Решение

1. Рассчитывается ток нагрузки ГПН:

.

2. Относительные изменения входного напряжения обусловлены разрешением эксплуатации ЭПС при отклонении напряжения в контактной сети переменного тока U_н = 25 кВ в сторону увеличения = 29 кВ и в сторону уменьшения = 19 кВ:

.

.

3. Изменения тока нагрузки в сторону увеличения:

.

Изменения тока нагрузки в сторону уменьшения:

.

4. Выбирается стабилитрон VD5 типа Д815Е из таблицы 10П [2, 12], у которого номинальное напряжение стабилизации U_ст = 15 В. Максимальный и минимальный токи стабилизации I_стmax = 0,55 А, I_стmin = 25 мА, динамическое сопротивление R_дин = 25 Ом.

5. Рассчитывается напряжение на входе стабилизатора U_вх:

.

6. Рассчитывается сопротивление балластного резистора:

.

Из таблицы 2.7 выбирается стандартное номинальное сопротивление резистора меньше расчетного значения R₁ = 510 Ом.

7. Определяются токи, протекающие через стабилитрон при отклонении входного напряжения и тока нагрузки:

Найденные значения тока должны находиться в допустимых пределах для выбранного стабилитрона: I_min > I_стmax , I_max < I_стmax. В данном примере эти условия выполняются:

0,0304А > 0,025А, 0,0506А < 0,55А.

Ток стабилитрона в номинальном режиме равен

.

8. Коэффициент стабилизации напряжения равен

.

Значение коэффициента стабилизации однокаскадного параметрического стабилизатора напряжения является удовлетворительным, так как 13,37 > 10.

При неудовлетворительном коэффициенте стабилизации напряжения, то есть при К_ст < 10 целесообразно применить параметрический стабилизатор с термокомпенсацией, либо использовать двухкаскадный параметрический стабилизатор или компенсационный стабилизатор, стабилизатор типа КРЕН.

2.2.18. Сглаживающий фильтр

Сглаживающие фильтры в источниках питания систем управления служат для снижения пульсаций выпрямленного напряжения. RC-фильтры имеют меньшие размеры, массу и стоимость по сравнению с LC-фильтрами. Но на резисторах R1, R2 возникает падение напряжения, поэтому RC-фильтры применяют при небольших токах (до 100 мА). В качестве емкости сглаживающих фильтров применяют электролитические конденсаторы, отличающиеся большой емкостью (несколько тясяч микрофарад) при незначительных габаритах.

Основным параметром, характеризующим работу фильтра, является коэффициент сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения:

,

где К_пвх – коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения на входе фильтра;

К_пвых – коэффициент пульсаций напряжения на выходе фильтра.

При коэффициенте сглаживания пульсаций q < 25 применяют однозвенные фильтры. Для уменьшения пульсаций с q > 25 применяются многозвенные фильтры, коэффициент сглаживания пульсаций которых равен произведению коэффициентов сглаживания пульсаций каждого звена.

Если ток нагрузки фильтра больше 100 мА, целесообразно применять LC-фильтры. Произведение L·C можно рассчитать по формуле

.

Задаваясь емкостью С так, чтобы индуктивность дросселя фильтра не превышала L < 5 Гн, рассчитывается индуктивность дросселя фильтра после выбора номинальной емкости конденсатора фильтра:

.

Принимая полную длину зазора в сердечнике дросселя δ = 0,5…2 мм, можно рассчитать сечение сердечника магнитопровода S_c, число витков обмотки дросселя w и диаметр провода d обмотки:

;

;

.

Сечение обмотки дросселя можно рассчитать по формуле

.

По произведению Q_c · Q_v из таблицы 11П [2] выбираются размеры пластин магнитопровода с сечением окна Q_o . С учетом объема, занимаемого стенками каркаса и изоляционными прокладками, сечение Q_o должно быть несколько большим, чем сечение обмотки дросселя Q_v.

Определяется средняя длина провода обмотки дросселя l_v и активное сопротивление провода обмотки R_v:

где а – ширина пластины среднего стержня;

b – ширина окна магнитопровода.

Падение напряжения на обмотке дросселя фильтра равно

Выпрямленное напряжение на входе фильтра равно

Пример 7. Рассчитать фильтр источника питания для генератора пилообразного напряжения с U_п = 15 В, I_н = 0,0094 А, с мостовым выпрямителем (рис. 2.18) для обеспечения коэффициента пульсаций напряжения на выходе фильтра К_{п вых} = 0,5 %.