ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ И ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И ИХ КОМПОНЕНТЫ

Классификация источников электропитания и технические требования к ним

Источники электропитания (ИЭП) электронной аппаратуры (ЭА) в зависимости от назначения обеспечивают изменение уровня входного напряжения, выпрямление, инвертирование, стабилизацию. фильтрацию, защиту и комбинацию этих функций. Различное назначение, широкий диапазон характеристик предопределяют большое их разнообразие. Поэтому целесообразно провести классификацию ИЭП по следующим основным параметрам.

По входным параметрам: ИЭП с входным напряжением переменного тока (однофазного или трехфазного), ИЭП с входным напряжением постоянного тока. ИЭП с входными напряжениями переменного и постоянного токов.

По выходной мощности Рвых: ИЭП микромощные (Рвых < <1 Вт), малой мощности (Р|ШХ = 1...10 Вт), средней мощности (Рвых = = 10... 100 Вт), повышенной мощности (Рвых = 100... 1000 Вт), большой мощности (Рвых > 1000 Вт). Отдельную группу составляют ИЭП с выходной мощностью 2,5...1000 кВт для электропитания мощных передающих и приемных устройств, ускоряющих электродов ионной оптики и другой ЭА.

По виду выходной электроэнерги и: ИЭП с выходным напряжением переменного тока (одно- или многофазного), с выходным напряжением постоянного тока, комбинированные (с выходными напряжениями переменного и постоянного токов).

По номинальному значению выходного напряжения UmAX: ИЭП с низким ({/вых <100 В), повышенным (Г/вых = = 100... 1000 В), высоким (?/1ШХ > 1000 В) напряжением. Источники электропитания с уровнем выходного напряжения свыше 1000 В принято называть высоковольтными. У этих источников рабочие цепи находятся под потенциалом относительно «земли», равным рабочему напряжению. Используются также ИЭП, рабочие цепи которых находятся под потенциалом относительно «земли» выше рабочего напряжения. Такие источники применяются обычно в радиопередающих устройствах, где уровень потенциала превышает 1000 В. В этом случае источники электропитания называются высокопотен- циальными.

По степени постоянства выходного напряжения (тока): ИЭП нестабилизирующие и стабилизирующие. Стабилизирующие ИЭП обеспечивают постоянство выходного напряжения (тока) на заданном уровне при воздействии влияющих величин (изменении входного напряжения, выходного тока, температуры окружающей среды и др.). Они имеют в своем составе стабилизатор напряжения (тока), который конструктивно может быть выполнен в виде отдельного функционального узла.

По допустимому отклонению номинального значения выходного напряжения (тока): ИЭП низкой точности (более 5 %), средней точности (1...5 %). высокой точности (0,1...1 %), прецизионные (менее 0,1 %).

По уровню пульсации (переменной составляющей) выходного постоянного напряжения (тока): ИЭП с малым уровнем пульсаций (менее 0,1 %), со средним уровнем (0,1... 1 %), большим уровнем (более 1 %).

П о ч и с л у выходов: ИЭП одноканальные (один выход) и многоканальные (два и более выходов).

В большинстве случаев ИЭП содержат трансформатор, обеспечивающий заданный уровень напряжения и гальваническую развязку входных и выходных цепей. При внешней сети постоянного тока на входе трансформатора устанавливается инвертор (преобразователь напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока).

Стабилизирующие ИЭП имеют в своем составе стабилизатор напряжения (тока) - функциональный узел, осуществляющий стабилизацию выходного напряжения (тока).

По способу стабилизации выходного напряжения (тока) различают ИЭП с параметрическими или компенсационными стабилизаторами напряжения (тока).

При параметрическом способе стабилизации в ИЭП отсутствует цепь обратной связи и стабилизация осуществляется за счет использования нелинейных компонентов, параметры которых автоматически изменяются при воздействии влияющих величин таким образом, что выходное напряжение (ток) остается неизменным. Нелинейный компонент может быть включен как со стороны выходного напряжения параллельно нагрузке, так и со стороны входного напряжения. Схемы параметрического способа стабилизации просты и надежны, но с их помощью нельзя осуществить плавную регулировку выходного напряжения и необходимую точность его установки. Источник электропитания с параметрическим стабилизатором обычно применяется при выходных мощностях до единиц ватт, небольшом КПД и широких пределах допуска на установку выходного напряжения.

Компенсационные стабилизаторы напряжения позволяют плавно регулировать выходное напряжение ИЭП, обеспечивают высокую точность установки и стабилизации выходного напряжения. При компенсационном способе стабилизация осуществляется за счет воздействия изменения выходного напряжения на регулирующее устройство (РУ) через устройство обратной связи (УОС).

