Транзисторные преобразователи напряжения малой мощности для питания аппаратуры промышленного и бытового назначения

Современные источники вторичного электропитания (ИВЭП) -транзисторные преобразователи электрической энергии представляют собой сложные устройства, содержащие большое количество разнообразных функциональных узлов, выполняющих те или иные задачи преобразования и обеспечения требуемого качества электроэнергии, защиты ИВЭП и потребителя.

Устройства бесперебойного питания, сетевые стабилизаторы напряжения, сетевые высокочастотные фильтры, различные ограничители напряжения — вот неполный перечень приборов, призванных защищать электронную аппаратуру от некачественной электроэнергии: пропаданий, провалов и выбросов напряжения сети [42].

Устройства бесперебойного питания призваны ликвидировать пропадания и отклонения напряжения от номинального значения в широких пределах в течение времени от десятков миллисекунд до десятков минут. При этом предусматривается аккумуляторная поддержка и наличие преобразовательных устройств.

Сетевые стабилизаторы напряжения — класс приборов, снижающий уровень отклонения напряжения сети +20, -30% от номинального значения и более до нескольких процентов. На смену распространенным феррорезонансным устройствам приходят электронные.

Сетевые высокочастотные фильтры — более распространены в промышленности и реже в бытовой аппаратуре, хотя и являются устройством, которое одно может эффективно снижать высокочастотные помехи до приемлемых уровней в диапазоне частот от единиц килогерц до сотен мегагерц и более.

Назначение ограничителей напряжения — «срезать» импульсы с длительностью от наносекунд до миллисекунд при амплитудах до нескольких киловольт.

Транзисторные преобразователи напряжения в системах питания и защиты радиоэлектронной аппаратуры могут быть классифицированы по следующим параметрам [64].

По типу питающей сети — на преобразователи, работающие в системах питания от однофазной сети переменного тока, преобразователи, использующие электрическую энергию, получаемую от трехфазной сети переменного тока, а также преобразователи в сети автономных источников постоянного тока.

По напряжению на нагрузке — на преобразователи малого (до 100 В), среднего (от 100 до 1000 В) и высокого напряжения (свыше 1000 В).

По мощности нагрузки — на преобразователи малой (до 150 Вт), средней (от 150 Вт до 1 кВт) и большой мощности (свыше 1 кВт).

По роду тока нагрузки — преобразователи с выходом на переменном и с выходом на постоянном токе.

По стабильности напряжения на нагрузке — стабилизирующие и не стабилизирующие.

К простейшим преобразователям напряжения, использующим электроэнергию централизованной системы электроснабжения, относятся нерегулируемые выпрямители, предназначенные для питания нагрузок постоянного тока от промышленных или специальных сетей переменного тока. По числу фаз питающей сети выпрямители делятся на однофазные и трехфазные. Частота питающего напряжения определяется типом первичного источника электроэнергии. Нерегулируемые выпрямители являются не стабилизирующими функциональными узлами вторичного электропитания.

Для стабилизации выходного напряжения нерегулируемого выпрямителя используют дополнительные стабилизирующие устройства, включаемые на входе или выходе выпрямителя (стабилизатор переменного напряжения — тиристорный или электромагнитный на входе выпрямителя, непрерывный или импульсный стабилизатор напряжения постоянного тока на выходе выпрямителя).

Непрерывные стабилизаторы напряжения, кроме функции стабилизации выходного напряжения, обеспечивают эффективное сглаживание пульсаций этого напряжения.

В последнее время в связи с необходимостью уменьшения массы и габаритов узлов питания радиоэлектронной и бытовой аппаратуры широкое применение получили устройства с бестрансформаторным входом. Здесь переменное напряжение системы электроснабжения преобразуется бестрансфрматорным выпрямителем с фильтром в сравнительно высокое напряжение постоянного тока. На выходе фильтра включается импульсный стабилизатор напряжения постоянного тока.

В качестве основных потребителей энергии обычно рассматривается радиоэлектронная аппаратура бытового и промышленного назначения, требующая постоянного напряжения, однако существует большая группа устройств, потребляющая электрическую энергию переменного тока. Значительная часть этих потребителей требует стабильных по значению и частоте переменных напряжений. Для питания нагрузок переменного тока широко применяют устройства с промежуточным преобразованием переменного тока в постоянный с последующим высокочастотным инвертированием.

В качестве автономных источников питания используются аккумуляторные и солнечные батареи, «термоэлектрические и термоэмиссионные преобразователи, топливные элементы, ядерные источники и т. п. Использование таких источников электрической энергии позволяет получить переносные системы, монтируемые и работающие вдали от промышленных энергетических сетей.

Требования, определяющие законы проектирования подобных систем:

— наименьшие масса и габариты.

