Модернизация системы вторичных источников питания зенитного ракетного комплекса «Стрела-10»

Введение

Поддержание войск Противовоздушной Обороны в постоянной боевой готовности требует постоянного совершенствования имеющихся образцов вооружения. Одним из направлений совершенствования вооружения являются его модернизация. Модернизация должна быть направлена на повышение боевой эффективности образцов.

Важным направлением модернизации является улучшение характеристик и параметров системы электропитания аппаратуры, уменьшение её габаритов и веса, повышение надежности и КПД. От качества питающих напряжений и бесперебойности работы источников питания существенным образом зависит стабильность работы и надежность аппаратуры, и в конечном итоге способность комплекса ВПВО выполнить боевую задачу. При модернизации зенитно-ракетного комплекса «Стрела-10» ни разу не были затронуты системы источников электропитания, хотя элементная база ВИП достаточно сильно изменилась. Особое внимание заслуживают импульсные стабилизаторы напряжения, собранные с использованием новой элементной базы.

Актуальность данной работы обусловлена необходимостью модернизации системы ВИП зенитного ракетного комплекса (ЗРК) «Стрела-10», для обеспечения повышения надежности и других параметров и характеристик.

Целью дипломного проекта является разработка импульсного стабилизатора, используя новую элементную базу и схемотехнические решения, что обеспечит повышение надежности и других его характеристик.

Дипломный проект состоит из введения, трех разделов и приложений.

В первом разделе приведены общие требования, предъявленные к ВИП, система ВИП БМ 9А35М, название и состав блока БК5.087.110. Изложен анализ работы стабилизатора напряжения на +24 В, 10А, проведены расчеты основных параметров и надежности стабилизатора, а также указаны основные направления модернизации блока БК5.087.110.

Во втором разделе рассматриваются основные тенденции развития современных источников электропитания, анализ схематических импульсных стабилизаторов, а так же проводится расчет элементов предположенного стабилизатора и его работа.

В третьем разделе разрабатывается печатная плата предполагаемого стабилизатора напряжения и производится расчет надежности разработанного стабилизатора напряжения.

В заключении изложены результаты работы и выводы.

модернизированный стабилизатор напряжение ракетный

1. Анализ вторичных источников электропитания БМ 9А35М

1.1 Общие требования, предъявляемые к вторичным источникам электропитания РЭС К системам вторичных источников электропитания предъявляются технические и конструктивно-технологические требования. Следующие специальные технические требования указываются в техническом задании на разработку:

· электрические требования;

· эксплуатационные требования;

· конструктивно-технологические требования.

К электрическим требованиям можно отнести:

· соответствие номинального значения выходного питающего напряжения постоянного и переменного токов и допуска на точность их установки типовым значениям;

· коэффициент пульсации выходных напряжений постоянного тока определяется требованиями аппаратуры и задается из следующего ряда: 0,01; 0,02; 0,03; 0,05; 0,1; 0,2; 0,3; 0,5; 1; 2; 3,5%;

· суммарная нестабильность выходного напряжения при воздействии всех дестабилизирующих факторов — задается в процентах от номинального напряжения: 0,1; 0,5; 1; 2; 3; 5; 10%;

· коэффициент стабилизации не должен быть ниже 1000;

· электрическая защита источника питания от перегрузки или короткого замыкания в нагрузке.

К эксплуатационным требованиям можно отнести:

· надежность — значение вероятности безотказной работы в течение заданного промежутка времени или среднее значение времени наработки на отказ;

· время готовности источника питания или время выхода его на режим;

· способы дистанционного управления источниками питания;

· способы сигнализации о неисправностях, контроля выходных параметров;

· режим и длительность работы — непрерывный, импульсный или комбинированный;

· работоспособность в условиях воздействия механических факторов: вибрации, ускорения, ударов, транспортирования;

· работоспособность в условиях воздействия различных климатических факторов;

· безопасность и простота обслуживания;

· ремонтопригодность.

К конструктивно-техническим требованиям можно отнести:

1. конструкция источников питания должна быть совместимой с аппаратурой, для которой они разрабатываются. Кроме того, к ВИП предъявляется ряд специфических конструктивно-технологических требований, основными из которых являются:

2. масса устройств должна быть минимальной;

3. способ охлаждения ВИП используется принятый для комплекса в целом;

4. технологичность конструкции и преемственность конструктивных решений;

5. требования по унификации и стандартизации;

6. конструкция ВИП должна исключать возможность случайного сдвига органов регулирования.

Некоторые перечисленные требования являются противоречивыми. Основной и наиболее трудной задачей разработчика при проектировании ВИП является отыскивание компромиссных решений, при которых наряду с обеспечением заданных электрических требований удовлетворялись бы требования по снижению массы приборов.

Рассмотрим, насколько соответствует система ВИП ЗРК «Стрела-10» данным требованиям.

1.2 Система вторичных источников электропитания БМ 9А35М Различают вторичные и первичные ИИП. Во вторичных ИИП нет электрических развязок между входными и выходными цепями. Они используются там, где развязка от сети уже существует, или там, где эта развязка не требуется, например в устройствах с аккумуляторным питанием. В первичных ИИП входные и выходные цепи электрически изолированы друг от друга. Их переключающие транзисторы установлены в цепях первичных обмоток высокочастотных трансформаторов. Эти трансформаторы обеспечивают передачу энергии во вторичную обмотку. Поскольку такие схемы работают на высоких частотах, применяемые трансформаторы имеют сравнительно небольшие размеры.

В настоящее время наиболее распространены однотактные преобразователи, т.к. они имеют простую схему, небольшое количество элементов, обладают высоким энергетическим потенциалом, сравнительно недороги.

