Источники вторичного электропитания электронной аппаратуры

7.1. Общие характеристики источников вторичного
электропитания

Электропитание судовых средств автоматизации осуществляется от источников первичного электропитания, к которым относятся судовые сети переменного или постоянного тока, а также аккумуляторные батареи. Однако напряжение первичных источников непригодно для непосредственного питания электронных схем, так как не соответствует требованиям по величине, роду тока и стабильности. Поэтому повсеместно используются источники вторичного электропитания (ИВЭП) – устройства, преобразующие энергию первичных источников и обеспечивающие электропитанием отдельные цепи электронной аппаратуры.

В большинстве случаев с помощью ИВЭП преобразуется энергия переменного напряжения электрической сети в постоянные напряжения требуемого уровня. Распространены также ИВЭП с входным напряжением постоянного тока. Так, для многих ответственных судовых систем управления предусмотрено питание постоянным напряжением + 24 В, из которого с помощью ИВЭП получают все необходимые напряжения. Такое решение позволяет упростить переход на резервное питание от аккумуляторной батареи.

Диапазон мощностей ИВЭП, применяемых в судовых системах управления, обычно не превышает нескольких сотен ватт.

Исходя их особенностей назначения ИВЭП, к ним предъявляется обычно ряд специфических требований:

1. ИВЭП является одним из наиболее ответственных узлов аппаратуры, поскольку выход его из строя почти всегда приводит не к ухудшению характеристик устройства или потере части функций, а к полному нарушению работоспособности. Поэтому важнейшим требованием к ИВЭП является высокая надежность.

2. Современная электронная аппаратура зачастую предъявляет к напряжению питания ряд жестких требований: высокая стабильность, низкий уровень пульсаций, отсутствие электромагнитных помех, гальваническая развязка выходных цепей от цепей первичного источника и от земли.

3. В ИВЭП преобразуются относительно большие значения энергии, что всегда связано с потерями и с повышенными тепловыми нагрузками элементов. Эффективный отвод тепла является одной из главных проблем в ИВЭП. Поэтому при выборе технических решений необходимо стремиться к повышению КПД.

4. Масса и габаритные размеры ИВЭП обычно составляют значительную долю соответствующих показателей электронного устройства в целом, особенно при использовании микроэлектронных функциональных узлов. Поэтому для ИВЭП чрезвычайно важны вопросы микроминиатюризации.

Перечисленные требования зачастую конфликтуют. Так, для повышения надежности необходимо снижать электрическую и тепловую нагрузку элементов силовой цепи, что ведет к увеличению массы и габаритов. Повышение качества выходного напряжения также ведет к увеличению габаритов за счет усложнения схемы. В последнее время происходит повсеместный переход от традиционных структур типа "сетевой трансформатор – фильтр – выпрямитель – стабилизатор" к высокочастотным преобразователям, работающим на частотах от единиц до сотен килогерц, что позволяет получить огромный выигрыш в КПД и массогабаритных показателях, но порождает проблему высокочастотных импульсных помех, предъявляет повышенные требования к компонентам, усложняет настройку и ремонт.

ИВЭП характеризуются обычно следующими основными параметрами:

1. Номинальное значение напряжения первичной электрической сети.

2. Допускаемые отклонения напряжения первичной питающей сети от номинального значения (в процентах или абсолютных величинах).

3. Номинальная частота питающего напряжения.

4. Номинальные значения выходных напряжений.

5. Номинальные токи нагрузки и пределы их изменения.

6. Суммарная мощность, отдаваемая в нагрузку.

7.
Нестабильность выходного напряжения (Δ U _н) _U при изменении напряжения питания в заданных пределах. При этом ток нагрузки и температура окружающей среды должны быть постоянными. Обычно выражается в относительных единицах или в процентах:

8.

Нестабильность выходного напряжения при изменениях тока нагрузки в заданных пределах и при неизменных напряжении питания и температуре окружающей среды. Обычно выражается в относительных единицах или в процентах:

9.
Для характеристики стабилизирующих свойств ИВЭП используется также коэффициент стабилизации, который показывает, во сколько раз относительное изменение дестабилизирующего фактора больше относительного изменения выходного напряжения. В качестве дестабилизирующего фактора рассматривается изменение выходного напряжения либо тока нагрузки; в связи с этим различают коэффициенты стабилизации по напряжению К _{ст. U} и по току К _{ст. I}:

10. Температурный коэффициент напряжения α_н, %/°С (ТКН), отражающий относительное изменение выходного напряжения при изменении температуры окружающей среды на 1° С.

11. Коэффициент пульсаций выходного напряжения, равный отношению амплитуды переменной составляющей к величине постоянной составляющей. Коэффициент пульсаций может оцениваться в различных точках ИВЭП: на входе фильтра, на выходе фильтра, на выходе стабилизатора. Эффективность сглаживающего фильтра можно характеризовать коэффициентом фильтрации, равным отношению коэффициентов пульсаций на входе и выходе фильтра.

12. Коэффициент полезного действия. Значение КПД характеризует экономичность источника питания и косвенно дает представление о надежности его работы при эксплуатации и о массогабаритных показателях. Чем большая мощность рассеивается на компонентах ИВЭП, тем больше температура, площадь охлаждающих радиаторов, более напряженный энергетический режим компонентов и меньшая их надежность при длительной работе.

