Радиолюбительские расчеты. Формулы. Программы. Поиск, трата нервов по поводу отсутствия необходимого. Снова поиск. А может проще сделать расчет самому? Ведь практически на каждом компьютере установлен EXCEL, а это универсальный и очень мощный калькулятор и этому калькулятору практически все расчеты, которые могут потребоваться радиолюбителю словно семечки – она рассчитан на гораздо большие и значительно сложные вычисления.
Однако перед тем, чтобы читать статью дальше имеет смысл ознакомится со схемой блока питания на IR2153, чтобы иметь представление о чем собственно идет речь.
Начнем с тех формул, которыми я пользуюсь чаще всего именно сегодня, а именно расчеты связанные с блоками питания.
Поскольку мотаю жгутами из сложенным вместе проводов не большого диаметра, то было бы не плохо знать какой жгут при каких токах начинает греться.
Итак, что нам известно в первоначальный момент времени? Диаметр одного проводника. Для красоты отступив одну строчку во второй ячейке пишем ДИАМЕТР, рядом пишем КОЛ-ВО, здесь мы будем указывать количество проводов. Отступив еще на одну колонку вправо пишем НАПРЯЖЕННОСТЬ. Здесь будет значение тока на 1 квадратный миллиметр сечение проводника. Этот же параметр называют ПЛОТНОСТЬ ТОКА. Еще одна колонка вправо и пишем СЕЧЕНИЕ. В этой ячейке будет располагаться промежуточный результат, а рядом пишем ТОК – здесь будет значение тока.
По идее данных значений уже достаточно, однако я решил выпендринутся и ввожу дополнительные значения, а именно возвращаюсь до ячейки НАПРЯЖЕННОСТЬ и нажимаю ВСТАВКА и выбираю пункт СТОЛБЦЫ. Слева у меня появляется пустой столбец и в пустой ячейки я пишу ДЛИНА. В этом столбце я буду указывать длину жгута для выяснения его сопротивления и падения напряжения в нем. Для не очень мощных преобразователей это особой роли не играет, а вот для мощный блоков питания и сварочников если есть возможность уменьшить значение этого сопротивления, то было бы глупо этой возможностью не воспользоваться.
Однако у нас видны не все надписи, поскольку разная длин слов, поэтому прежде чем продолжить произведем небольшое форматирование документа. Выделяем колонки с текстом, не ячейки, а именно колонки и водя курсором по границе колонок ловим момент появления палочки со стрелочками. Как только это произошло нажимаем левую кнопку мыши и тянем курсор по появления всех слов в наших колонках. Затем нажимаем кнопку ВЫРОВНЯТЬ ПО ЦЕНТРУ и убираем выделение.
Итак, заголовки у нас готовы, начинаем заполнять значения.
У меня на сегодня есть катушка провода диаметром 0,38 мм, я и пишу в ячейке ниже ДИАМЕТРА0,38. В колонке КОЛ-ВО пока напишем 10, мол для разминки возьмем 10 проводин. В следующем столбце пишем пока 1 метр, точнее просто единицу. Дальше НАПРЯЖЕННОСТЬ. Рекомендуемые значения от 2 ампер на квадратный миллиметр для трансформаторов на Ш-образном железе и плотной намоткой до 6 ампер для импульсников в принудительным обдувом трансформатора или интегрированным в трансформатор теплоотводом. Пока ставим 2. Следующая ячейка у нас уже расчетная. В ней будет суммарное сечение всего жгута, т.е. сумма всех сечений проводников в жгуте. Для ее вычисления используем формулу вычисления площади круга, поскольку мой обмоточный провод имеет круглое сечение. Формула площади круга выглядит так: S = r х R x R, ну типа это R в квадрате. И кстати сказать это значение еще нужно умножить на количество проводов в жгуте.
Для этого находясь в ячейке под словом СЕЧЕНИЕ нажимаем кнопку ФУНКЦИЯ и для начала вставляем в ячейку число ПИ. Затем переходим в строку прямого ввода и добавляем необходимые значения и математические действия, не забывая, что у нас диаметр провода, а для вычисления площади нужен радиус. Значения вводить можно набирая имена ячеек с клаиватуры, либо указывая на ячейки курсором.
Как только все готово нажимаем на клавиатуре ENTER и получаем сечение нашего жгута. Ставим курсор на ячейку под словом ТОК и нажав на клавиатуре знак равенства вводим умножение ячейки E2 на ячейку D2. Получаем максимальное значение тока данного жгута при напряженности в 2 ампера на квадратный миллиметр.