Вторичный источник питания (ВИП) предназначен для преобразования напряжения первичного источника питания 21,6−28,8 В в стабилизированные напряжения +28 и +30 В. Конструктивно ВИП выполнен в виде двух блоков: преобразователя и стабилизатора. Функционально в состав ВИП входят схема включения, каналы 28 В и 30 В, которые выполнены по аналогичным схемам. В состав каждого канала входят: задающий генератор, усилитель мощности, выпрямитель и стабилизатор.

Выходные напряжения ВИП контролируются с помощью вольтметра, установленного на ПО, где размещен потенциометр регулировка 28 В, с помощью которого регулируется выходное напряжение канала 28 В. На (рисунке 1.1) приведена структурная схема вторичных источников электропитания БМ 9А35М.

Рис. 1.1 — схема вторичных источников электропитания БМ 9А35М Напряжение 24 В поступает от АКБ на преобразователь-стабилизатор, который вырабатывает два напряжения: +28 В и +30 В. Далее эти напряжения поступают через вращающееся контактное устройство (ВКУ) на блок релейный (БР). БР является основным коммутирующим блоком и служит для обеспечения работы аппаратуры и ракет в режимах «Борт», «Слежение», «Пуск».

С БР напряжения величиной +28 В подаются на:

пульт оператора (ПО), наземный радиолокационный запросчик (НРЗ), пассивный радиопеленгатор (ПРП) и аппаратуру оценки зоны (АОЗ). Для обеспечения работы АОЗ в нее поступают 24 В от СЭП пусковой установки и 115 В, 400 Гц преобразователя ПО-500А.

Напряжения 28 и 30 В поступают в блок коммутации (БК) на схему включения бортовой сети и разгона. Эта схема подключает напряжение 28 В к элементам ракеты для питания электрических схем. Проводится автоматический анализ типа ракеты, подключенной в АЗ. Напряжение 30 В через схему включения поддержания оборотов поступает в ГСН ракеты в качестве напряжения разгона ротора.

БК является связующим звеном АЗ с ракетами и обеспечивает:

подключение к аппаратуре всех цепей ракеты, выбранной для пуска;

подачу в ракету всех питающих напряжений и команд;

автоматическое переключение напряжения разгона ротора ГСН ракеты на напряжение поддержания оборотов;

работу аппаратуры в режиме автоматического переключения постов;

арретирование ГСН при включении режима «Слежение» и сигнала «Увод»;

отключение сигнала «Увод» по команде «Пуск»;

включение пирозапалов батареи питания, порохового газогенератора, предохранительно-исполнительного механизма и двигателя ракеты по команде «Пуск»;

переключение каналов ГСН ракеты;

поджиг пирозапалов блока азотного питания для стравливания азота после старта ракет.

1.3 Назначение и состав блока БК5.087.110

Блок питания БК5.087.082 по назначению и техническим характеристикам аналогичен блоку питания БК5.087.110,описание которого изложено в подразделе 10.5.Особенностью блока БК5.087.110 является то, что имеется плата фильтров, функционально связанная с блоком питания, а конструктивно размещенная в приборе В3.

Блок питания БК5.087.110 предназначен для выработки стабилизационного напряжения +17±.0.5 В, необходимых для работы прибора.

Технические характеристики приведены в (таблице 1.2)

Таблица 1.2

Потребляемая мощность в цепи 24 В не более 150 Вт.

Состав блока питания:

1. сетевой фильтр

2. преобразователь

3. 8 стабилизированных выпрямительных устройства

4. 3 нестабилизируемых выпрямительных устройства

16 Г-образных LC-фильтров Функциональная схема блока питания БК5.087.110. приведена на рисунке 1.3

Рис. 1.3 — Схема блока питания БК5.087.110

Напряжение +24 В прямо через сетевой фильтр попадает на компенсационный стабилизатор, используемый для стабилизации частоты опорного генератора. Прямоугольные импульсы с опорного генератора со скважностью 2 подаются на плечо ключевой схемы. На второе плечо подаются прямоугольные импульсы со скважностью 2 с ведомого генератора, частота которого является функцией выходного напряжения. Стабилизация осуществляется за счет автоматического выравнивания частот прямоугольных импульсов, поступающих на оба плеча ключевой схемы, происходящего за счет изменения фазового сдвига между этими импульсами. При этом ширина импульсов с выхода ключевой схемы будет также изменяться и напряжение на выходе выходного фильтра будет поддерживаться постоянным по величине.

Напряжение +24 В прямо подается также на блок питания прибора СД, питает ключевую схему и через коммутатор питает УПТ стабилизированных выпрямительных устройств.

Стабилизированное напряжение +17 В с выхода фильтра подается на приборы У и СД. Одновременно напряжение +17 В через коммутатор, управляемый напряжением +24 В, подается на преобразователь, который преобразовывает это напряжение в ряд переменных напряжений. После стабилизации, напряжения выпрямляются, фильтруются и поступают на блок В3.

1.4 Анализ работы компенсационного стабилизатора напряжения и его основные параметры (блок БК5.087.110. стабилизатор +24 В, 10А) Сравнение типовых схем линейных импульсных источников питания показывает, почему в большинстве в большинстве случаев предпочтительно применять импульсный источник.

Линейный источник питания способен производить напряжение только ниже входного. Для всех линейных стабилизаторов требуется входное напряжение, которое выше выходного напряжения на определенную минимальную величину, которая называется падением напряжения. Падение напряжение является определяющим параметром при расчете производительности и рассеивания мощности.

