Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование

Рассмотрены схемотехнические и конструкторские решения при разработке низковольтных и высоковольтных источников электропитания электронных средств.

Отмечены особенности, определяемые характеристиками систем автономного электроснабжения, характером нагрузки, условиями эксплуатации и схемотехническим исполнением.

Приведены методики построения параметрических рядов модулей электропитания и способы обеспечения заданных температурных режимов. Расчеты и теоретические положения подкреплены примерами схемного и конструктивного исполнения источников электропитания и их узлов.

Содержание

Глава 1. Системы электроснабжения электронных средств

• Классификация источников электропитания
• Общие требования к источникам электропитания электронных средств
• Системы автономного электроснабжения
• Построение и характеристики систем автономного электроснабжения
• Химические источники тока
• Автономные источники электроэнергии на базе солнечных батарей

Глава 2. Схемотехническое проектирование источников электропитания

• Выпрямители
• Сглаживающие фильтры
• Стабилизаторы напряжения постоянного тока непрерывного действия
• Параметрические стабилизаторы
• Компенсационные стабилизаторы
• Импульсные источники электропитания
• Однотактные однофазные преобразователи напряжения
• Двухтактные однофазные преобразователи напряжения
• Многофазные преобразователи напряжения
• Преобразователи напряжения с амплитудной модуляцией по входу инвертора
• Источники электропитания с микропроцессорным регулированием напряжения

Глава 3. Компоненты источников электропитания

• Биполярные транзисторы
• Полевые транзисторы
• Ключи на биполярных транзисторах
• Ключ на полевых транзисторах
• Ключи на полевых и биполярных транзисторах
• Трансформаторы
• Полупроводниковые диоды
• Дроссели
• Конденсаторы

Глава 4. Источники электропитания электронных средств

• Многоканальные источники электропитания персональ­ных ЭВМ
• Модуль электропитания вычислительных средств на ба­зе шины VME
• Источники электропитания высокого напряжения для передающих устройств
• Источники электропитания с непрерывными стабилиза­торами напряжения
• Высоковольтный источник электропитания с выходной мощностью 14 кВт
• Мощные высоковольтные источники электропитания с резонансным LC-контуром
• Устройства защиты мощных высоковольтных электрон­ных средств
• Высоковольтные источники электропитания индикаторных устройств
• Высоковольтные выпрямители
• Высоковольтные источники электропитания с промежу­точным преобразованием частоты

Глава 5. Конструкторское проектирование источников электропитания

• Параметрические и типоразмерные ряды — основа стан дартизации и унификации ИЭП и их модулей
• Определение вида целевой функции и ограничений
• Последовательность расчета оптимального типоразмерного ряда
• Пример расчета оптимального типоразмерного ряда радиаторов полупроводниковых приборов ИЭП
• Конструирование источников электропитания и их функциональных узлов
• Модули нулевого уровня
• Модули первого и второго уровней
• Конструктивные требования к модулям ИЭП
• Компоновка модулей ИЭП
• Обеспечение электромагнитной совместимости модулей ИЭП
• Обеспечение заданного теплового режима модулей ИЭП
• Защита ИЭП от механических воздействий
• Расчет надежности ИЭП
• Конструирование высоковольтных и высокопотенциальных источников электропитания
• Входной выпрямитель
• Выходной выпрямитель
• Делитель напряжения
• Высоковольтный коммутатор
• Высоковольтный трансформатор
• Узлы электрических соединителей
• Высоковольтные трансформаторы преобразователей на­пряжения
• Высоковольтные трансформаторно-выпрямительные модули (ВТВМ)
• Узлы на печатных платах
• Узлы на керамических подложках
• Конструкционные материалы высоковольтных ИЭП

Предисловие

Широкое внедрение электронных средств во все сферы человеческой деятельности (быт, автоматизированное проектирование и производство, оборонная техника, космос и т.п.) определяет большой объем технических, эксплуатационных и экономических требований как к самим электронным средствам, так и к составляющим их составным узлам и устройствам. Одним из таких устройств, входящих в состав практически всех электронных средств, является источник электропитания. Только правильно спроектированный и сконструированный источник электропитания способен обеспечить нормальную работу электронного средства за все время его жизненного цикла.

