Разработка электрической схемы блока питания

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