Возьмем устройство работающее от 6 В и потребляющее максимальный ток 2 А. Типичный линейный стабилизатор будет иметь падение напряжения 2 В. Если мы решим использовать свинцово-кислотную батарею, она будет разряжаться до напряжения примерно 1.9 В на элемент. Так как для корректной работы нам требуется напряжение минимум 8 В, для получения требуемого напряжения нам понадобиться как минимум 5 элементов. Следовательно, при разряженной батарее минимальное входное напряжение равно 9.9 В. Поступающая в нагрузку мощность при токе 2 А равна 12 В, а стабилизатор должен рассевать при разряженной батарее 7.8 Вт. Отсюда КПД равен 60%.При полностью заряженной батарее напряжение каждого элемента равна 2.26 В, и батарея выдает 11.3 В. Мощность нагрузки равна 12 Вт. Стабилизатор должен теперь рассеивать 10.6 Вт, откуда КПД получается равным53%.

Ситуацию можно улучшить, если не полностью разряжать каждый элемент. Мы можем увеличить производительность и снизить стоимость батареи, если будем прекращать работу, когда напряжение на каждом элементе упадет до 2 В. При этом нам понадобиться только 4 элемента. Мощность рассеиваемая на стабилизаторе при разряженной батарее. составит 4 Вт, поэтому КПД возрастет до 75%.При полной зарядке КПД увеличиться до 67%.

В первом примере 2 из 5 элементов расходуют всю свою энергию на нагрев окружающей среды, Во втором примере на такой нагрев полностью работает 1 из 4 элементов. Понятно, что линейная стабилизация — слишком дорогой способ получения постоянного напряжения в системе, работающей от батарей.

Для вышеприведенного примера можно сконструировать простой импульсный источник питания с ключами на полевых транзисторах, обладающих сопротивлением в открытом состоянии порядка 0,008 Ом. Коммутирующий диод может быть диодом Шотки с прямым напряжением всего лишь 0.5 В. В первом приближении рассеиваемая ключом мощность будет составлять максимум 0.0032 Вт, а диод будет рассеивать 1 Вт. КПД при полной зарядке будет равен 92%, а при разряженной батарее окажется близок к 99%.Причем эти относительные значения КПД справедливы для батареи из 4,6 или 12 элементов.

Есть еще одно преимущество импульсных источников питания перед линейными. С линейным источником питания батарея обязательно должна состоять из 4 элементов или более. С импульсным источником можно получать требуемое питание от батареи из 1.3 элементов, да к тому же еще лучшей производительностью.

Примерно обстоит дело и сетевыми источниками питания. Для сетевого линейного источника питания требуется трансформатор. Для линейного источника питания мощностью 1000Вт потребуется трансформатор весом под 50 кг, массивные радиаторы с вентиляторами для полупроводниковых компонентов.

Однако не всегда импульсные источники питания являются наилучшим вариантом. На выходе импульсного источника питания обязательно присутствует высокочастотный шум. Линейные источники шумят на два-три порядка меньше. Еще один недостаток импульсных источников питания — большее время восстановления при скачкообразных изменениях тока нагрузки или входного напряжения по сравнению с линейными источниками.

Проведем анализ работы схемы линейного компенсационного стабилизатора блока питания ЗРК «Стрела-10» (рисунок 1.4).

Рис. 1.4 — Схема линейного компенсационного стабилизатора Данная схема имеет следующие недостатки:

1.При КЗ нагрузки, стабилизатор выходит из строя. Пробивается транзистор VT3, VT4,так как при этом VT5 — закрыт и весь ток VT1 поступает в базу VT2. При этом VT3 открыт и увеличивается Iэ = Iн.

2.Источник опорного напряжения состоит из трех стабилитронов, включенных последовательно. В результате:

1.Увеличивается дифференциальное сопротивление источника опорного напряжения, что приводит к ухудшению коэффициента стабилизации.

2.При последовательном включении складываются температурные коэффициенты, что приводит к значительному температурному дрейфу.

В модернизированной схеме (рисунок 1.5), включение VT1 приводит к защите стабилизатора от КЗ и приводит к увеличению его коэффициента стабилизации в несколько раз. Этот транзистор представляет собой источник тока для стабилитрона VD1.

Назначение элементов схемы VT3, VT4 — составной транзистор, его вУ? в1? в2, где в — коэффициент по току. VT5,VT6 — дифференциальный усилитель, уменьшает температурный дрейф усилителя постоянного тока. VT5, VT6. VD5 — источник опорного напряжения. VT2 — динамическая нагрузка, имеет высокое внутреннее сопротивление, это приводит к увеличению коэффициента усиления УПТ — на VT6 и, следовательно, к увеличению коэффициента стабилизации. VD1 — опорное напряжение для транзистора VT2. Ток через стабилитрон задается источником тока на VT1.

Такое включение транзистора VT1 способствует увеличению коэффициенту стабилизации. При КЗ выхода, U_бVT6=0, транзистор закрыт. U_VD5 = 0>Uб_VT1 = 0 транзистор закрыт. Следовательно закрыт и транзистор VT2, в базу транзистора VT3 ток не подается, транзистор закрыт. В эмиттерной цепи транзистора VT4 протекает лишь незначительный тепловой ток, который не разогревает регулирующий элемент. При ликвидации КЗ, схема восстанавливает свою работоспособность.

Рис. 1.5 — Схема модернизированного линейного компенсационного стабилизатора

1.5 Расчет надежности стабилизатора +24 В, 10А, блок БК5.087.110

Надежность РЭС является одним из важнейших эксплуатационных показателей. Под надежностью понимается способность устройств выполнять определенные функции и сохранять заданные характеристики в течение заданного времени в определенных условиях эксплуатации. Утрата этой способности называется отказом устройства.

