Расчет источников вторичного питания электронных устройств

РАСЧЕТ ИСТОЧНИКОВ 
ВТОРИЧНОГО ПИТАНИЯ 
ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

О.Н. ОСТАПЕНКОВА

2-е издание

Рекомендовано Учебно-методическим советом 
Учебно-методического центра по профессиональному 
образованию Департамента образования г. Москвы 
в качестве учебного пособия для студентов образовательных 
учреждений среднего профессионального образования

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Москва                                        2021

ИНФРА-М

УДК 621.3(075.32)
ББК 31.2я723
 
О76

Остапенкова О.Н.
О76  
Расчет источников вторичного питания электронных устройств : 
учебное пособие / О.Н. Остапенкова. — 2-е изд. — Москва : ФОРУМ : 
ИНФРА-М, 2021. — 95 с. — (Среднее профессиональное образование). 

ISBN 978-5-00091-748-0 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-016679-7 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-109259-0 (ИНФРА-М, online)
Учебное пособие состоит из двух глав. В первой главе приводится характеристика схем выпрямления и дана методика расчета выпрямителей 
на различные виды нагрузки. Во второй главе систематизированы сведения по построению и расчету стабилизаторов напряжения и тока, приводится справочный материал по типовым схемам стабилизаторов, методике 
их расчета и проектирования. Расчеты проводятся по упрощенным формулам, что позволяет быстро выбрать элементы схемы, определить их режим 
работы.
Разработано в соответствии с требованиями федеральных государственных образовательных стандартов среднего профессионального образования последнего поколения по специальностям «Компьютерные сети», 
«Радиоаппаратостроение», «Радиотехнические комплексы и системы 
управления космических летательных аппаратов» и других смежных специальностей.
Предназначено для преподавателей, студентов и обучающихся средних 
профессиональных учебных заведений, изучающих курсы «Электротехнические основы источников питания», «Электротехника», «Основы электротехники».

УДК 621.3(075.32)
ББК 31.2я723

Р е ц е н з е н т ы:
Гребенко Ю.А., доктор технических наук, профессор Московского 
энергетического института (Национального исследовательского университета);
Колмыкова Е.А., заместитель директора по научно-методической 
работе Московского государственного колледжа информационных 
технологий; 
Горичев А.Б., кандидат технических наук 

ISBN 978-5-00091-748-0 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-016679-7 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-109259-0 (ИНФРА-М, online)
© Остапенкова О.Н., 2012
© ФОРУМ, 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие ...............................................................................................................................4

Глава 1. Расчет выпрямителей на различные виды нагрузки ....................................5

1.1. Расчет выпрямителя с емкостной нагрузкой .....................................................5

1.1.1. Характеристики схем выпрямления .............................................................6
1.1.2. Электрический расчет выпрямителя с емкостной нагрузкой ................8
1.1.3. Пример расчета выпрямителя с емкостной нагрузкой ..........................18

1.2. Расчет выпрямителя с индуктивной нагрузкой ..............................................24

1.2.1. Электрический расчет выпрямителя с индуктивной нагрузкой .........28
1.2.2. Пример расчета выпрямителя с индуктивной нагрузкой .....................31

1.3. Расчет выпрямителя с активной нагрузкой (без фильтра) ...........................36

Глава 2. Стабилизаторы напряжения и тока..................................................................38

2.1. Основные параметры стабилизаторов ..............................................................38
2.2. Параметрические стабилизаторы  ......................................................................40
2.3. Расчет параметрического стабилизатора напряжения (ПСН). ...................45
2.4. Параметрический стабилизатор тока ( ПСТ). .................................................46
2.5. Расчет параметрического стабилизатора тока (ПСТ). ...................................48
2.6. Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения и тока ........49

2.6.1. Однокаскадные компенсационные стабилизаторы постоянного  
напряжения (КСН) параллельного типа ..............................................................55
2.6.2. Однокаскадные компенсационные стабилизаторы постоянного  
напряжения (КСН) последовательного типа ......................................................57