Теперь пришла пора пояснить зачем была нужна ДЛИНА жгута. У меди, как у любого проводника есть сопротивление, которое зависит от удельного сопротивления, это чисто физическая величина, у и конечно же учитывается сечение и длина проводника. У меди при одном метре длины и сечении 1 квадратный миллиметр сопротивление составляет 0,017 с хвостом, округляем хвост в положительную сторону и получаем 0,018 Ом. Для выяснения сопротивления нашего жгута длину нашего жгута умножаем на удельное сопротивление и делим на имеющееся сечение. Разумеется, что в заголовке столбца пишем СОПРОТ. Можно ширину столбца немного раздвинуть.
Так, теперь у нас есть и максимальный ток и сопротивление. Остается выяснить сколько вольт будет падать на данном жгуте и сколько тепла этот жгут будет выделять, а для этого воспользуемся законом Ома, естественно заполнив столбцы наименований параметров.
Напряжение это у нас произведение тока на сопротивление: U = I x R
а мощность у нас это произведение напряжения на ток: P = U x I
Разумеется, что мы помним, что это формулы для постоянного тока, однако у нас расчет импульсного блока питания, в который подаются прямоугольные импульсы и при не больших паузах между импульсами действующее значение токов и напряжений уже начинает приближаться с действующему значению постоянного тока. Естественно, что в реальности будет все равно меньше – скажется и линейное увеличения тока, однако данный расчет дает хоть примерное представление о том, что происходит с проводником и почему в некоторых случаях можно использовать провод потоньше, а в некоторых сечение проводника действительно становится принципиальным, ведь кажущаяся мощность безумно мала, однако сделаем поправку на то, что витки уложены рядом и в финале выделяемое тепло трансформатора суммарно состоит из выделяемого тепла каждого витка. В реальности все таки немного меньше и чтобы сильно не углубляться в теплотехнику просто введем коэффициент 0,7 и умножим его на количество витков и выделяемую каждым витком тепловую мощность.
Для вычислений нам не хватает данных, а именно количество витков. Вводим еще один столбец перед столбцом СЕЧЕНИЕ через меню ВСТАВКА. Таблица раздвинулась, но формулы и расчеты у нас сохранились. Теперь в новом столбце пишем ВИТКИ, ниже для примера 10, переходим на последнюю колонку и пишем ТЕПЛО и здесь уже вставляем формулу, умножающую количество витков на выделяемую мощность не забыв умножить на коэффициент 0,7. В итоге выделяемое тепло трансформатором выглядит не так уж и безобидно,
Eсли же увеличить напряженность в проводнике, то цифра становится еще интересней. А ведь это только одна обмотка и всего то десять витков… Это много или мало, 5 Вт тепла, которые выделяет обмотка?
Если три обмотки будут выделять по 5 Вт тепла, то в итоге получится 15 Вт, т.е. это как будто вокруг серденика намотан паяльник мощностью 15 Вт. Разумеется разогреться до температуры пралвения припоя не получится, однак это и не надо - 120-140°С это температура разрушения изоляционного лака на обмоточном проводе. Хронический нагрев до 90-100°С вызывает старение лака и через год-два он просто осыпется, вызвав все тот же бабах. Точно уже не помню, но где то читал, что выделяемая обмоткой тепловая мощность не должна превышать 3-5% от максимальной мощности трансформатора. Разумеется, что при плохом охлаждении нужно стараться это тепло сводить к минимуму.
Ну теперь осталось таблицу немного разукрасить, а именно подкрасить те ячейки в которые вводятся данные, чтобы случайно не снести расчетные формулы, ну можно еще и в рамочки взять для большей красавости. Для этого используется выделение ячеек и в зависимости от необходимости выполняется заливка ячейки цветом, изменение шрифта и т.д. Так же через выделение ячеек производится обрамление их в рамки, через щелчок правой кнопокой мыши и выбора в контекстном меню пункта ФОРМАТИРОВАНИЕ и далее вкладыш ГРАНИЦА.
Осталось сохранить данный документ и перейти к следующим расчетам.
РАСЧЕТ ПАРЕМЕТРОВ ИМПУЛЬСНОГО БЛОКА ПИТАНИЯ НА IR2153 - IR2155
Следующими расчетами мы посчитаем какие транзисторы можно использовать в преобразователях напряжения на IR2153, а какие нет. Для этого опустимся на три-четыре строчки ниже, т.е. перейдем в ячейку A7 и в ячейке пишем IR2153. Поскольку IR2155 имеет такую же схему включения, но немного другие параметры опускаемся ниже и пишем IR2155. Данные расчеты позволят выяснить какие транзисторы и при каких сопротивлениях в затворах можно использовать в импульсных блоках питания, построенных с использованием IR2153 или IR2155.