В зависимости от возникновения различают внезапные (или полные) и постепенные (или допусковые) отказы.

При внезапном отказе устройство электропитания утрачивает свою способность выполнять заданные функции:

(1.1)

где N — общее число одинаковых устройств.

При постепенном отказе происходит сравнительно медленное изменение характеристик и показателей устройства, в результате чего один или несколько показателей выходят за допустимые границы, хотя устройство и продолжает функционировать.

Таким образом, одно из основных свойств надежности — это безотказность в работе, т. е. сохранение работоспособности в течение некоторой наработки без вынужденных перерывов.

Отказ — это событие случайное, т. е. нельзя точно предсказать появление отказа в любой интересующий нас момент времени. Можно лишь говорить о вероятности появления отказа. Поэтому количественные характеристики надежности носят вероятностный характер.

Рассмотрим некоторые из характеристик надежности.

n (t) — число устройств, отказавших за время t.

Для точного определения вероятности безотказной работы p (t) необходимо, чтобы выполнялось условие N .

Интенсивность отказов определяется так:

(1.2)

где n — число отказавших устройств на временном интервале t.

Среднее время наработки на отказ определяется по соотношению:

T = 1 /. (1.3)

Во многих случаях можно считать, что не зависит от времени. Поэтому интенсивность отказов является удобной характеристикой надежности, поскольку в отличие от p (t) она является не функцией, а некоторым числом.

В то же время, как вытекает из последнего соотношения, однозначно определяет вероятность безотказной работы:

(1.4)

Устройство электропитания состоит из связанных компонентов (функциональных узлов, блоков, отдельных конструктивных элементов), каждый из которых имеет свои характеристики надежности p_i(t) и _i. В большинстве случаев у так называемых нерезервированных устройств полные отказы отдельных узлов, блоков и элементов приводят к отказу устройства электропитания в целом. При этом вероятность безотказной работы всего устройства будет определяться согласно соотношению:

(1.5)

Из выражения (1.5) следует, что с ростом числа компонентов k вероятность безотказной работы p (t) весьма быстро уменьшается. Поэтому сложные многокомпонентные устройства электропитания могут иметь весьма низкую надежность, несмотря на высокую надежность отдельных компонентов.

Из вышеуказанного следует, что для обеспечения высокой надежности устройства электропитания в целом при его проектировании необходимо использовать высоконадежные компоненты, в виде сборок и микросхем.

Весьма важно отметить, что надежность отдельных компонентов во многом зависит от электрических режимов и условий эксплуатации. Интенсивность отказов растет с увеличением электрической и тепловой нагрузки, повышением или снижением окружающей температуры по сравнению с нормальной, повышением влажности, механических нагрузок.

Поэтому одним из средств повышения надежности является выбор таких режимов работы элементов, при которых интенсивности отказов минимальны или не превышают заданных значений. В частности, с точки зрения повышения надежности целесообразно использовать активные и пассивные компоненты в недогруженных режимах, т. е. устанавливать рабочие токи и напряжения ниже номинальных значений.

Для определения интенсивности отказов реально эксплуатируемого устройства используют выражение:

_i=_i0K₁ K₂ K₃ K₄ А_i (Т⁰, K_н), (1.6)

Где _i0 — номинальная интенсивность отказав;

K₁ и K₂ — коэффициенты, учитывающие механические воздействия;

K₃ — коэффициент, учитывающий воздействие влажности и температуры;

K₄ — коэффициент, учитывающий давление воздуха;

А_i(Т⁰, K_н) — коэффициент, учитывающий температуру поверхности

компонента и его электрическую нагруженность.

Ниже приведены таблицы и графики для определения номинальной интенсивности отказов (таблица 1.6) и поправочных коэффициентов (таблицы 1.7−1.9) нерезервированных систем.

Таблица 1.6

Коэффициенты, учитывающие механические воздействия К₁ и К₂ приведены в таблице 1.7.

Таблица 1.7

Коэффициент, учитывающий влияния влажности К₃ приведен в таблице 1.8.

Таблица 1.8

Коэффициент, учитывающий влияние атмосферного давления К₄ приведен в таблице 1.9.

Таблица 1.9

^*133Па = 1 мм рт. ст.

Коэффициент, учитывающий влияние нагрузки компонентов К_н приведен в таблице 1.10.

Таблица 1.10

Графики для определения коэффициента А_i(Т⁰, K_н) приведены на рисунке 1.11. ]

Рис. 1.11 — Графики определения коэффициента А_i(Т⁰, K_н)

а — для полупроводниковых диодов; в — для конденсаторов;

г — для резисторов; д — для трансформаторов.

Определение интенсивности отказов всего устройства РЭС приведено в таблице.1.12.

Таблица 1.12

Зная суммарную интенсивность отказов устройства и определить среднее время наработки на отказ:

T = 1/; (1.7)

T = 1/61,1;

T =16 366,61.

Вероятность безотказной работы всего устройства определяется следующим соотношением:

(1.8)

Определим коэффициент стабилизации:

(1.9) где м_p — коэффициент усиления лампы;

К_у — коэффициент усиления регулирующей лампы;

б — коэффициент передачи сравнивающего делителя;

Uвых — напряжение на выходе стабилизатора;

Uвх — напряжение на входе стабилизатора.

Для расчета коэффициента стабилизации нужны исходные данные.

Исходные данные: входное напряжение Uвх = 482 В, выходное напряжение Uвых = 330 В

Параметры лампы 6Н2П-ЕВ:

Iн = 0,17 А;

S = 2,1 мА/В;

RI = 50 кОм.