По месту включения РУ при компенсационном способе стабилизации различают ИЭП с включением РУ на выходе последовательно с нагрузкой (последовательные стабилизаторы напряжения или тока) и параллельно нагрузке (параллельные стабилизаторы напряжения или тока), а также ИЭП с включением РУ на стороне системы электроснабжения перед первичной обмоткой трансформатора.

По роду работы регулирующего устройства различают ИЭП непрерывного и ИЭП импульсного действия. В стабилизаторах напряжения (тока) непрерывного действия РУ работает в непрерывном режиме (его сопротивление плавно изменяется под воздействием влияющих величин). В стабилизаторах напряжения (тока) импульсного действия РУ работает в импульсном режиме (под воздействием влияющих величин изменяется длительность и периодичность его включения).

Рассмотрим особенности построения ИЭП различных типов на примере укрупненных структурных схем, приведенных на рис. 1.1. При системе электроснабжения переменного тока на входе ИЭП устанавливаются трансформатор Т и выпрямитель В. к выходу которого подключается стабилизатор напряжения. Выходное напряжение ИЭП подается на вход устройства сравнения УС, входящего в состав устройства обратной связи УОС, где оно сравнивается с напряжением источника опорного напряжения ИОН. Сигнал ошибки

а

б

в

Структурная схема (начало)

Рис. 1.1. Структурная схема (начало)

г

Структурная схема (окончание)

Рис. 1.1. Структурная схема (окончание):

п ИЭГ1 с последовательной стабилизацией напряжения; 6 ИЭ11 с параллельной стабилизацией напряжения; а стабилизатора напряжения с иольтодобаикон;

/ стабилизатора напряжения с регулирующим устройством во входной цени;

Э НЭП с развязывающим входным трансформатором; е ИЭП бел трансформатора на входе; Т трансформатор; В выпрямитель; РУ регулирующее устройство; УНТ ус ил п тел ь постоя иною тока: УС устройство сравнения; УОС устройство обратной связи; ИО! I источник опорного напряжения

через усилитель постоянного тока У ПТ подается в необходимой фазе на управляющий вход регулирующего устройства РУ, изменяя его сопротивление таким образом, что напряжение на выходе ИЭП поддерживается с заданной степенью точности. В параллельном стабилизаторе напряжения постоянство выходного напряжения достигается за счет изменения тока РУ, протекающего через гасящий резистор Rv (рис. 1.1. б). Источники электропитания с РУ, включенным в выходные цепи, позволяют получить низкий коэффициент пульсаций выходных напряжений и низкое динамическое внутреннее сопротивление.

На рис. 1.1,в приведена структурная схема ИЭП с волыподобпв- койу в которой последовательно со стабилизатором напряжения включен нерегулируемый выпрямитель В1. В этой схеме стабилизатор рассчитывается на выходное напряжение с учетом возможного диапазона его изменения под воздействием влияющих величин. Вольтодобавка упрощает схему регулирования, но не уменьшает мощности рассеяния в регулирующем устройстве. Качество выходного напряжения у этой схемы ниже по сравнению со схемами, приведенными на рис. 1.1, а и б.

В источниках электропитания с включением РУ во входной цепи максимальное рабочее напряжение на регулирующем устройстве не зависит от значения выходного напряжения. Регулирующее устройство в таких схемах включается в цепь переменного тока (рис. 1.1, г) и выполняется на полупроводниковых приборах или дросселях насыщения.

Разновидностями ИЭП с включением РУ во входную цепь являются схемы, выполненные на базе регулируемых инверторов РИ, преобразующих постоянный ток в переменный с повышенной частотой. При этом регулируемый инвертор может быть подключен к системе электроснабжения через развязывающий трансформатор ТР (рис. 1.1. Э) или непосредственно через сетевой выпрямитель ВС (рис. 1.1, е) по схеме без трансформатора на входе.

Основными параметрами, характеризующими качество ИЭП, являются следующие: показатели надежности; значения и отклонения напряжения и тока входной сети (системы электроснабжения); значения нестабильности и пульсаций выходного напряжения; наличие защиты при аварийных режимах; коэффициент полезного действия; габаритные размеры и масса.

Степень важности отдельных показателей определяется конкретным видом нагрузки и условиями эксплуатации, однако для любого ИЭП надежность работы является его важнейшей характеристикой. Она оценивается временем наработки на отказ и вероятностью безотказной работы. Выбор показателей надежности определяется назначением ЭА. Так, наибольшую наработку на отказ должна обеспечивать аппаратура, размещаемая на необслуживаемых объектах (космические аппараты, морские буи и т. п.). Наибольшая вероятность безотказной работы требуется от ЭА, функционирование которой в течение заданного (сравнительно небольшого) времени должно быть гарантировано. К таким объектам относятся медицинская аппаратура, ракетная техника и т. п. Наработка на отказ отдельных составных частей (функциональных узлов) ИЭП обычно составляет (50... 100) -10* ч, а самих ИЭП (20...70) -10'* ч. Вероятность безотказной работы источников и их функциональных узлов составляет примерно 0,95 за 1000 ч непрерывной работы.