Переходим на заголовок первой колонки со значениями и пишем Ion – это ток открытия, который микросхема может отдать силовому транзистору без ущерба для себя. В следующей колонке пишем Ioff – это ток закрытия. В следующем столбце ton – время открытия транзистора, который подает на затвор силового транзистора напряжение. Дальше toff – это время открытия транзистора, который закрывает силовой полевик. Дальше пишем напряжение питания Ucc микросхемы и следом Dt – время пауз между импульсами. Эти значения берутся из даташника на микросхемы. В следующей колонке пишем Rg – сопротивление в затворах силовых транзисторов и в следующей колонке пишем энергию, запасенную в затворе силового полевика Qg. Эта информация уже берется из даташника самого транзистора.
Открываем даташники на IR2153 и IR2155 и наступаем на грабельки – максимальный ток указан только в даташнике на IR2155, а этот параметр является ключевым.
И опыт – сын ошибок трудных…
Лезем еще по базам даташников и находим искомое – IR2153 с указанными параметрами токов. Хорошо! Но радость была не долгой – ниже, в таблице этот параметр не дублируется, а должен, поскольку является основным. Значится данные не достоверны. В этом случае включаем логику и собственный опыт, если есть у кого желание – пепероверяйте.
Итак, линейка данных драйверов состоит из нескольких серий и подвидов. Самая слабая из них IR2151, смотрим даташник на нее – токи указаны. Для надежности можно использовать этот параметр, однако хочется немного больше, поэтому вспоминаем проверку STP20NK60. IR2155 их ключевала уверенно и оставалась холодной, а вот IR2153 позволила возникнуть небольшому сквозному току и сама нагрелась. Вывод довольно прост – указанная в найденном даташнике информация не является достоверной – разница по токам между микросхемами мала, а в реальности может закончится потерей и микросхемы и транзисторов.
Вывод напрашивается сам – данные параметры тока для IR2153 являются чем то средним между IR2151 и IR2155. Идем банальным средне-арифметическим путем – складываем значения и делим на два. Получаем ток открытия равным (100 + 210) / 2 = 155 мА на открытие, округляем до 150 для запаса. Тоже самое проделываем с током закрытия силового полевика (210 + 420) / 2 = 315 мА, округляем до 310 мА.
Понятно, что данные приблизительные, но в любом случае они лучше, чем их полное отсутствие.
Заполняем таблицу теми данными, которые у нас есть. Ток пишем в амперах, а вот время… Время будем писать в наносекундах – так будет легче считать, поскольку не придется переводить туда-сюда кучу нулей после запятой. Итак пишем время в наносекундах, причем в даташнике указано типовое и максимальное значение. Мы берем максимальное, поскольку оно гарантировано. Напряжение питания берем равным пятнадцати вольтам, поскольку я использую дублирующие стабилитроны на пятнадцать вольт. Если без них, тогда ставим пятнадцать и шесть десятых вольта – это напряжение внутреннего стабилитрона Ирок. Время пауз у нас по даташнику одна целая и две десятых микросекунды, т.е. 1200 наносекунд, однако есть еще сноска, что оно может быть меньше. Пока ставим 1200, а дальше уже возможно подкорректируем. Сопротивление в затворах пока поставим по сорок семь Ом. Энергию затвора подсмотрим пока у ходового IRF740, в максимальном случае она составляет 43 наноКулона. Вот как раз и появилась причина почему используя НАНО будет легче считать – все значения мы привели к одному десятичному значению. Табличка заполнена тем, что мы знаем, теперь собственно начинаем вычислять то, что нам нужно.
Вычисления и их обоснования основаны по сути на не сложных законах и логических рассуждениях, поэтому прошу внимательно следить за ходом моих мыслей.
У нас есть напряжение питания микросхемы и есть максимальный ток, который микросхема может развить не отбросив концы. Из этих величин не трудно вычислить какое минимальное внутреннее сопротивление имеет транзистор драйвера. Нам эта величина потребуется для вычисления времени открытия закрытия. Подписываем колонки как Ron и Roff. В первом случае у нас ток составляет 0,15 ампера и при питании внутреннее сопротивление будет не менее Ron = U / I = 15 / 0,15 = 100 Ом, а Roff = 15 / 0,31 = 48,4 Ома.
Дальше вычисляем суммарное сопротивление, которое будет стоять между затвором силового транзистора и напряжением питания, а это сопротивление складывается из внутреннего сопротивления открытого транзистора драйвера к которому добавляется сопротивление резистора в затворе силового транзистора. Однако производя вычисления мы начинаем уходить сильно в право. Можно конечно подвигать полосу прокрутки внизу, но это будет не очень удобно, когда половина вычислений будет не видно. Поэтому редактируем названия колонок и редактируем формулы в них добавляя математическое прибавление значения резистора в затворе силового транзистора.
Теперь у нас есть суммарное сопротивление открытых транзисторов драйвера и мы можем выяснить какой ток будет протекать через драйвер, если он будет работать на короткое замыкание, а ведь так оно и есть в момент переключения – емкость затвора нужно либо зарядить, либо разрядить.
