Источники электропитания аппаратуры

Для обеспечения электропитания электронных устройств необходимы источники с заданным видом и параметрами электрических величин (мощностей, напряжений, токов). Источники вторичного электропитания (ИВЭП) являются распространенными преобразователями, представляющими собой совокупность функционально связанных источников, устройств управления, коммутации, защиты, распределения, контроля и сигнализации. При создании электронного устройства определенного вида (электронно-вычислительная аппаратура, средства отображения информации, управляющая техника) систему электропитания разрабатывают, как правило, на основе серийно выпускаемых ИВЭП с учетом конкретных технических требований.

В основу классификации источников электропитания заложены следующие факторы: вид используемой электроэнергии, т. е. автономные источники, сеть переменного или постоянного тока; требуемая мощность в нагрузке — микромощные (Р₂< 1 Вт), малой (Р₂ = 1 ?=" 10 Вт), средней (Р₂ = НН100 Вт), повышенной (Р₂ ⁼ = 100-И000 Вт) и большой (Р₂ ^> 1 кВт) мощностей; вид выходного напряжения (переменное или постоянное) и его уровни — низкое (U₂ < 100 В), среднее (U₂ = 100-И000 В), высокое (U₂ > 1 кВ); число выходов и другие признаки.

В состав ИВЭП входят функциональные блоки различного назначения в зависимости от предъявляемых требований, в качестве которых следует указать характеристики входной электроэнергии (номинальное напряжение U_c питающей сети и его допустимые отклонения ±Д t/_c, частоту и число фаз сети переменного тока); электрические параметры выходных величин (номинальные значения и допустимые изменения); переменную составляющую (пульсации); номинальный ток нагрузки и его отклонения; суммарную нестабильность напряжения; эксплуатационные показатели (коэффициент полезного действия, надежность, работоспособность в условиях внешних воздействий окружающей среды); конструктивно-технологические параметры (массу, габариты, способ охлаждения). Степень важности отдельных показателей зависит от назначения и условий эксплуатации конкретного электронного устройства.

Основным показателем для большинства ИВЭП служит коэффициент полезного действия, который в основном определяется мощностью тепловых потерь и возможностью их отвода от источника при заданном конструктивном исполнении и условиях охлаждения. В низковольтных ИВЭП с аналоговым управлением КПД обычно составляет около 50% и может достигать значений 95—98% для устройств с импульсным регулированием.

Начальный вариант типовой структуры ИВЭП содержит трансформатор, выпрямитель, стабилизатор и сглаживающий фильтр (рис. 19.17).

Рис. 19.17. Источник электропитания с непрерывным регулятором.

Трансформатор на входе ИВЭП снижает переменное напряжение питающей электросети и_л до требуемого значения щ и должен быть рассчитан на заданную мощность при стандартной частоте электросети. Параметры элементов стабилизатора и выходного фильтра выбирают из расчета требуемого коэффициента сглаживания пульсаций. Обеспечение точности выходного напряжения при воздействии дестабилизирующих факторов осуществляют за счет сигнала отрицательной обратной связи, снимаемого с выхода делителя напряжения и управляющего работой компенсирующего стабилизатора. При необходимости получения больших значений тока используется дополнительное подключение внешнего проходного транзистора с увеличивающим отвод тепла радиатором и принудительным обдувом.

К недостаткам приведенной структуры ИВЭП следует отнести невысокий КПД, составляющий не более 50%, а также значительные габариты элементов сглаживающего фильтра и входного трансформатора, работающего при низкой частоте промышленной сети / = 50 Гц. Уменьшение габаритов трансформатора заданной мощности возможно только путем увеличения частоты подводимого к нему напряжения, и ИВЭП, работающие от промышленной сети/= 50 Гц, выполняют по схеме без входного трансформатора (рис. 19.18).

Напряжение сети преобразуется мостовым выпрямителем без предварительной трансформации. Выпрямленное напряжение.

Рис. 19.18. Бестрансформаторная схема ИВЭП.

V = 25(Н300 В поступает на автономный инвертор (Инв), преобразующий его в последовательность прямоугольных импульсов с частотой в несколько десятков килогерц. Для приведения напряжения и_п повышенной частоты к необходимому уровню применяется трансформатор (Тр), имеющий небольшие габариты. Полученное с выхода трансформатора напряжение выпрямляется с помощью двухиолунериодной схемы, сглаживается /Х-фильтром и поступает на вход компенсационного стабилизатора (СТ).