Государственными стандартами дано определение источника электропитания (ИЭП) как устройства, преобразующего поступающие на электронное средство напряжение и ток до оговоренных в технической документации номиналов, показателей стабильности и надежности. Именно этот вид ИЭП, который иногда называют вторичным источником электропитания, наиболее распространен. Применяются также автономные ИЭП, использующие химико-электрические гальванические элементы, электрохимические аккумуляторы, биохимические и биологические элементы, атомно-электрические устройства и др., проектирование которых весьма специфично.

В предлагаемом вниманию читателя учебнике авторами сделана попытка изложить особенности схемотехнического и конструкторского проектирования источников электропитания для различных электронных средств с использованием современной элементной базы. В основу учебника положены результаты исследований и разработок, выполненных в том числе авторами на предприятиях радиопромышленности, а также курс «Источники электропитания РЭС и ЭВМ», читаемый авторами студентам МГТУ им. Н.Э. Баумана, проходящим подготовку по специальностям «Конструирование и технология ЭВМ» и «Проектирование и технология РЭС».

Ограниченный объем учебника не позволил рассмотреть все вопросы, связанные с созданием источников электропитания, в частности не рассмотрен столь важный раздел, как организация производства ИЭП и обеспечение их качества в процессе производства. По мнению авторов, эти проблемы достаточно подробно рассмотрены в учебно-методической и технической литературе применительно к электронной аппаратуре. По этой же причине также не рассмотрены в полном объеме вопросы обеспечения надежности. Введение

Электронным средством (ЭС) принято называть изделие и его составные части, в основу функционирования которых положены принципы электроники. Если в основу функционирования ЭС положены также принципы радиотехники, то такое электронное средство называется радиоэлектронным средством (РЭС), а если принципы и методы вычислительной техники — электронно-вычислительным средством (ЭВС). В зависимости от функциональной сложности ЭС различают следующие уровни их разукрупнения: электронная система, электронный комплекс, электронный блок, электронный функциональный узел. Для различных видов и уровней ЭС требуется создание различных по схемотехническим и конструкторским решениям источников электропитания (ИЭП).

За прошедшие более чем 100 лет от момента появления первого электронного средства (радио А.С. Попова) до наших дней сменилось несколько поколений электронных средств, имеющих принципиальные отличия друг от друга по функциональным возможностям, виду применяемой элементной базы, конструктивно-технологическим решениям и т.п. Это в равной мере относится как к радиоэлектронной аппаратуре бытового назначения, так и системам управления сложными техническими объектами, такими как воздушные лайнеры, космические аппараты и др. Однако в каждом из видов электронных средств, будь то вычислительная машина или система управления роботом, CD-проигрыватель или радиолокационная станция, узел управления холодильником или электрокардиографом, имеется система, устройство или элемент, выполняющие одну и ту же функцию: обеспечение электропитанием всех входящих в данное средство элементов (электронных ламп, транзисторов, микросхем и др.). Наличие в том или ином электронном средстве, каким бы сложным оно ни было, источника электропитания настолько очевидно, что на общей функциональной электрической схеме этого средства он даже не указывается. При этом оговаривается лишь перечень номиналов напряжений, мощность по выходу каждого канала и стабильность (если это необходимо). А между тем любое электронное средство, даже если оно состоит только из одного транзистора, требует очень внимательного отношения к источнику электропитания.

При создании электронного средства определенного класса и назначения (электронно-вычислительная, медицинская и бытовая электронная техника, средства автоматизации) источник или система электропитания могут быть подобраны из серийно выпускаемых промышленностью унифицированных ИЭП. В некоторых странах существуют фирмы, специализирующиеся на промышленном выпуске источников электропитания, и потребитель имеет возможность выбрать тот, который ему наиболее подходит. Однако, если по эксплуатационным, конструктивным или другим соображениям серийно выпускаемые источники электропитания не удовлетворяют потребителя, необходимо разработать новый с учетом всех правил и ограничений, специфичных для этого вида электронных средств. Если рассматривать электронное средство как устройство, потребляющее электрическую энергию, то в общем виде оно может состоять из двух частей: системы или источника электропитания и нагрузки. Если электронное средство размещается на подвижном объекте, то в его состав входит также система автономного электроснабжения, которая преобразует различные виды энергии (механическую, тепловую, световую, химических реакций и др.) в электрическую. Система электропитания обеспечивает по заданной программе электропитанием все цепи электронного средства, а источники электропитания — отдельные цепи или самостоятельные приборы.