У нас уже суммарное сопротивление вычислено, а для получения значения тока необходимо разделить напряжение на сопротивление. Чтобы не захламлять таблицу снова переписываем заголовки наших колонок на ток открытия и ток закрытия. Итак мы получили реальный ток, который будет протекать через транзисторы драйверного каскада. В принципе данные значение лучше видеть глазами, поэтому перемещаемся в следующую пару колонок, а перед этим клонируем получившиеся расчеты на строку ниже - для IR2155 расчет проивзодится точно так же, а при прямом копировании ячеек в формулах происходит автозамена значений.
Теперь нам нужно вычислить время за которое затвор силового транзистора перейдет из одного состояния в другое, а для этого энергию запасенную в затворе необходимо разделить на ток заряда или разряда. Для этого и используем следующие две колонки назвав их Ton и Toff. Однако транзисторы драйвера открываются не мгновенно, поэтому к данным значениям плюсуем время открытия и закрытия транзисторов драйвера. Название колонок пока можно оставить тем же – это время хоть так, хоть так.
Теперь осталось произвести всего одно действие – сложить время открытия и время закрытия силового транзистора, для того, чтобы узнать реальное время коммутации. Мы вроде не хотели вылазить за видимые границы листа, поэтому это действие произведем в Ton исправив название на Tk, т.е. время коммутации. Для правильного сложения значений вторую формулу мы копируем из строки редактирования в буфер (Ctrl C), затем перейдем в редактирование первой формулы, возьмем вычисления в скобки, поставив знак ПЛЮС, открываем скобки, вставляем содержимое буфера (Ctrl V), закрываем скобки.
Время переключения силовых транзисторов мы получили, теперь осталось его сравнить с временем пауз – Диад-тайм. Если полученный результат меньше времени пауз, то данный силовой транзистор можно использовать с этой микросхемой и этими номиналами резисторов в затворах. Если время переключения больше, то силовые транзисторы не будут успевать закрываться до того, как откроется второй транзистор пары и возникнет сквозной ток. Это лишнее потребление, лишний нагрев транзисторов, а если величина сквозного тока будет достаточной, то и выход из строя силовых транзисторов гарантирован. Ирка кстати в этом варианте тоже умирает.
Разумеется, что сравнивать можно и глазками, однако у нас осталась одна колонка в видимой части страницы, в которой еще остались формулы. Вот ее мы и используем – заставим наш листок выполнять логические действия и выдавать нам удобочитаемый текст. Для этого отредактируем название колонки, написав РАЗРЕШЕНИЕ, а поставив курсор ниже на ячейку очищаем ее нажав Delete. Теперь нажимаем кнопку ФОРМУЛЫ, выбираем ЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ и выбираем пункт ЕСЛИ.
Теперь в появившемся окне редактирования необходимо указать что делать. Для начала нужно сравнить получившийся результат с временем пауз. Если он меньше, тогда можно все использовать. Поэтому наводим курсор на ячейку, где указано время паузы и нажимаем левую кнопку мыши. Затем перейдя на английскую раскладку нажимаем значек БОЛЬШЕ и наводим курсор на расчетное время и снова жмем левую кнопку мыши. Условия готовы, теперь нужно обозначить действия. Пусть будет написание текста. Переводим курсор в строку ЕСЛИ ИСТИНА открыв кавычки большими буквами пишем МОЖНО, закрываем кавычки. Переходим в строку ЕСЛИ ЛОЖЬ и открыв кавычки пишем НЕЛЬЗЯ, закрываем кавычки. Теперь если время пауз будет больше времени коммутации силового транзистора у нас появится текстовое сообщение МОЖНО, если время пауз меньше, чем время переключения транзистора появится вывеска НЕЛЬЗЯ. Нажимаем кнопку ОК и проверяем изменив сопротивление в затворах ну например на 220 Ом.
Теперь осталось выделить ячейки цветом, чтобы не забуриться в формулы и не повредить их. Клонировать последние ячейки для IR2155, ну и не много раздвинув последнюю ячейку добавить ей значимости изменив цвет и шрифт. Подпишем табличку ДРАЙВЕР IR2153-IR2155.
Однако у нас остался без внимания один факт – в даташниках все таки упоминается, что время пауз может быть меньше типового значения, поэтому имеет смысл его уменьшить до 1000 наносекунд и первое включение устройства все равно производить через токоограничивающий резистор, типа лампы накаливания.
РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ БЛОКА ПИТАНИЯ НА IR2110
От IR2155 эта микросхема отличается некоторыми параметрами. Прежде всего у нее ток гораздо больше – до двух ампер и на открытие и на закрытие. Транзисторы драйвера открываются немного с другой скоростью, но самое главное – у нее нет фиксированного времени пауз, поскольку оно зависит от управляющих импульсов приходящих с контроллера. А тут вариантов довольно много. Например для TL494 время пауз равно 5% от длительности полного периода, а у SG3525 время пауз зависит от номинала выносного резистора, да еще и с привязкой к частотозадающему конденсатору.