Развитие техники управления и полупроводниковой технологии привело к преимущественному использованию экономичных импульсных стабилизаторов постоянного напряжения (рис. 19.19).

Напряжение промышленной сети и выпрямляется диодным мостом JX,…, Д₄ и сглаживается конденсатором С. Полученное нестабилизированное напряжение поступает на мостовой инвертор, выполненный на базе силовых транзисторов Т_1;…, Т₄. На выходе инвертора образуется переменное напряжение прямоугольной формы и_и с повышенной частотой. Поэтому трансформатор и элементы сглаживающего фильтра имеют сравнительно небольшие габариты. Управление транзисторами инвертора осуществляется сигналами широтно-импульсного модулятора (ШИМ), изменяющими длительность открытого состояния транзисторов. Таким образом, инвертор со схемой управления обеспечивает стабилизацию выходного напряжения. Цепь управления (обратной связи) содержит усилитель разностного сигнала выходного и опорного напряжений, а также генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), задающий период следования импульсов инвертора и модуляционную характеристику ШИМ.

Рис. 19.19. Схема бестрансформаторного ИВЭП с импульсным стабилизатором.

Вместе с тем коммутация больших токов при высоких напряжениях и высоких скоростях переключения приводит к образованию мощных импульсных помех, которые распространяются по проводам и излучаются в окружающее пространство. Для подавления излучаемых помех применяют набор конструктивных и схемных мер, таких как экранирование блоков электропитания, рациональный выбор общих точек схемы и их заземление. От проникновения импульсных помех в электронную аппаратуру по сетям электропитания устанавливают сетевые помехонодавляющие фильтры (рис. 19.20).

Рис. 19.20. Сетевой помехоподавляющий фильтр.

Во многих практических применениях наряду с промышленной сетью синусоидального тока для питания электронного оборудования используются источники постоянного тока (специальная сеть энергоснабжения, аккумуляторы, гальванические батареи). Напряжение первичных источников, как правило, не совпадает с требуемыми для питания аппаратуры уровнями и, кроме того, подвержено изменениям в достаточно широких пределах. Для получения напряжений с требуемыми свойствами используют различные типы преобразователей постоянного тока, например, построенных в соответствии с типовой структурой (рис. 19.21).

Напряжение первичного источника U через сетевой помехоподавляющий фильтр поступает на управляемый инвертор, на выходе которого генерируется переменное напряжение и_ высокой частоты (десятки килогерц). В результате трансформации полученного переменного напряжения до требуемого уровня, выпрямления и фильтрации образуется стабилизированное выходное напряжение U2- Высокая степень стабилизации обеспечивается за счет обратной связи с выхода источника через устройство управления на элементы инвертора.

В соответствии с общей структурной схемой строят блоки электропитания мощной стационарной аппаратуры. В мобильных при;

Рис. 19.21. Структура преобразователя постоянного тока ложениях (радиотелефоны, переносные компьютеры, встроенные микроконтроллеры и т. п.) целесообразно применять экономичные импульсные стабилизаторы с использованием их возможностей уменьшения и повышения уровня напряжения первичного источника.

Контрольные вопросы и задания

• 1. Что представляет собой силовой преобразователь, и какому основному условию он должен удовлетворять?
• 2. Приведите типичную структуру силового преобразователя и поясните назначение основных элементов.
• 3. Каковы причины использования режима переключения силовых полупроводниковых приборов в энергетических преобразователях?
• 4. Какие особенности конструкции силовых биполярных транзисторов обеспечивают требуемые значения рабочих токов и напряжений?
• 5. Приведите разновидности полевых транзисторов для силовых устройств.
• 6. Что содержит структура IGBT-транзистора и для решения каких задач она предназначена?
• 7. Перечислите основные виды силовых выпрямителей и приведите их особенности.
• 8. Какие параметры характеризуют стабилизатор напряжения?
• 9. Что представляет собой инвертор напряжения и каков!, i основы его функционирования?
• 10. Каково назначение вторичного источника электропитания и какие основные блоки составляют его структуру?