— высокий КПД.

— максимальная надежность.

Одной из важнейших характеристик, влияющих на работу систем автономного питания, является значительная нестабильность напряжения первичного источника. В то же время современная малогабаритная автономная радиоэлектронная аппаратура, выполняемая как правило, на полупроводниковых приборах и микросхемах, предъявляет весьма жесткие требования к стабильности питающих напряжений.

Основным функциональным узлом систем питания, использующих электроэнергию автономного источника постоянного тока, является полупроводниковый инвертор, преобразующий напряжение постоянного тока источника в переменное напряжение прямоугольной или другой формы и заданной амплитуды. Силовой трансформатор такого инвертора обеспечивает электрическую изоляцию выходных цепей друг от друга и от первичного источника.

При проектировании устройств РЭА малой потребляемой мощности необходимо соблюдать определенные требования к источникам электропитания, одним из которых является их взаимная конструктивно-технологическая совместимость [43,67]. Данный вопрос решается частично путем миниатюризации источников питания, которая ведется по следующим направлениям: структурному, энергетическому и конструктивно-технологическому.

Выбор структуры должен обеспечить устранение крупногабаритных электрорадиоэлементов.

Основной задачей энергетического направления миниатюризации является достижение максимального КПД источника электропитания. Эта задача решается путем снижения потерь в реактивных элементах и полупроводниковых приборах. Повышение КПД может быть достигнуто ключевыми режимами работы элементов, использованием быстродействующей полупроводниковой элементной базы.

Конструкторско-технологическое направление решает вопросы механической прочности, отвода тепла и экранирования элементов источника питания, технологичности производства.

Цель данной работы состоит в совершенствовании вопросов проектирования транзисторных преобразователей напряжения (ТПН) малой мощности с высокими эксплуатационными характеристиками при работе на нестационарную индуктивно-активную нагрузку для аппаратуры промышленного и бытового назначения, их экспериментальное исследование и практическое внедрение.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

— анализ современной элементной базы ТПН;

— разработка методики расчета элементов ТПН, направленной на минимизацию объема изделия;

— анализ процессов переключения силового транзистора при его работе на индуктивно-активную нагрузку;

— анализ принципов построения защит от импульсных высоковольтных перенапряжений в сетях постоянного и переменного токов;

— исследование и разработка новых схемотехнических и конструкторско-технологических решений, позволяющих повысить эффективность систем вторичного электропитания;

— экспериментальные исследования разработанных автором или при его участии преобразователей напряжения, обладающих улучшенными характеристиками, их практическое внедрение в составе различных промышленных изделий.

При проведении исследований использовались аналитические методы расчетов теории электрических и магнитных цепей, с учетом основ теории полупроводниковых приборов.

Проверка основных теоретических положений проводились с помощью экспериментальных исследований макетных, опытных и промышленных (серийных) образцов новых преобразователей.

Научная новизна представлена:

1. Новыми схемотехническими решениями при проектировании транзисторных преобразователей напряжения для вибрационных, акустических и газоразрядных маломощных устройств, направленными на повышение показателей надежности и показателей качества электроэнергии.

2. Анализом процессов переключения силового транзистора при его работе на различные нагрузки индуктивно-активную каскада, с выдачей рекомендаций по установке шунтирующих конденсаторов.

3. Алгоритмом расчета ЬС-фильтра, направленным на минимизацию объема фильтра при заданном уровне периодических пульсаций и выбросов выходного напряжения в условиях импульсных изменений тока нагрузки.

4. Методикой расчета площади теплоотводящих поверхностей при установке параллельно соединенных радиоэлементов, позволяющий минимизировать объем радиоаппаратуры и определить оптимальное число параллельно включаенных радиоэлементов.

5. Новыми схемотехническими решениями устройств подавления высокочастотных высоковольтных помех в сетях постоянного и переменного тока, построенных на основе полупроводниковых ограничителей напряжения.

Практическая значимость работы определяется следующим:

1. Разработанные автором и при его участии транзисторные преобразователи напряжения, в которых нашли реализацию основные научные результаты настоящей диссертационной работы, позволяют: обеспечить высокие эксплуатационные характеристики, повысить надежность и срок службы, уменьшить габариты и массу, уменьшить энергопотребление;

— сократить сроки разработки устройств питания и их внедрения в серийное производство, уменьшить их стоимость и общую стоимость изделийповысить технологичность аппаратуры посредством рационального конструирования и использования новых схемотехнических решений;

2. Разработанные транзисторные преобразователи напряжения используются в устройствах питания бытовой и промышленной радиоэлектронной аппаратуры: вибрационных насосах для систем водоснабжения при работе от источников электроэнергии постоянного тока, миниатюрных акустических устройствах для стирки, установках для обеззараживания воздуха, осветительных устройствах.