Параметры лампы 6С19П-В:

Iн = 1А;

S = 7,5мА/В;

RI = 80кОм.

Значение сопротивлений:

R48 = 100 кОм;

R50= 100 кОм;

Rн = 5 кОм.

Коэффициент передачи сравнивающего делителя б определяется:

б = R47 / (R46 + R47); (1.10)

;

б = 0,5.

Коэффициент усиления лампы 6Н2П-ЕВ рассчитывается:

; (1.11)

;

_{p =} 105.

Коэффициент усиления лампы 6С19П-В определяется:

; (1.12)

Ку = 29,7.

Рассчитаем коэффициент стабилизации. Он показывает, во сколько раз относительное изменение выходного напряжения меньше относительного изменения входного напряжения и будет определяться по следующему отношению:

(1.13)

;

.

Рассчитаем стабильность выходного напряжения при изменении напряжения сети, по следующему соотношению:

; (1.14)

;

.

Важным параметром работы стабилизатора является его температурный коэффициент по напряжению, характеризующий изменение выходного напряжения или тока нагрузки, которая определяется по следующему соотношению:

. (1.15)

Так как данный блок питания установлен на зенитно-ракетном комплексе, то он должен удовлетворять требованиям по работе в пределах температур от -50 ⁰С до +50 ⁰С. Следовательно? tокр = 100 ⁰С:

; (1.16)

;

.

1.6 Основные направления модернизации блока БК5.087.110

Анализ структуры и устройства вторичных источников питания БМ 9А35М показывает, что их основу составляют линейные компенсационные стабилизаторы. Несмотря на достаточно высокий коэффициент стабилизации, данные стабилизаторы обладают очень низким коэффициентом полезного действия и надежностью.

Таким образом, использование линейных преобразователей более выгодно на относительно низких мощностях, использование же импульсных регуляторов на мощности в сотни ват наиболее выгодно, т.к. приоритетной задачей является повышение КПД.

В дипломном проекте сделан выбор в пользу импульсного источника питания, в связи с обеспечивающим им высоким КПД и низкими массогабаритными показателями.

С целью повышения КПД целесообразно линейные компенсационные стабилизаторы заменить на транзисторные с импульсным регулированием. Далее, в дипломном проекте, будет разработан и рассчитан импульсный стабилизатор, за счет этого будет повышен КПД, так как все элементы работают в импульсном режиме, соответственно рассеиваемая мощность на них меньше. Для повышения надежности блока питания элементная база заменена на более новую. Также для повышения надежности целесообразно применить различные способы защиты блока питания, это защита по току, по напряжению 6.

Выводы

Анализ Системы вторичных источников электропитания ЗРК «Стрела-10» позволяет сделать следующие выводы:

электронные стабилизаторы, собранные по компенсационной схеме с непрерывным регулированием, составляют основу блоков питания ВИП;

в целом структура ВИП обеспечивает функционирование систем, предназначенных для работы ЗРК «Стрела-10».

основной недостаток стабилизаторов — низкая надежность (0.3−0.4) и КПД (менее 20%);

модернизация блоков питания ВИП с целью повышения эффективности возможна путем замены электронных стабилизаторов на импульсные стабилизаторы с использованием полупроводниковых приборов и аналоговых ИМС.

2. Выбор и обоснование схемы модернизированного стабилизатора напряжения

2.1 Основные тенденции развития современных источников электропитания

За последнее десятилетие сильно изменилась элементная база преобразователей, появились новые радиоматериалы, а главное, изменились представления о целесообразности использования тех или иных схем для получения заданных параметров.

Исчезла категоричность, предписывающая использовать строго определенные структуры для конкретных типов источников электропитания.

Возросло влияние экономических факторов на выбор схемы преобразователя. Все это сделало возможным то, что еще вчера казалось парадоксальным и даже неправильным. Вот несколько примеров развития преобразователей:

1. Однотактные преобразователи стали занимать нишу, традиционно отводившуюся для двухтактных преобразователей мощностью в единицы ватт — единицы киловатт;

2. Благодаря использованию высокочастотных конденсаторов большой емкости обратноходовые преобразователи стали применяться для получения низких напряжений: 5 и 3,3 В при мощностях в десятки ватт;

3. Прямоходовые преобразователи стали успешно использоваться на малых мощностях в единицы ватт;

4. Классические структуры с ШИМ (широтно-импульсной модуляцией), признанные бесперспективными еще 10 лет назад, сегодня производятся большинством фирм в массовых масштабах;

5. Резонансные преобразователи, казавшиеся верхом «высокочастотного совершенства», занимают пока еще скромные рыночные ниши, в которых они экономически целесообразны;

6. Плоские трансформаторы с обмотками на печатной плате, где все сделано «неправильно» (даже силовые линии и те идут не туда и не так, да и обмотка почти вся снаружи), начали использоваться в массовом производстве;

7. В противовес желанию повысить надежность за счет нивелирования теплового профиля в конструкции преобразователя (заливка, общий распределенный радиатор) появилось большое количество открытых конструкций, в которых высокая надежность достигается при значительных локальных перегревах полупроводниковых компонентов;

8. Электронные корректоры мощности, созданные для уменьшения потерь и помех в сети, как оказалось, могут занимать много места, генерировать много помех, уменьшать общий КПД источника электропитания и в ряде случаев при тех же габаритах заменяются простым и надежным дросселем (конечно, с «непростым» сердечником).

9. Появились полупроводниковые микросхемы в очень маленьких корпусах с напряжениями питания более 1 кВ.