Лично я использую TL494, поэтому расчет буду делать для нее. Поклонники других контроллеров могут внести в расчеты поправки для своих любимчиков, надеюсь будет понятно что и откуда будет браться.
Для начала скопируем табличку расчетов IR2153 и вставим ее на пару строчек ниже. Чтобы ни чего не мешало удаляем строку для IR2155 и убираем границы. Затем редактируем значение токов и времени открытия транзисторов драйвера, воспользовавшись даташником на IR2110.
Основной расчет в принципе точно такой же, только время пауз при использовании TL494 напрямую зависит от частоты преобразования. Для получения этого времени нужно ввести ячейку, в которой будет указано значение частоты, а ячейку с временем пауз перемести в область формул.
Для этого выделяем ячейки от ячейки РАЗРЕШНИЕ до значения Ion и подведя курсор к черной рамке вокруг ячеек нажимаем левую кнопку мыши и удерживая ее перемещаем ячейки на одну колонку в право. Затем выделяем ячейки с надпись Dt и значением этого деадтайма и точно так же перетаскиваем обе ячейки на освободившееся место. Тут следует обратить внимание на то, что подобные перемещения не вызываю обвал формул, поскольку перемещается сама ячейка и ее содержимое. Если бы мы производили перестановку через функцию копировать-вставить ячейку формулы бы рухнули, поскольку происходила автозамена содержимого формул.
Теперь у нас свободна одна колонка в средине таблички. В наименовании пишем ЧАСТОТА, ставим запятую и добавляем, что это будут килогерцы. Ниже пишем значение этой самой частоты преобразования, ну пусть будет 40. Переходим в ячейку с указанным временем пауз и нажимаем Delete – ячейка очистилась. Теперь нужно положить сюда формулу, которая вычислит время паузы исходя из частоты преобразования и того, что контроллер формирует паузу длительностью 5% от длительности периода. Значит нам нужно узнать для начала длительность периода, а эта величина равна единице деленной на частоту. Значит нажимаем РАВНО и в строке редактирования формулы пишем ЕДИНИЦА делить. Тут необходимо открыть скобку, поскольку перед тем как делить нам нужно указанное количество килогерц перевести в эти самые килогерцы, т.е. умножить на тысячу. Указываем курсором на ячейку с частотой, нажимаем УМНОЖИТЬ и с клавиатуры вводит единицу с тремя нулями. Скобку закрываем. Для вычисления времени в 5% необходимо всю эту формулу умножить на пять сотых, а чтобы результат привести к десятичному виду нашей таблицы, т.е. чтобы мы видели цифру в наносекундах придется все это умножить на единицу с девятью нулями. Нажимаем ЭНТЕР и смотрим что получилось. У меня получилось одна тысяча двести пятьдесят наносекунд – это и есть пять процетов от периода при частоте в сорок килогерц.
Теперь форматируем таблицу подкрасив ячейку с частотой и установив в ней размер шрифта такой же как у остальных ячеек и удаляем подкраску ячейки с временем пауз, берем все в рамочки, в заголовке пишем, что это TL494 + IR2110.
Теперь можно немного поиграться вводя различные значения энергии затворов силовых транзисторов, ну например IRFP460 и посмотреть до какой частоты и при каких номиналах резисторов в затворах можно разгонять преобразователь. Тут небольшой совет – не гонитесь за большими частотами и не допускайте ток через драйвер выше одного - одного и двух десятых ампера. Приближение параметров к максимальным снижает надежность, поскольку не остается запаса на не предвиденные ситуации.
Лично меня интересует, а сможет ли IR2110 управлять двумя, включенными в параллель транзисторами STW45NM60, поскольку есть желание замутить Адский аппарат. Для начала я ставлю частоту 30 кГц, затем резистор в затвор равный 15 Омам, максимальная энергия затвора равна 134 нанокулонам, ставим 140. Смотрим время переключения – запас по времени больше чем в два раза, поэтому увеличиваем резистор до 22 Ом. Запас все равно весьма приличный и по времени по току. Теперь уменьшаем сопротивление в затворе в два раза и смотрим только ток, протекающий через драйвер – он не выходит за пределы одного ампера, следовательно и микросхема будет нагружена не сильно и времени переключения вполне хватит. Проверяем только ток потому что время переключения у нас сохранится – транзисторов два, но каждый переключается за время вычисленное до этого, следовательно на время переключения сейчас смотреть смысла не имеет.
РЕАКТИВНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ КОНДЕНСАТОРА И ДРОССЕЛЯ
Реактивное сопротивление конденсатора с повышением частоты уменьшается, поскольку чем больше частота, тем меньше требуется энергии для того, чтобы начать заряжать конденсатор и тем меньше требуется энергии для того, чтобы его перезаряжать при смене полярности. Формула расчет реактивного сопротивления конденсатора состоит из Xc, обозначающего собственно само сопротивление и оно равно единице деленной на произведение двойки, числа ПИ, частоты в герцах и емкости конденсатора.