3. Разработанные устройства подавления сетевых помех применяются в бортовой сети автомобилей для защиты радиоэлектронной аппаратуры, а также для защиты электронной вычислительной техники от кратковременных высоковольтных импульсов в сетях переменного и постоянного токов.

4. Результаты диссертационной работы используются на предприятиях: ОАО «ВТ и ПЭ» (г. Москва), ЗАО «Технолидер» (г. Рязань), ЗАО «Русант-Солар» (г. Рязань), ЗАО ОКБ «Красное знамя» (г. Рязань), Рязанский военный автомобильный институт.

Материал диссертационной работы изложен в четырех главах. Первая глава посвящена анализу элементной базы транзисторных преобразователей напряжения (ТПН) с учетом наиболее современных достижений отечественной промышленности.

Во второй главе проведен анализ требований, предъявляемых к ТПН при разработке схемотехнических и конструкторско-технологических решений, а также рассмотрены общие принципы построения электрических схем преобразователей, позволяющие повысить их эффективность. Проведен анализ процессов переключения силовых транзисторов при их нагрузке на индуктивно-активную цепь, разработаны рекомендации по установке шунтирующих конденсаторов. Разработан алгоритм расчета минимального по объему ЬСфильтра с учетом периодических пульсаций и выбросов выходного напряжения при импульсных изменениях тока нагрузки. Кроме того приведены конкретные практические разработки ТПН малой мощности для питания аппаратуры промышленного и бытового назначения, позволяющие обеспечить требуемый уровень потребляемой энергии, обладающие высокими эксплуатационными качествами, надежные, имеющие малые габариты и массу, низкую стоимость, выполненные на основе отечественной элементной базы.

В третьей главе рассматриваются вопросы защиты радиоэлектронной аппаратуры от сетевых высоковольтных импульсов, проведен анализ известных методов уменьшения помех, проведены исследования и обосновано предпочтительное применение полупроводниковых ограничителей напряжения (ПОН) в цепях защиты, показаны разработки устройств подавления помех, обеспечивающие стабильную работу аппаратуры при ее питании от сети переменного или постоянного тока, имеющие индикацию состояния ПОН, обладающие малыми габаритами и выполненные на основе отечественной элементной базы.

Четвертая глава посвящена вопросам конструирования промышленных изделий, имеющих в составе транзисторные преобразователи напряжения. Рассмотрены общие требования к конструкции ТПН и основные направления совершенствования выпускаемых изделий на основе миниатюризации, разработки эффективных способов отвода тепла, повышения частоты преобразования, применения более современной элвхМентной базы. Разработана методика расчета теплоотводов для силовых элементов ТПН, позволяющая определить минимальную площадь основания теплоотводов при установке на него оптимального числа параллельно включенных полупроводниковых приборов. Описаны конкретные разработки изделий, выпускаемых серийно на отечественных предприятиях.

В заключении сделаны основные выводы по результатам проведенной работы.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты обзора элементной базы для транзисторных преобразователей напряжения (ТПН), позволяющие сделать вывод об уровне качества современных отечественных элементов, обеспечивающих проектирование высококачественных ТПН.

13 малой мощности для питания аппаратуры промышленного и бытового назначения.

2. Новые схемотехнические решения в предложенных ТПН, анализ процессов переключения силовых транзисторов, алгоритм расчета ЬС — фильтра, методику расчета площади теплоотводящих поверхностей, повышающие показатели надежности изделий, расширяющие возможности ее применения.

3. Разработанные устройства подавления сетевых помех, построенные на основе полупроводниковых ограничителей напряжения, типов «ЗА» и «ФИОН», исключающие высокие уровни высокочастотных помех из сетей постоянного и переменного токов.

4. Конструкторско-технологические решения, принятые при разработке устройств, включающих в свой состав новые ТПН, обеспечивающие высокую технологичность, требования по электробезопасности и электромагнитной совместимости.

161 4.7 Выводы.

1. Представлена общая характеристика наиболее важных направлений конструирования транзисторных преобразователей напряжения малой мощности для бытовых и промышленных изделий в современных условиях развития производства.

2. Предложена инженерная методика расчета теплоотводов для силовых элементов ТПН, которая позволяет определить минимальную площадь основания теплоотвода при установке на него оптимального числа параллельно включенных полупроводниковых приборов. Методика может быть использована при предъявлении повышенных требований к минимизации объема проектируемого изделия радиоэлектронной техники.