2.2 Общие сведения об импульсных источниках электропитания

Основу импульсных источников питания составляют импульсные стабилизаторы. Импульсные стабилизаторы в которых регулирующий элемент работает в ключевом режиме, характеризующимся быстрым переходом рабочей точки под действием управляющих сигналов, из области отсечки в область насыщения. При этом мощность, рассеивания на регулирующем транзисторе, много меньше, чем при его работе в линейном режиме. Таким образом, работа транзистора в режиме переключения позволяет повысить КПД стабилизатора и значительно уменьшить его габариты за счет размеров трансформатора. Структурная схема импульсного источника питания представлена на рисунке 2.1.

Рис. 2.1 — Импульсный источник питания

Значение мощности в нагрузке определяется: напряжением источника, сопротивлением нагрузки и соотношением времени открытого и закрытого состояний транзистора. Изменяя это соотношение, можно регулировать мощность, передаваемую в нагрузку, без значительных ее потерь на регулирующем элементе.

Для сглаживания пульсаций, вызванных периодическим замыканием и размыканием транзисторного ключа, в силовую цепь стабилизатора включают пассивный сглаживающий фильтр. Соотношение интервалов времени открытого и закрытого состояний транзисторного ключа определяется сигналом, формируемым в цепи обратной связи.

Применение современной элементной базы позволяет осуществлять преобразование энергии на частотах до нескольких сотен кГц и выше. Импульсные источники питания обладают следующими преимуществами по сравнению с линейными регулируемыми источниками питания:

· Теоретически импульсные источники питания работают без потерь мощности. Однако на практике их КПД обычно составляет 70−95%. Это приводит к снижению рабочей температуры транзистора а, следовательно, к повышению надёжности.

· Работа на высоких частотах позволяет уменьшить габариты и вес применяемых компонентов.

2.3 Анализ схемотехники импульсных стабилизаторов и схем защиты от короткого замыкания

Импульсные источники питания, как и линейные требуют защиты от короткого замыкания. Поэтому для повышения их надёжной работы в различных условиях эксплуатации необходима специальная электрическая защита, которая одновременно служила бы для сигнализации аварийного состояния источника питания.

Применение устройства защиты влечёт за собой некоторое усложнение схемы и увеличение числа её элементов, что незначительно сказываться на энергетических показателях и надёжности источника питания.

Устройства защиты должны:

— при нормальном режиме работы источника питания не влиять на его выходные параметры;

— иметь необходимое быстродействие;

— обеспечивать многократность действия;

— после исчезновения причин аварийного состояния обеспечивать выходные параметры источника питания;

— обеспечивать сигнализацию аварийного состояния и, по возможности, контроль выходных параметров источника питания.

По принципу реакции на перегрузку способы защиты подразделяются на схемные:

— пассивные,

— активные.

Пассивные способы защиты основаны на введении в схемы специальных элементов:

предохранители, электромагнитные реле, автоматические выключатели, стабилитроны, резисторы, но они не могут оперативно защитить транзисторную аппаратуру ввиду большой инерционности их работы.

Наиболее часто во вторичных источниках электропитания используются предохранители в первичной и вторичной обмотках силового трансформатора.

Активные способы защиты отличаются от пассивных тем, что возникающее возмущение воздействует на исполнительный элемент защиты не непосредственно, а через некоторое управляющее устройство.

Разнообразные активные способы защиты сводятся, в основном, к запиранию регулирующего транзистора в момент перегрузок по току. Защита от перегрузок по напряжению обеспечивает ограничение бросков напряжения на коллекторе регулирующего транзистора до допустимого значения.

Рис. 2.2 — Принципиальная схема линейного стабилизатора

На рисунке 2.2 в качестве примера, приведена принципиальная схема линейного стабилизатора, использующая принцип ограничения тока регулирующего транзистора при перегрузке. В приведенной схеме транзистор VT1 — регулирующий, VT3 — усилительный, VT2 — транзистор защиты. Напряжение между базой и эмиттером транзистора VT2 равно сумме напряжений на части резистора R3 и резистора R4.

При номинальном токе нагрузки транзистор VT2 заперт и не влияет на работу стабилизатора. При увеличении тока нагрузки выше заданного уровня транзистор VT2 открывается, за счёт увеличения падения напряжения на резисторе R4 и переводит регулирующий транзистор в режим стабилизации тока.

После устранения причины перегрузки или короткого замыкания, напряжение на выходе стабилизатора автоматически восстанавливается. Величина тока перегрузки выставляется с помощью резистора R3. Резисторы R3, R4 и транзистор образуют датчик перегрузки и схему сравнения, а регулирующий транзистор VT1 является, в то же время, исполнительным элементом схемы защиты.

Включенные параллельно транзистору VT1, стабилитроны ограничивают напряжение на нём и разгружают его по току при повышении входного напряжения и уменьшении сопротивления нагрузки.

Ток, протекающий через стабилитроны VD1, VD2 в аварийном режиме, имеет значительную величину, поэтому стабилитроны должны выбираться достаточно мощными. Стабилитрон VD3 включен параллельно усилительному транзистору VT2 и служит для его защиты. Поэтому среднее значение прямого тока стабилитрона VD3 должно быть одного порядка с коллекторным током транзистора VT2. Очевидно, что устранение причины перегрузки приводит к автоматическому восстановлению нормальной работы стабилизатора.

В цепях защиты стабилизированных источников питания применяются и оптоэлектронные пары, например, такие как светодиод-фототранзистор. При достижении током нагрузки предельного значения световой поток светодиода, как датчика перегрузки, открывает фототранзистор.