Что нам известно? Практически все, но редактировать мы будем только емкость и частоту, поэтому в ячейках пишем C – здесь будет емкость, рядом в колонке пишем F – здесь будем указывать частоту. В следующей колонке пишем Xc – здесь будет формула, демонстрирующая результаты расчетов.
Опускаемся на строку ниже и возвращаемся под ячейку с надписью С. Емкость. Емкость у нас обычно идет в микрофарадах, нанофарадах и пикофарадах. Однако нас прежде всего интересует сопротивление конденсатора, который стоит в качестве развязывающего по постоянному току в полумостовых преобразователях, поскольку если преобразователь не имеет стабилизации, то падение напряжения на этом реактивном сопротивлении будет влиять на величину выходного напряжения, меняющегося от изменения нагрузки. В качестве развязывающего конденсатора обычно используют пленку на несколько микрофарад, поэтому значения в нашей таблице мы будем вводить в микрофарадах.
Предвижу вопрос о том, что частенько второй вывод трансформатора полумостового преобразователя соединяют с точкой соединения двух последовательных электролитов. А кто ни будь задавался вопросом для чего это делается? Подобным образом электролиты соединяются для возможности без каких либо усилий производить переход блока питания с сетевого напряжения 220 вольт на сетевое напряжение 110 вольт и подобные варианты больше всего распространены в компьютерных блоках питания, поскольку последние выпускается даже не серийно и не массово, а просто в огромных количествах и поставляются в различные страны, где сетевое напряжения может быть либо 110-127, чтоб для блока питания не принципиально, или 220-230, что так же не принципиально – излишки питающего напряжения компенсируются ШИМ стабилизацией выходного напряжения.
Однако лично у меня нет ни малейшего желания юзать свои блоки при напряжении питания 110 вольт, а покупать электролиты на 160 вольт еще и дороже обходится – продавцы прекрасно знают, что эти емкости используются в компьютерных блоках питания и для ремонта последнего покупатель готов отдать денег гораздо больше реальной стоимости конденсатора.
Другой вопрос – а имеет ли смысл подключать вывод силового трансформатора в точку соединения двух пленочных конденсаторов, включенных точно так же, как электролиты? Разумеется имеет. Электролит хорошо фильтрует только низкочастотную составляющую, т.е. он эффективен при сглаживании пульсаций сетевого напряжения, однако на больших частотах он уже со своей задачей практически не справляется и электролит на 1000 мкФ на частоте 20000 кГц уже ведет себя как емкость на пару микрофарад. Пленочные конденсаторы на больших частотах ведут себя более адекватно и сохраняют свою эффективность. Используя последовательное соединение и включение между шинами питания мы получаем емкость по питанию, реагирующую на импульсные помехи именно по питанию, а подключая в точку соединения этих конденсаторов обмотку силового трансформатора мы получаем уменьшение реактивного сопротивления, поскольку для переменного напряжения эти конденсаторы получаются параллельными, т.е. при смене полярности на обмотке трансформатора придется перезаряжать и верхний и нижний трансформаторы.
Ну мы отвлеклись от нашей таблицы. В общем емкость будем писать в микрофарадах, следовательно нужно не забыть в формуле произвести дополнительное умножение. Сейчас пока пишем 1, т.е. емкость равна одному микрофараду. Частоту будем писать в килогерцах, для большей наглядности, следовательно придется и тут произвести дополнительное умножение. Пока пишем 10 – это десять килогерц.
Переходим в ячейку под надписью Xc и нажимаем кнопку ФУНКЦИЯ. Для начала выберем число ПИ, причем у нас загорелось в меню 10 НЕ ДАВНО ИСПОЛЬЗОВАВШИХСЯ – удобная функция запоминания того, что мы делали. Выбираем число ПИ и нажимаем ОК. Дальше переходим в строку редактирования формул и производим умножения. Для начала умножаем на ДВА, затем мышей указываем на ячейку с емкостью конденсатора, затем ставим еще один знак умножения и указываем на ячейку с частотой. Теперь нужно ввести дополнительные множители для емкости и частоты. Поэтому открываем скобку перед именем ячейки с емкостью, после нее ставим знак деления, поскольку множитель у нас после запятой и набираем единичку с шестью нулями – переводим наше число в МИКРО. Закрываем скобку. Перемещаем курсор до ячейки с частотой, снова открываем скобку, за ячейкой с частотой ставим знак умножения и пишем единичку с тремя нулями – переводим число в категорию КИЛО. Закрываем скобку и теперь осталось единицу разделить на все это произведение. Для этого перегоняем курсор до знака РАВНО, ставим единицу и знак деления, после которого открываем скобку. Затем перегоняем курсор в самый конец формулы и закрываем скобку.