2.7. Схемы компенсационных стабилизаторов с последов   ательным 
и параллельным регулирующим элементом.  ..........................................................59
2.8. Методика расчета стабилизатора напряжения с последовательно  
включенным регулирующим элементом. .................................................................63
2.9. Пример расчета простого полупроводникового стабилизатора  
постоянного напряжения компенсационного типа ..............................................69

2.10. Пример расчета полупроводникового стабилизатора постоянного  
напряжения с составным регулирующим транзистором .......................................74
2.11. Схемы защиты транзисторных стабилизаторов  ............................................82
2.12. Пример расчета схемы защиты стабилизатора от превышения  
выходного напряжения  ..................................................................................................85

Приложения .............................................................................................................................88

Использованная литература ...............................................................................................94

ПРЕДИСЛОВИЕ

Источники вторичного электропитания (ИВЭП) электронной и 

радиоэлектронной аппаратуры существенно изменились за последние годы и во многом определяют надежностные и массогабаритные 
показатели разрабатываемой аппаратуры. 

Применение наиболее рациональных схем, использование 

высоко-частотного преобразования энергии постоянного тока, импульсных методов регулирования и современной элементной ба - 
зы – все это позволило повысить КПД, уменьшить массу и габариты 
источников вторичного электропитания.

Основная цель настоящего методического пособия – научить 

студентов обобщать и систематизировать сведения по построению 
и расчету источников вторичного электропитания для электронной 
и радиоэлектронной аппаратуры различных классов, работающей 
от сети переменного тока или от автономных источников электроэнергии постоянного тока. В методическом пособии для различных 
типов источников электропитания приводится обоснование и описание конкретной реализации наиболее рациональной схемы, обосновывается выбор элементной базы. Методическое пособие содержит примеры расчетов выпрямителей, работающих на различные 
виды нагрузок. Расчеты проводятся по упрощенным формулам, позволяющим быстро определять параметры основных элементов схемы, определять их режимы работы. 

Представленное методическое пособие было использовано в 

ГОУ СПО Политехнический колледж № 19 на занятиях по курсу «Источники питания средств вычислительной техники» при изучении 
темы «Выпрямители и сглаживающие фильтры».

ГЛАВА1 
РАСЧЕТ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ НА РАЗЛИЧНЫЕ 
ВИДЫ НАГРУЗКИ

1.1. РАСЧЕТ ВЫПРЯМИТЕЛЯ С ЕМКОСТНОЙ НАГРУЗКОЙ

Расчет выпрямителя с емкостной нагрузкой включает в себя вы
бор схемы и типов диодов, расчет режимов работы диодов, определение параметров трансформатора и сглаживающего фильтра. Выпрямители, работающие на нагрузку емкостного характера, применяются 
в ИВЭП небольшой мощности с токами нагрузки не более 1,0 А.

Исходными данными для расчета выпрямителя являются пара
метры: 

Uс (В) – напряжение питающей сети; 
m – число фаз питающей сети; 
fc(Гц) – частота питающей сети; 
Uо(В) – выпрямленное напряжение; 
Iо (А) – выпрямленный ток; 
kn% – коэффициент пульсации на входной емкости фильтра. . 
Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения на вход
ной емкости фильтра определяется по формуле

k
U
U
n

o

o
%
%
=
1100
,  
(1.1) 

где Uo1 – амплитуда первой гармоники пульсации на входной емкости фильтра.

ВЫБОР СХЕМЫ

Выбор схемы выпрямителя зависит от ряда факторов, которые 

необходимо учитывать в зависимости от предъявляемых к выпрямителю требований. К таким факторам относятся: выпрямленное 

Глава 1. Расчет выпрямителей на различные виды нагрузки

6

напряжение и выходная мощность, частота пульсации выпрямленного напряжения, число диодов, обратное напряжение на диоде, коэффициент использования мощности трансформатора, напряжение 
вторичной обмотки трансформатора и т. д.

1.1.1. ХАРАКТЕРИСТИКА СХЕМ ВЫПРЯМЛЕНИЯ

Однополупериодная схема выпрямления (рис. 1.1, а) при
меняется в схемах, где не требуется высокой степени сглаживания 
выпрямленного напряжения, выпрямленные токи до нескольких десятков миллиампер. Схема характеризуется низким коэффициентом 
использования мощности трансформатора. 