Обычно устройства защиты снабжаются индикаторами (лампами накаливания, неоновыми лампами, светоизлучающими диодами), сигнализирующими о перегрузке и месте её возникновения.

В качестве схемы защиты в предлагаемом импульсном стабилизаторе используем схему защиты на оптоэлектронной паре светодиод-фототранзистор, наиболее подходящую по быстродействию и простоте реализации (рис. 2.4).

2.4 Схемотехника импульсного стабилизатора напряжения на +24 В, 10А и его основные параметры

Функционально импульсный блок питания состоит из следующих частей (рис. 2.3):

1. входного выпрямителя и фильтра;

2. силовой части;

3. схемы управления с обратной связью;

4. блока вспомогательного питания;

5. выходного выпрямителя и фильтра.

Рис. 2.3 — Структурная схема импульсного источника питания Сетевое напряжение выпрямляется и отфильтровывается с помощью ёмкостного фильтра. Далее постоянное напряжение (нестабилизированное) преобразуется в напряжение высокой частоты (60 кГц), которое трансформируется в более низкое напряжение. Затем оно выпрямляется и отфильтровывается.

Система управления вырабатывает импульсы управления ключевым транзистором, сравнивая опорное стабилизированное напряжение с выходным напряжением на нагрузке. Этой разницей и определяется скважность импульсов управления.

2.4.1 Разработка принципиальной схемы и описание ее узлов На рисунке. 2.4 представлена принципиальная схема разработанного импульсного источника питания, соответствующая структурной схеме, изображенной на рис 2.3. схема представляет собой обратно входовой преобразователь напряжения, выполненный на полевом МДП транзисторе. Управление ключевого транзистора VT1 производится от драйвера DA1, выполненного на ИМС. Сетевое напряжение выпрямляется диодным мостом VD1-VD4 и фильтруется с помощью конденсаторов С2, С3. Защита от короткого замыкания осуществляется с помощью транзистора VT3 и оптрона VT4. Выходное напряжение преобразователя выпрямляется диодами VD12, VD13 и сглаживается емкостным фильтром С11 — С14.

Рис. 2.4 — Схема электрическая принципиальная Вспомогательный источник питания представляет собой интегральный стабилизатор напряжения DA2. Трансформатор Т1, диодный мост VD3-VD6, вырабатывают напряжение, необходимое для нормальной работы интегрального стабилизатора.

Рассмотрим работу отдельных узлов принципиальной схемы.

Преобразователи обратного хода относятся к семейству первичных импульсных источников питания (ИИП), обеспечивающих электрическую развязку между входными и выходными цепями. Такие преобразователи в основном используются в электронных устройствах мощностью приблизительно до 300 Вт (телевизорах, персональных компьютерах, принтерах и т. д.), работающих от сети.

По сравнению с другими типами импульсных источников питания преобразователи обратного хода состоят из очень небольшого количества элементов. Другим их достоинством является то, что один блок управления может одновременно работать с несколькими изолированными выходными цепями.

На рис. 2.5 показана основная схема преобразователя обратного хода. Транзистор работает как ключ, работой которого управляет напряжение, снимаемое с ШИМ.

Рис. 2.5- Преобразователь обратного хода Когда транзистор открыт, напряжение на первичной обмотке трансформатора равно входному напряжению, что приводит к линейному росту тока .

В течение этой фазы рабочего цикла энергия запасается в сердечнике трансформатора. Поскольку при открытом транзисторе диод закрыт, ток во вторичной обмотке равен нулю. При закрытом транзисторе нулевым становится ток, а напряжения на трансформаторе в соответствии с законом Фарадея меняют знаки. Это приводит к открытию диода и передаче энергии от сердечника на выходной конденсатор.

Когда транзистор открыт, его напряжение сток-исток равно 0 (рис. 2.4). Когда транзистор закрывается, выходное напряжение возвращается обратно в первичную цепь, что теоретически приводит к повышению напряжения сток-исток:. Если напряжение в сети равно 230 В/50 Гц, то напряжение становится равным 700 В. На практике это напряжение вследствие явления самоиндукции на индуктивности рассеяния трансформатора будет даже выше. Поэтому минимальное номинальное напряжение пробоя перехода сток-исток должно быть в этом случае не менее 800 В.

Функция трансформатора заключается в накоплении энергии в течение одной фазы рабочего цикла и передаче её на выходной конденсатор в течение второй фазы цикла. Поэтому его можно рассматривать как дроссель с двумя обмотками: первичной и вторичной. Для хранения энергии в сердечнике трансформатора делают воздушный зазор. Для уменьшения индуктивности рассеяния первичная и вторичная обмотки должны быть сильно связаны друг с другом. Следует отметить, что энергия индуктивности рассеяния не может быть передана во вторичную цепь, и поэтому она выделяется в виде тепла в первичной цепи, что ведёт к её нагреву.

Рис. 2.6 — Диаграммы токов и напряжений преобразователя обратного хода:

а) Vpwm — входное напряжение на полевой транзистор; б) VDs — постоянное напряжение на диоды VD12-VD13; в) напряжение на трансформаторе;

г) I1 — ток первичной обмотки; д) IL — ток в индуктивности

2.4.2 Проектирование преобразователей обратного хода Среднее значение напряжения в первичной цепи трансформатора при соблюдении условий стационарности должно быть равно нулю (в противном случае ток будет расти до бесконечности). Следовательно:

Соотношение витков в обмотках трансформатора выбирается из условия равенства значений выходной номинальной мощности во время стадии накопления энергии и во время стадии передачи энергии :

В этом случае напряжение пробоя транзистора и обратное напряжение диода равны:

транзистора:

диода:

Следует отметить, что номинальное напряжение пробоя транзистора должно быть значительно выше этого значения, поскольку при закрытом состоянии транзистора энергия, запасённая на индуктивности рассеяния трансформатора, не переносится во вторичную цепь. Для ограничения величины перенапряжения в схему преобразователя вводится гасящая цепочка (рис. 2.7). В момент запирания транзистора ток индуктивности рассеяния через диод D начинает заряжать конденсатор С. При этом мощность рассеивается на резисторе R.