Я намеренно не сокращал нули вводя приставки МИКРО и КИЛО в формулы. Если бы считал вручную, то для облегчения расчетов я бы это сделал, однако считать будет комп – он гораздо быстрей меня, а во время сокращения нулей можно ошибится и тогда все расчеты будут просто филькиной грамотой.
Нажимаем Enter и смотрим что наполучалось. Один микрофарад на частоте десть килогерц имеет реактивное сопротивление равной почти шестнадцати Омам. Теперь увеличим емкость до двух микрофарад, будто у нас в преобразователе два кондера по одному микрофараду – сопротивление упало в 2 раза. Однако на частотах в десять килогерц уже давно ни кто ни чего не преобразует, поэтому уходим на тридцать килогерц. Два и шесть Ома для маломощного БП не много. Хотя термин НЕ МНОГО как то звучит довольно размыто. Поэтому выделяем наши ячейки с результатами расчетов на одну колонку в право и напишем заголовок МОЩНОСТЬ БП, поставим пока 100, мол это 100 Ватт. При 100 Вт мощности через первичку полумостового преобразователя протекает грубо говоря 100 Вт / 155 В = 0,645 А. На сопротивлении в 2,65 Ома будет падать U = 2,65 х 0,645 = 1,7 В.
Изменение вторичного питания на 5% не считается критическим, поэтому от этой цифры и будем танцевать, поскольку получившиеся 1,7 вольта падения напряжения в первичной обмотке спровоцируют пропорциональное уменьшение выходного напряжения, то нужно вычислить 1,7 вольта меньше или больше пяти процентов от первичного напряжения. Для этого вычисляем пять процентов от 155, умножив на 0,05 и получаем 7,75, а это больше 1,7-х вольт, которые у нас падают на конденсаторах в 2 микрофарада. Значит мы укладываемся в допуски.
Однако было бы полезно, чтобы все это рассчитывалось не на калькуляторе, а в нашем расчетнике. Поэтому после колонки с Xc пишем РАЗРЕШЕНИЕ и опустившись на ячейку ниже начинаем колдовать с формулой.
Но тут пожалуй одной ячейки может не хватить для составления безошибочной формулы, поэтому для начала в одной ячейке мы вычислим падение напряжения. Напоминаю, что речь идет о полумостовых преобразователях в напряжением питания непосредственно от сети 220 вольт, поэтому напряжение, прилагаемое к трансформатору будет равно половине амплитудного значения переменного синусоидального напряжения 220 вольт.
Итак опускаемся на пару строк ниже и нажимаем равно. Мышей указываем ячейку с мощностью, затем ставим знак деления и пишем 155, нажимаем Enter, это у нас протекающий ток. Нам нужно выяснить падение. Возвращаемся в ячейку и войдя в строку прямого ввода сразу после знака РАВНО ставим курсор и мышей указываем на ячейку с получившимся сопротивлением, ставим знак умножения и чтобы не запутаться открываем скобку, которую закроем в самом конце формулы. При таком составлении формул просто труднее ошибиться, а скорости машины в любом случае хватит на решение всех этих скобок, так не надо на этот счет переживать. В итоге мы получили падение напряжения. Теперь нам нужно вычислить 5% от 155, делаем это в соседней ячейке. Нажимаем равно и пишем 155*0,05, нажимаем Enter.
Разумеется, что можно использовать готовый результат расчетов – число 7,75, но у меня есть еще один план – я ввиду значение переменного напряжения в данный расчетник. Для этого я опять отодвигаю формулу с реактивным сопротивлением на одну колонку в право и на освободившемся месте пишу НАПРЯЖЕНИЕ СЕТИ.
И теперь у меня есть возможность привязать расчет к реальному напряжению сети. Но теперь придется отредактировать формулы, где упоминается половина напряжения первичного питания, а именно 155 вольт. Для редактирования снова заходим в строку прямого ввода и выделяем число 155 удерживая левую кнопку мыши и ведя курсор до последней цифры числа. Теперь с клавиатуры вводим открытие и закрытие скобок, возвращаем курсор, установив его между скобками и теперь мышей указываем на напряжение питания, а затем с клавиатуры набираем знак умножения, пишем 1,414 – вычисляем амплитудное значение напряжения, затем знак деления, после которого ставив двоечку – ведь к обмотке трансформатора прилагается половина напряжения. Нажимаем Enter – результат может измениться только в тысячных долях, поскольку в теперешнем виде расчет идет с использованием тысячных значений после запятой.