Системы и источники электропитания содержат функциональные узлы, которые в зависимости от назначения выполняют функции выпрямления, фильтрации, усиления, стабилизации, защиты, коммутации, сигнализации и др. В зависимости от качества выходного напряжения различают источники электропитания стабилизирующие и не стабилизирующие. Стабилизирующие ИЭП обеспечивают постоянство выходного напряжения на заданном уровне при воздействии, например, изменений входного напряжения, выходного тока, температуры окружающей среды и др. Они имеют в своем составе функциональный узел, осуществляющий стабилизацию выходного напряжения. В не стабилизирующих ИЭП функциональный узел стабилизации напряжения отсутствует.

Важной задачей при разработке электронных средств является снижение массы и габаритных размеров источников электропитания. Это достигается выбором принципа их действия, схемы, режима работы, элементной базы, конструкции. Конструктивное исполнение ИЭП определяет технологию его изготовления. Таким образом, при создании ИЭП перед разработчиком ставится ряд взаимосвязанных задач, решение которых зависит от знания им особенностей работы ИЭП, путей выбора рациональных схемного и конструктивных исполнений с заданными параметрами для заданных условий эксплуатации.

Развитие микроэлектроники оказало существенное влияние и на ИЭП: ужесточились требования к стабильности номиналов напряжений и токов, значительно уменьшились масса и габаритные размеры, усилились требования по надежности, безопасности, экономичности. Комплексное рассмотрение вопросов схемотехнического и конструкторского проектирования как основных в общем процессе создания источников электропитания электронных средств приводится в дальнейшем изложении курса. Для удобства восприятия последующего материала приведем перечень наиболее часто встречающихся сокращений: АБ — аккумуляторная батарея AM — амплитудная модуляция БНК — базовые несущие конструкции ВАХ — вольт-амперная характеристика ГОМ — генератор отбора мощности ГТИ — генератор тактовых импульсов ЗИП — запасный инструмент и приборы (в нашем случае — запасные детали и комплектующие изделия) ИМС — интегральная микросхема (микросхема) ИШИМ — интегральная широтно-импульсная модуляция ИЭП — источник электропитания КПД — коэффициент полезного действия КПП — коммутационная печатная плата МДП — полупроводниковая структура металл-диэлектрик-полупроводник МОП — полупроводниковая структура металл-окисел-полупровод- ник МП — микропроцессор МПК — микропроцессорный контроллер ОУ — операционный усилитель ПЭВМ — персональная ЭВМ РЭС — радиоэлектронное средство САЭС — система автономного электроснабжения СВЧ — сверхвысокая частота ТВМ — трансформаторно-выпрямительный модуль ТКН — температурный коэффициент напряжения УПТ — усилитель постоянного тока ФИМ — фазоимпульсная модуляция ФРП -^ фильтр радиопомех ЧИМ — частотно-импульсная модуляция ШИМ — широтно-импульсная модуляция ЭВС — электронно-вычислительное средство ЭЛТ — электронно-лучевая трубка

С целью снижения затрат средств и времени на адаптацию унифицированных ИЭП в составе различных по конструктивному исполнению РЭС размеры этих ИЭП должны коррелироваться с конструктивами различных видов. Указанному требованию могут отвечать лишь ИЭП, построенные по модульному принципу. Наилучшие результаты Будут достигнуты при разделении источников на модули нулевого уровня (микросхемы и микросборки). В этом случае существенно облегчается выполнение требований устойчивости к механическим и климатическим воздействиям. Кроме того, снижение размеров модулей будет способствовать снижению паразитных параметров,' что позволит повысить частоту преобразования.

Создание источников электропитания в виде комплектов модулей низкого (нулевого) уровня открывает возможность автоматизации процессов их изготовления и контроля, что обеспечивает повышение надежности работы, упрощение компоновки и снижение стоимости. Осуществление поставленной конструктивно-технологической задачи возможно при выполнении источника на базе многоканального преобразователя, состоящего из достаточно большого числа модулей инверторов со сравнительно малой выходной мощностью. Снижение мощности позво