется исходя из напряжения на входе СН U_вх с учетом коэффициента пульсаций К_Пвх и падения напряжения на n диодах выпрямителя (для мостовой схемы выпрямителя n = 2) в прямом направлении U_пр.ср (справочный параметр):

.

Расчет согласующего трансформатора достаточно свести к определению требуемого коэффициента трансформации К ₁₂ = U_C / U₂.

Диоды, некоторые типы которых приведены в прил. 4, выбирают по среднему значению тока, соответствующему максимальному току нагрузки выпрямителя, и по обратному напряжению, зависящему от выбранного значения напряжения на входе СН с учетом его пульсаций и отклонения напряжения сети. При этом необходимо также учитывать частотные свойства диодов.

Минимальное обратное напряжение для диодов мостового выпрямителя

.

Максимальное значение среднего тока через диод двухполупериодного выпрямителя

I_ср = (I _max + I_П) / 2.

Максимальная частота тока через диод

f_m ³ f_П .