Теперь снова заходи в строку редактирования этой же формулы и выделяем расчет напряжения первичной обмотки, нажимаем Ctrl C – копируем кусок формулы в буфер обмена, нажимаем Enter, чтобы выйти из редактирования без изменений. Кстати сказать из режима редатирования можно выйти нажав кнопку Esc. Входим в соседнюю формулу. Выделив число 155 нажимаем Ctrl V, вставив вместо 155 формулу вычисления данного значения нажимаем Enter – значения тоже изменились, но во втором знаке после запятой.
Ну а теперь осталось свести эти два результата под условием ЕСЛИ. Для этого потребуется помощь блокнота, поскольку необходимо, чтобы формулы были в самой логической операции, без использования дополнительных ячеек.
Запускаем блокнот и вернувшись в ЭКСЕЛЬ копируем формулу расчета падения напряжения и вставляем ее в блокнот. Во время выделения формулы знак РАВНО копировать не нужно. Возвращаемся в ЭКСЕЛЬ и копируем формулу вычисления пяти процентов.
Дальше переходим в ячейку справа от надписи Xc и пишем РАЗРЕШЕНИЕ, спускаемся на одну ячейку вниз и нажимаем ФУНКЦИЯ, из ДЕСЯТИ НЕДАВНО ИСПОЛЬЗОВАВШИХСЯ выбираем ЕСЛИ. Ставим курсор в строку ЛОГ ВЫРАЖЕНИЕ и нажимаем Ctrl V, у нас из буфера вставится формула вычисления пяти процентов. Далее ставим знак сравнения БОЛЬШЕ, переходим в блокнот и скопировав формулу оттуда вставляем ее после знака сравнения. Теперь заполняем что нужно делать, если данное выражение является ИСТИНОЙ, т.е. пять процентов больше расчетного падения напряжения. А нужно, чтобы у нас появилась надпись МОЖНО, ее то мы и пишем, открыв, а затем закрыв кавычки. Если же падение напряжения больше пяти процентов, то это не значит, что прям НЕЛЬЗЯ использовать этот номинал конденсатора. Использовать можно, но НЕ НУЖНО, т.е. если уж совсем нет ни чего, а поставить что то нужно, то можно и поставить, но лучше потом заменить. Поэтому если у нас падение больше пяти процентов пишем в кавычках слово НЕ НУЖНО.
Разумеется, что при логических операциях ЕСЛИ может возникнуть ситуация, когда значения будут равны, но учитывая то, что расчетные значение не округлялись, а ЭКСЕЛЬ будет строго сравнивать, до последнего знака после запятой, то вероятность такой ситуации сводится к минус бесконечности.
Для проверки функциональности таблицы можно немного поиграться со значениями конденсаторов, частотами и мощностью преобразователя. Все работает, можно приступить к разукрашиванию таблицы.
Теперь сделаем точно такую же табличку для расчета реактивного сопротивления индуктивностей. Для этого копируем таблицу для емкостей и отступив одну колонку вставляем копию.
Теперь нужно определиться в каких величинах будем писать индуктивность. В принципе в милигенри должно хватить – и в микрогенри не далеко и сами генри тоже не за горами. Другой вопрос – а нужно ли нам использовать реактивное сопротивление при проектировании импульсных блоков питания? Маловероятно, поскольку при использовании индуктивностей в фильтрах питания слишком большая индуктивность беды не сделает, а при использовании в качестве дросселей рассеивания достаточно знать реактивное сопротивление. Можно конечно заморочится с падением напряжения, но тут потребуется знать индуктивность трансформатора, так что пока оставим так, а при необходимости допишем что потребуется.
Табличку подчищаем, удалив МОЩНОСТЬ и НАПРЯЖЕНИЕ СЕТИ, ну и РАЗРЕШЕНИЕ теперь тоже не нужно. Выделяем ячейки с расчетным сопротивление и перетаскиваем их в плотную с остаткам таблицы.
Реактивное сопротивление индуктивности считается почти по той же формуле, что и реактивное сопротивление конденсатора, только не нужно делить единицу на произведение, это просто перемножение двойки, числа ПИ, частоты и индуктивности.
Поэтому заходим в прямой ввод и удаляем единицу со знаком деления, удаляем три нолика в множителе с шестью нулями, т.е. переводим единицу измерения в категорию МИЛЛИ и нажимаем Enter.
Проверяем функциональность поигравшись с частотой. Исправляем заголовок, который теперь не влазит в отведенные ячейки по ширине. Выдели ячейку заходим в меню ФОРМАТИРОВАНИЕ и на вкладыше ВЫРАВНИВАНИЕ ставим галочку в строке ПЕРЕНОСИТЬ ПО СЛОВАМ.
Сохраняем документ.
Так, вроде с силовой электроникой немного разобрались, даем мозгу немного передохнуть и ждем следующую серию с расчетами для усилителей мощности и еще чего ни будь……
СКАЧАТЬ ФАЙЛ (для ленивых и бестолковых перейти на ЛИСТ 1)