3. Отмечены особенности конструкций изделий: «Преобразователь напряжения для питания вибрационных насосов систем водоснабжения при работе от источников постоянного тока», «Универсальный блок питания ультразвукового устройства для стирки, чистки и дезинфекции», «Обеззараживатель воздуха типа ОВ-2», «Источник света ИС-2», в целом характеризующиеся технологичностью, надежностью, электробезопасностью, электромагнитной совместимостью, компактностью, максимально возможной простотой и сравнительно низкой стоимостью.

4. Показано внедрение всех представленных изделий на серийных заводах-изготовителях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе проведены теоретический анализ, разработка и экспериментальное исследование транзисторных преобразователей напряжения малой мощности для питания радиоэлектронной аппаратуры промышленного и бытового назначения. Представлены новые схемотехнические решения ТПН, проведен анализ процессов переключения силовых транзисторов, разработан алгоритм расчета минимального по объему ЬС-фильтра, разработана методика расчета площади теплоотводящих поверхностей. Разработаны новые устройства подавления сетевых помех на базе полупроводниковых ограничителей напряжения. Разработаны и внедрены в серийное производство промышленные и бытовые изделия, включающие в свой состав новые ТПН и устройства подавления сетевых помех. Проведены экспериментальные исследования опытных и серийных образцов изделий.

Результаты исследований, проведенных в работе, могут быть сформулированы в виде следующих основных выводов:

1. Проведен анализ современной элементной базы. Показано, что на основе существующей отечественной и, в обоснованных случаях, зарубежной элементной базы могут успешно решаться вопросы обеспечения высокого качества транзисторных преобразователей напряжения. В том числе обосновано применение новейших отечественных силовых микросборок и интегральных схем — как перспективное направление проектирования надежных и сравнительно недорогих узлов преобразователей напряжения.

2. Показано, что полупроводниковые ограничители напряжения являются изделиями наиболее целесообразными к применению цепях преобразователей напряжения для снижения уровней импульсных помех, приходящих из сети, до допустимых значений.

3. Проведен анализ требований к ТПН и обзор их электрических схем, что позволило учесть недостатки и преимущества известных схемотехнических решений при разработке электропитания для четырех классов устройств: вибрационных насосов, ультразвуковых изделий, газоразрядных ультрафиолетовых и люминесцентных ламп.

4. Разработана схема ТПН для вибрационного насоса «Малыш», позволяющая обеспечивать его питание от солнечных панелей без использования аккумуляторных батарей при максимальном потреблении электроэнергии от солнечных панелей.

5. Разработана схема ТПН для ультразвукового устройства для стирки, чистки и дезинфекции, обеспечивающая работу устройства от постоянного и переменного напряжения в диапазоне от 12 В до 250 В.

6. Разработана схема ТПН для газоразрядной ультрафиолетовой лампы обеззараживателя воздуха с питанием от сети ~ 220 В при увеличенном сроке службы лампы.

7. Разработана схема ТПН для газоразрядной люминесцентной лампы источника света с питанием от сети постоянного тока напряжением 12 В при повышенных показателях надежности изделия и низкой цене ТПН.

8. Проведен анализ процессов переключения силового транзистора при его работе на индуктивно-активную нагрузку. Сделаны рекомендации по установке шунтирующего конденсатора.

9. Предложен алгоритм расчета минимального по объему ЬСфильтра с учетом периодических пульсаций и выбросов выходного напряжения при импульсных изменениях тока нагрузки. Произведены расчеты фильтров ряда ТПН по данному алгоритму.

10. Рассмотрены принципы построения защит от высокочастотных высоковольтных перенапряжений в сетях постоянного и переменного токов. Представлены оригинальные устройства подавления сетевых помех типа ЗА и типа ФИОН, обеспечивающие требования по индикации состояния полупроводниковых ограничителей напряжения и дальнейшему снижению уровней импульсных помех.

11. Представлена общая характеристика наиболее важных направлений конструирования транзисторных преобразователей напряжения малой мощности для бытовых и промышленных изделий в современных условиях развития производства.

12. Приведена инженерная методика расчета теплоотводов для силовых элементов ТПН, позволяющая определить минимальную площадь основания теплоотвода при установке на него оптимального числа параллельно включенных полупроводниковых приборов. Методика может быть использована при предъявлении повышенных требований к минимизации объема проектируемого изделия радиоэлектронной техники.

13. Отмечены особенности конструкций изделий: «Преобразователь напряжения для питания вибрационных насосов систем водоснабжения при работе от источников постоянного тока», «Универсальный блок питания ультразвукового устройства для стирки, чистки и дезинфекции», «Обеззараживатель воздуха типа ОВ-2», «Источник света ИС-2», в целом характеризующиеся технологичностью, надежностью, электробезопасностью,.

165 электромагнитной совместимостью, компактностью, максимально возможной простотой и сравнительно низкой стоимостью. 14. Показано внедрение всех представленных изделий на серийных заводах-изготовителях.