13. Удельные параметры источников питания характеризуются выходной мощностью, приходящейся на единицу массы (Вт/кг) или объема (Вт/дм³). Применяются также и обратные единицы: удельная масса (кг/кВт) и удельный объем (дм³/кВт).

7.2. Типовые структурные схемы источников вторичного
электропитания

Традиционная структура ИВЭП, использовавшаяся на протяжении ряда десятилетий развития электронной аппаратуры и широко применяемая до настоящего времени, показана на рис. 7.1, а. На первичную обмотку трансформатора Т подается переменное напряжение питающей сети U _с, а вторичная обмотка, выполненная с определенным коэффициентом трансформации для получения требуемого выходного напряжения, подключена к выпрямителю В. Фильтр Ф сглаживает пульсации выпрямленного напряжения, стабилизатор напряжения СН обеспечивает постоянство выходного напряжения при изменении входного напряжения и тока нагрузки. При таком построении легко устанавливаются требуемые значения выпрямленных напряжений, обеспечивается получение нескольких выходных напряжений, достигается гальваническая развязка выходных цепей между собой и с первичной сетью.

Источники питания большой мощности могут выполняться на основе управля­емых тиристорных выпрямителей (рис. 7.1, б). Выходное напряжение управляемого выпрямителя УВ определяется фазовым сдвигом отпирающих импульсов относительно напряжения сети. Стабилизация напряжения осуществляется с помощью системы управления СУ, которая, используя сигнал обратной связи с выхода источника, формирует импульсы отпирания тиристоров таким образом, чтобы выходное напряжение поддерживалось на заданном уровне. Для привязки момента отпирания тиристоров к напряжению сети в СУ подается переменное напряжение от отдельных обмоток трансформатора Т. Наличие управляемого выпрямителя позволяет регулировать выходное напряжение внешним управляющим сигналом U _у. В некоторых случаях (например, в зарядных устройствах) выходной фильтр может отсутствовать.

Главный недостаток ИВЭП с трансформаторным входом – плохие массогабаритные показатели. Из-за низкой частоты питающей сети (50 Гц, 400 Гц) силовой трансформатор должен иметь большой объем магнитопровода, а сглаживающие фильтры требуют больших значений емкостей и индуктивностей. В итоге габариты и масса таких ИВЭП могут достигать 40–60 % соответствующих показателей электронного устройства в целом. В связи с этим современные ИВЭП выполняются с бестрансформаторным входом (рис. 7.2). Переменное напряжение сети преобразуется в постоянное с помощью входного выпрямителя В1 и фильтра Ф1. Преобразователь напряжения ПН преобразует постоянное напряжение в высокочастотное переменное, которое трансформируется с помощью трансформатора Т, обеспечивающего необходимый уровень выходных напряжений и гальваническую развязку. Далее вторичное высокочастотное напряжение преобразуется в постоянное с помощью выпрямителей В2, В3 и сглаживающих фильтров Ф2, Ф3.

Стабилизация выходных напряжений может осуществляться двояко. Возможно включение отдельных стабилизаторов напряжения в каждом выходном канале (рис. 7.2, а). В этом случае улучшается стабилизация при изменении сопротивления нагрузок различных выходов в широком диапазоне, но увеличивается объем ИВЭП. Другой способ заключается в том, что ПН выполняется управляемым (рис. 7.2, б). Система управления СУ, используя сигнал обратной связи с одного из выходов, обеспечивает широтно-импульсную модуляцию переменного напряжения на первичной обмотке трансформатора Т, поддерживая выходное напряжение постоянным. Такой способ эффективен в случаях, когда главным возмущающим фактором является изменение напряжения первичного источника, а нагрузка выходов, не охваченных обратной связью, относительно стабильна. Для обеспечения гальванической развязки выходного напряжения с питающей сетью в канале обратной связи должны использоваться трансформатор или диодно-транзисторная оптопара.

Если используется первичный источник постоянного тока, то ИВЭП строятся по структурным схемам рис. 7.2 с исключением В1. Фильтр Ф1 может использоваться для защиты ИВЭП от импульсных помех, проникающих из сети, и для защиты сети от импульсных помех, порождаемых работой ПН.

Так как в ИВЭП с бестрансформаторным входом фильтры и трансформаторы работают в диапазоне повышенных частот (десятки и сотни килогерц), то их массогабаритные показатели получаются весьма малыми. Дополнительный выигрыш для выходных фильтров заключается в том, что при выпрямлении прямоугольных напряжений, которые вырабатывает ПН, уровень пульсаций значительно меньше, чем при выпрямлении синусоидальных напряжений, поэтому требуемые значения индуктивностей дросселей и емкостей конденсаторов весьма малы. Выигрыш по массогабаритным и стоимостным показателям источников питания с бестрансформаторным входом проявляется уже у ИВЭП средней мощности (десятки Вт) и возрастает с повышением мощности.

В ряде структур ИВЭП регулирование напряжения (тока) осуществляется со стороны первичного источника. На рис. 7.3 показан вариант такого регулирования для случая, когда первичным источником является сеть переменного тока. В разрыв цепи подключения трансформатора к сети установлен регулирующий элемент РЭ. В качестве его используются транзисторы или тиристоры, выполняющие функции управляемого ключа.