Рис. 2.7- Преобразователь обратного хода с гасящей цепочкой для ограничения пикового напряжения на транзисторе Если R и С должны работать при 230 В, то значение R подбирается экспериментально так, чтобы падение постоянного напряжения на конденсаторе составило 350…400 В.

Перед тем как приступить к расчёту трансформатора, определяют значение индуктивности первичной обмотки (рис. 2.7). В фазе открытого состояния транзистора в индуктивности накапливается энергия, которую необходимо передать на выход преобразователя. Величина этой энергии определяется выражением:, где Т — период частоты переключения, а — номинальная мощность. В фазе закрытого состояния транзистора эта энергия передаётся на выходной конденсатор. Как и в предыдущих случаях, весь цикл делится на две равные стадии. В течение первой из них происходит накопление энергии, в течение второй — её передача.

Во время первой стадии напряжение на первичной обмотке трансформатора равно, а ток через неё имеет форму пилы. Входная мощность за период определяется выражением (рис. 2.7):

Эта энергия сохраняется в индуктивности и может быть записана:

.

Отсюда находится величина индуктивности:

где предполагается, что КПД равен 100%. Если до выхода доходит не вся энергия, запасённая в первичной обмотке, т. е. 100%, то индуктивность равна:

Отсюда видно, что для определения индуктивности необходимо знать КПД преобразователя, которая для оценки обычно берётся равной 0,75.

Рис. 2.8- Форма входного тока при номинальной мощности Пиковое значение тока определяется выражением:

СКЗ равно:

Выходной конденсатор заряжается импульсами тока (рис. 2.6). Пульсации выходного напряжения связаны с пульсациями зарядного тока и в основном зависят от импеданса конденсатора, который можно найти в справочных таблицах. Размах пульсаций выходного напряжения :

.

При сетевом напряжении 230 В/50 Гц емкость входного конденсатора:

Характерной особенностью преобразователей обратного хода является возможность управления несколькими выходными цепями при помощи одного регулятора (рис. 2.9).

Рис. 2.9- Преобразователь прямого хода на одном транзисторе Одно регулируемое выходное напряжение, электрически независимое от входного напряжения. Выходная мощность повышается до нескольких сотен ватт. Напряжение пробоя транзистора. Коэффициент заполнения управляющей импульсной последовательности. Требует очень сильной магнитной связи. Используется маленький сердечник без воздушного зазора.

2.5 Расчет элементов и параметров модернизированного стабилизатора напряжения (стабилизатор +24 В, 10А, блок БК5.087.082)

2.5.1 Выходной выпрямитель и емкостной фильтр Напряжение сети в схеме выпрямляется с помощью диодного моста.

Для расчёта ёмкостного фильтра (С2) использован метод упрощённого расчёта конденсатора.

Термистор R1 предназначен для ограничения пускового тока заряда фильтрующего конденсатора C2. В холодном состоянии сопротивление термистора относительно велико, при дальнейшем протекании через него зарядного тока термистор разогревается, и сопротивление его резко уменьшается.

Мощность потребляемая от сети (без учёта потерь) 300Вт, таким образом максимальный средний ток потребления не более 2 А. выбирается термистор на больший ток — 5 А.

R1 — SCK-105 fc=50 Гц, суммарное падение напряжения на выпрямительных диодах UУ=1,2 В, эффективное напряжение сети Uэфф=220 В (-20%+15%), максимальная мощность, отдаваемая в нагрузку Pd=300 Вт, коэффициент пульсаций на выходе входного фильтра 5%.

Рис. 2.10 — Временные диаграммы выпрямленного напряжения и потребляемого от сети тока (б — угол отсечки)

где Ud — выпрямленное напряжение сети; U — амплитуда первой гармоники выпрямленного напряжения; - потери на диодах.

В.

Угол отсечки:

Ток, протекающий через фильтрующую ёмкость:

В конечных приращениях:

где — время разряда конденсатора; - ток через конденсатор; - изменение напряжения на конденсаторе за время разряда.

В.

Так как пульсации малы, то можно сделать допущение о постоянстве выпрямленного тока.

А.

Время разряда конденсатора:

с Емкость конденсатора:

мкФ.

Максимальное напряжение на конденсаторе:

В.

Максимальный ток, потребляемый от сети:

А.

Этим параметрам удовлетворяет конденсатор EPL 470мкФ/450 В фирмы HITANO

Емкость…470мкФ20%

Номинальное напряжение…450 В Максимальный ток при пульсациях с частотой 120Гц…9А Размеры (диаметр и высота)…3550

Ток утечки:

[мкА].

мкА.

Так как выбранная ёмкость превышает расчётную, то это приведёт к увеличению максимального тока.

Изменение напряжения на ёмкости за время разряда составит:

В.

Коэффициент пульсаций:

Угол отсечки:

.

Максимальный ток, потребляемый от сети:

А.

Среднее значение тока через выпрямительные диоды, А Максимальное обратное напряжение, приложенное к диодам:

В.

Данным требованиям удовлетворяет мост KBPPC-1008/W фирмы WTE (VD1)

Максимальное обратное напряжение…800 В Максимальный импульсный ток…200А Средний ток…10А