Значение пульсаций выходного напряжения ИЭП определяет его электромагнитную совместимость с нагрузкой. Электронная аппаратура, выполненная на цифровых компонентах, предъявляет умеренные требования к пульсациям ИЭП. Так, для электропитания цифровых микросхем допустимо напряжение постоянного тока с переменной составляющей не более 1 %. Для аналоговой аппаратуры в большинстве случаев допустима пульсация 0,1...0,2 % от уровня выходного напряжения. К источникам электропитания высокого напряжения передающих устройств могут предъявляться требования по значениям и составу гармонических составляющих выходного напряжения. Наличие этих требований определяется режимом обработки сигнала в приемопередающей аппаратуре (непрерывный, квазинеп рерывный, импульс н ый ).

Изменение входного тока источника электропитания при динамическом характере нагрузки определяет возможность его электромагнитной совместимости с системой электроснабжения, особенно с системой ограниченной мощности. Уровень электромагнитных помех со стороны НЭП в систему электроснабжения в существенной степени зависит от значения реактивной составляющей входного тока, а при коммутации переменного тока - еще и от мгновенного значения входного напряжения. Применение входного фильтра уменьшает пульсации на входе источника как со стороны системы электроснабжения, так и со стороны самого источника. Помехи от ИЭП не должны превышать значений, установленных в нормативно-технической документации.

Нестабильность выходного напряжения стабилизирующего ИЭП до 2% от номинального напряжения для многих видов нагрузок (в том числе передающих и индикаторных устройств) может быть приемлемой. В отдельных случаях требования бывают более жесткими и отклонение напряжения от номинального не должно превышать 1%. Наибольшее влияние на нестабильность выходного напряжения оказывают диапазоны изменения температуры окружающей среды и выходного тока. При импульсном характере и широком диапазоне изменения тока, потребляемого нагрузкой, обеспечение требований по нестабильности выходного напряжения может вызвать значительное усложнение схемы и конструкции ИЭП. Нестабильность выходного напряжения в течение заданного промежутка времени (например, в течение 24 ч) может быть задана не более 0,02%.

Нестабильность выходного напряжения высоковольтных ИЭП определяется не только схемными, но и конструктивно-технологическими параметрами. Это вызвано тем, что наличие высокого напряжения является предпосылкой для увеличения токов утечки. В маломощных устройствах под воздействием влияющих величин, в первую очередь повышенной влажности, токи утечки могут быть сравнимы с выходным током, что приведет к изменению выходного напряжения.

Коэффициент полезного действия (КПД) ИЭП во многом определяется сочетанием выходных напряжений и токов. При одинаковой выходной мощности источники с более высоким выходным напряжением, как правило, имеют более высокий КПД. Однако в маломощных ИЭП высокого напряжения, например в ИЭП электронно-лучевых трубок, получение высокого КПД затруднено, так как режим их работы близок к режиму холостого хода. В источниках с большими выходными токами КПД определяется в основном мощностью тепловых потерь и возможностью отвода теплоты от источника при заданных условиях охлаждения и конструктивном исполнении. В низковольтных ИЭП КПД обычно составляет при непрерывном преобразовании 45...55%, при импульсном преобразовании 75...90%. В источниках высокого напряжения при выходной мощности до 1 кВт оптимальный КПД составляет примерно 55...70%.

Технические требования к характеристикам ИЭП должны выполняться в заданных условиях эксплуатации ИЭП. Эти условия определяются назначением аппаратуры, в которой используются источники, и могут существенно различаться. Если аппаратура размещается в отапливаемом помещении, то она рассчитывается на температуру окружающей среды от +5 до +40 °С. атмосферное давление не ниже 460 мм рт. ст. и относительную влажность воздуха 95 % при температуре 30 X. Если же аппаратура размещается на подвижных наземных носителях (колесных и гусеничных самоходах), то диапазон изменения температуры расширяется от -50 до +65 X, а относительная влажность воздуха повышается до 98... 100%.

Источники электропитания должны выдерживать циклическое изменение температуры окружающей среды. Особенно критичны к такому режиму герметизируемые конструкции, а также устройства высокого напряжения, для конструкций которых характерна большая толщина слоя изолирующего компаунда. Значительный перепад температур обычно имеет место при подъеме и последующем снижении аппаратуры. Так, при подъеме на высоту более 9000 м температура окружающей среды за короткое время достигает -60 X. При эксплуатации в составе самолетной аппаратуры ИЭП должны сохранять работоспособность в условиях атмосферного давления 5 мм рт. ст.