Двухполупериодная схема выпрямления (рис. 1.1, б) приме
няется в низковольтных выпрямителях. В отличие от однофазной 
мостовой схемы в ней можно понизить потери за счет сокращения 
вдвое количества используемых диодов. 

Однофазная мостовая схема (рис. 1.1, в) имеет высокий коэф
фициент использования мощности. Применяется в устройствах повышенной мощности при выходных напряжениях от десятков до сотен вольт. 

Симметричная схема удвоения напряжения (рис. 1.1, г) – это 

последовательное соединение двух однополупериодных схем. Применяется при небольших токах в устройствах различной мощности 
и повышенных выпрямленных напряжениях до 142 кВ. 

Несимметричные схемы с умножением напряжения (рис. 1.1, д) 

применяются при очень малых токах нагрузки (в режиме, близком к 
холостому ходу). 

Трехфазная однотактная схема (рис. 1.1, е, ж) имеет малое па
дение напряжения на диодах и применяется в схемах для выпрямления низких напряжений при повышенной мощности (свыше 
500 Вт). Схема имеет низкий коэффициент использования мощности трансформатора, сравнительно большое обратное напряжение 
на диоде, большие потери в магнитопроводе из-за вынужденного 
намагничивания трансформатора (схема не находит широкого применения).

1.1. Расчет выпрямителя с емкостной нагрузкой

Рис. 1.1. Схемы выпрямителей с емкостной нагрузкой

Глава 1. Расчет выпрямителей на различные виды нагрузки

8

Трехфазная мостовая схема (рис. 1.1, з, и) применяется в ши
роком диапазоне выпрямленных напряжений и мощностей. Имеет 
высокий коэффициент использования мощности трансформатора, 
малое обратное напряжение на диоде, высокую частоту пульсации 
выпрямленного напряжения. 

Для проведения расчета выпрямителей необходимо знать пара
метры диодов: 

Uобр.и.max (В) – максимально допустимое импульсное обратное на
пряжение;

Uпр. (В) – прямое падение напряжения на диоде, измеренное на 

постоянном токе, или дифференциальное (внутреннее) сопротивление диода rдиф, определяемое по статическим ВАХ; 

Iпр.ср.max (А) – максимально допустимый средний выпрямленный 

ток;

Iпр.и.max (А) – максимально допустимый импульсный ток;
fmax (Гц) – максимальная частота выпрямленного напряжения;
Iобр.и.max (A) – максимально обратный ток при максимально до
пустимом обратном напряжении на диоде;

Uобр.и. (В) – повторяющееся импульсное обратное напряжение, 

прилагаемое к диоду;

Uпр.ср (В) – среднее прямое напряжение; 
Iпр.ср (А) – среднее значение прямого тока диода; 
Iпр.и. (А) – повторяющееся импульсное значение тока, протекаю
щего по диоду.

Рассмотрим расчет количества используемых диодов для про
извольной схемы выпрямителя. При расчете следует учесть соотношение токов: если Iпр.ср.max < Iпр.ср, то диоды следует включать параллельно, при этом минимальное соединенное количество диодов 
определяется формулой 

N
Ι

Ι

пap

пp cp

пp.cp.max

=
.
. 
(1.2)

1.1. Расчет выпрямителя с емкостной нагрузкой

В случае если Uобр.и.max < Uобр.и., диоды следует включать последо
вательно, при таком подключении минимальное количество используемых диодов определяется формулой (1.3).

Ν посл

обр.и

обр.и max

U

U

=
 . 
(1.3)

Общее число диодов, используемых в выпрямителе, рассчитыва
ется по формуле 

Ν
Ν
Ν
общ
в
пар
посл
k
= ⋅
⋅
,  
(1.4)

где количество диодов (вентильных элементов), используемых в выбранной схеме – kв.

В табл.1.1 представлено минимальное количество диодов в за
висимости от схемы выпрямления.

Таблица 1.1

Количество диодов в схемах выпрямления

Схема выпрямления
kв

Однополупериодная 
1

Двухполупериодная
2

Мостовая
4

Примечание: В случае если в схеме выпрямителя используется последователь
ное включение диодов, то их следует зашунтировать выравнивающими резисторами. Диоды с обратным током до 100 мкА шунтируются резисторами из 
расчета 80÷100 кОм на каждые 100 В обратного напряжения, а диоды с обратным током больше 100 мкА шунтируются резисторами из расчета 10÷15 кОм на 
каждые 100 В обратного напряжения.

После определения числа диодов и выбора типа диода из спра
вочника выписываются параметры: Iпр.ср.max (А), Uобр.и.max (В), Uпр.ср (В) 
и записывается количество последовательно соединенных диодов.

1.1.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ВЫПРЯМИТЕЛЯ С ЕМКОСТНОЙ НАГРУЗКОЙ

1. Вычисление активного сопротивления обмоток трансформа
тора осуществляется по формуле

Глава 1. Расчет выпрямителей на различные виды нагрузки

10

r
k

U

I
f
B

f
B

U
I
mp
rc

0

0

0
0
c

c
=
⋅

⋅
⋅

⋅

⋅
⋅

⋅

σ

4
,  
(1.6)

где σ – число стержней магнитопровода, несущих обмотки; В – индукция, Тл. 

Коэффициент КrC соответствует выбранной схеме выпрямления 

и определяется по табл. 1.4.

В табл. 1.2 представлены параметры индукции в зависимости  

от мощности трансформатора и частоты сети. 

Таблица 1.2

Параметры магнитной индукции в зависимости  

от мощности трансформатора и частоты сети

Мощность трансформатора 

P (АВ)

Частота сети 

fc (Гц)

Индукция  

B (Тл)

<1000
50
1,2÷1,65

400
1,0÷1,3

>1000
50
0,8÷1,1

400
0,65 ÷1,0

Для магнитопровода (броневого) типа ШЛ и ОЛ σ = 1.
Для магнитопровода (П-образного) ПЛ σ = 2.
Для трехфазных трансформаторов σ = 3.

2. Вычисление внутреннего (дифференциального) сопротивле
ния диода рассчитывается по формуле

r
N

U

I
диф
посл

пр

пр.ср

=
⋅

×
3

 . 
(1.7)

3. Вычисление активного сопротивления выпрямителя r0 произ
водится в соответствии с выбранной схемой выпрямления и величинами, рассчитанными в табл. 1.4.

1.1. Расчет выпрямителя с емкостной нагрузкой

4. Индуктивность рассеяния обмоток трансформатора, приве
денная к фазе вторичной обмотки, Гн, определяется по формуле

L
k

U

I
f
B

f
B

U
I

L
s

o

o
c

c

o
o

≈
⋅
⋅

⋅
⋅
⋅

⋅
⋅

⋅

σ

σ

4

 . 
(1.8.)

5. Вычисление тангенса угла φ, характеризующего соотношение 

между индуктивным и активным сопротивлениями фазы выпрямителя, находим по формуле

tg

f
L

r

c
s

0

π

( ) =

⋅
⋅
⋅
2

φ
 . 
(1.9.)

Таблица 1.3.

Значения tg φ

tg (ϕ)
0
0,18
0,27
0,36
0,47
0,58
0,7
0,84
1
1,19
1,43

ϕ0
0
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55

tg (ϕ)
1,73
2,15
2,75
3,27
3,73
4,33
5,15
5,67
6,3
7,12
8,14

ϕ0
60
65
70
73
75
77
79
80
81
82
83

6. Вычисление вспомогательного коэффициента А рассчитыва
ется по формуле

A

I
r

m U

o
o

o

=

⋅

⋅

 . 
(1.10)

Определение коэффициентов Во, Hо, Fо, Dо осуществляется по 

графикам, представленным на рис. (1.3–1.8)

7. Вычисление уточненного значения Iпр.и. осуществляется по 

табл. 1.4.

Если полученное значение Iпр.и. оказывается больше Iпр.и.max  

выбранного диода, то необходимо выбрать диод с большим значением Iпр. и .max .