К источникам электропитания предъявляются также требования по устойчивости к воздействию проникающей радиации. В этом случае необходимо учитывать обратимые и необратимые изменения, происходящие в полупроводниковых структурах, конденсаторах, электромагнитных компонентах и др. Наиболее критичным параметром для высоковольтной конструкции ИЭП является сопротивление изоляции. При плотности потока нейтронов 1011см2/с и мощности дозы у-излучения 10'{ Р/с сопротивление изоляции может снижаться на несколько порядков.

Источники электропитания совместно с устройствами защиты и коммутации образуют систему электропитания (СЭП). Различают централизованную, децентрализованную и комбинированную СЭП.

В централизованной СЭП электропитание нескольких автономных устройств ЭА осуществляется от общих для них ИЭП через устройства распределения. Число одноканальных ИЭП в централизованной СЭП, как правило, равно числу номиналов напряжений, требуемых для устройств ЭА.

В децентрализованной СЭП каждое автономное устройство ЭА обеспечивается электропитанием от собственных ИЭП. Количество собственных одноканальных ИЭП в децентрализованной СЭП обычно больше числа номиналов напряжений, требуемых для конкретного вида ЭА. Несмотря на то, что концепция распределенного электропитания известна достаточно давно, эти системы долгое время почти не применялись. Основная причина заключалась в том, что преобразователи из постоянного напряжения в постоянное (так называемые DC/DC преобразователи) того времени с выходной мощностью 5...50 Вт были достаточно громоздкими и тяжелыми, т. е. имели низкие массогабаритные характеристики [Вт/дм*] и [Вт/кг]. Только сравнительно недавно, с появлением компактных DC/DC преобразователей, которые можно устанавливать на печатную плату как компоненты, концепция распределенных систем электропитания реально начала воплощаться в жизнь. Данный тип преобразователя выполняется на бескорпусных ЭРИ в виде гибридных мнкросборок.

В комбинированной СЭП электропитание автономного устройства ЭА производится как от общего (централизованного), так и от автономного ИЭП, принадлежащего данному устройству ЭА.

С точки зрения качества используемого электропитания ЭА можно разделить на две группы. К первой группе относится аппаратура, в которой наряду с обработкой сигналов осуществляется их формирование (аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, приемники, передатчики и т. п.). Требования к качеству напряжения электропитания в такой аппаратуре составляют ±(1...2)% по допустимой нестабильности и 0,1...0,02% по переменной составляющей. Для выполнения этих сравнительно высоких требований в такой аппаратуре целесообразно использовать децентрализованные или комбинированные СЭП. Ко второй группе относится аппаратура, в которой не осуществляется формирование сигналов, а также цифровая аппаратура, не требующая высокого качества электропитания. Для такой аппаратуры целесообразно применять централизованный принцип построения СЭП с применением ИЭП импульсного действия.

Централизованные СЭП рекомендуется использовать в вычислительных комплексах и подсистемах ЭА, потребляющих большие мощности и имеющих ограниченный ряд напряжений. При этом целесообразно резервирование в качестве основного средства повышения надежности СЭП.

Требования к показателям надежности СЭП определяются с одной стороны показателями надежности нагрузки, а с другой - показателями надежности системы электроснабжения (СЭС), выходное напряжение которой является входным напряжением для СЭП. Основной характеристикой СЭС является степень бесперебойности подачи электроэнергии. Они могут иметь наработку на отказ до 50 тыс. ч при наличии резервного источника электроэнергии и устройства гарантированного электроснабжения, порядка 10 тыс. ч при наличии резервного источника электроэнергии и около 2 тыс. ч при отсутствии резервного источника электроэнергии. При этом СЭС содержит не менее двух одновременно работающих источников электроэнергии, каждый из которых может полностью обеспечить электроэнергией нагрузку.

Наработка на отказ устройства нагрузки в существенной мере зависит от элементной базы. Так, устройства на интегральных схемах (ПС) и больших интегральных схемах (БИС) имеют высокие показатели надежности (более 100 тыс. ч). а устройства, использующие электровакуумные и электромеханические приборы, сравнительно низкую наработку на отказ (порядка сотен часов).

При определении требований к показателям надежности СЭП необходимо учитывать уровень мощности и рабочего напряжения. При достаточно большой выходной мощности СЭП в ее составе неизбежно применение большого количества (обычно соединенных параллельно) транзисторов, диодов и других компонентов, снижающих надежность устройства. При высоком уровне рабочего напряжения применяются последовательно соединенные сравнительно низковольтные электрорадиоизделия (ЭРИ), которые также ухудшают показатели надежности СЭП.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >