Тема 2.11 Миниатюризация источников вторичного электропитания.

2.11.1 Актуальность и пути комплексной миниатюризации источников вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры

Миниатюризация аппаратуры, первичная цель которой состоит в уменьшении габаритов и массы радиоустройств, является одним из главных направлений развития современной радиоэлектроники. В этом направлении достигнуты большие успехи, особенно применительно к аппаратуре, предназначены для обработки слабых сигналов. Здесь эффективность миниатюризации оцениваются обычно плотностью компонентов, т.е. количеством элементов в единице объема, которая в настоящее время достигает 10 – Эл./см³.

Источники электропитания относятся к классу энергетической аппаратуры, предназначенной для преобразовании энергии. Поэтому для оценки эффективности миниатюризации в качестве критерия используется удельная мощность Р_уд. Вт/дм³, т.е. отношение выходной мощности устройства к его объему, или относительный объем V, т.е. отношение объема устройств источника электропитания к суммарному объему всей радиосистемы.

Трудности и особенности миниатюризации источника электропитания связаны с большими значениями токов и напряжения, действующих в цепях этих устройств, большим уровнем активных и реактивных мощностей и тепловыми нагрузками на отдельные конструктивные элементы и конструкции источника электропитания в целом. Для обеспечения нормального теплового режима элементов и устройств возникает проблема охлаждения, т.е. отвода во внешнюю среду теплоты, выделяемой в конструкции. Это часто является одним из ограничении в уменьшении габаритов источников электропитания.

Миниатюризация устройства электропитания – это проблема комплексная, требующая для ее решения использования энергетических, структурных,

205

конструктивно-технологических и системных методов.

а – энергетический метод миниатюризации в конечном итоге сводится к повышению КПД всех функциональных блоков и конструктивных компонентов, выбору частоты преобразования, оптимальных удельных электрических и магнитных нагрузок элементов.

Основными конструктивными элементами, определяющими габариты и массу источника электропитания, являются трансформаторы, дроссели и конденсаторы. Полупроводниковые приборы сами по себе могут иметь малые габариты при больших рабочих токах. Однако значительная мощность, рассеиваемая на них, приводит к необходимости увеличения поверхности теплоотвода для обеспечения нормальной температуры р-п- перехода. Необходимость увеличения поверхности теплоотвода приводит к значительному увеличению габаритов. В частности мощные диоды, транзисторы и тиристоры устанавливаются на радиаторы, размеры которых обычно в несколько раз превышают размеры самого полупроводникового прибора.

Исследования и опыт разработки показывает, что габариты устройств электропитания определяется либо требуемой поверхностью теплоотвода, либо конструктивным объемом, необходимым для размещения элементов схемы.

Габариты таких конструктивных элементов, как трансформаторы и дроссели, определяются удельными нагрузками: плотностью тока в проводниках j и индукцией магнитного поля в сердечниках В. С ростом удельных нагрузок уменьшаются габариты элементов. Например, при увеличении j для того же тока можно уменьшить сечение проводников, т.е. уменьшить габариты дросселя и трансформатора. Однако при этом неизбежно уменьшается КПД элементов, увеличивается рассеиваемая в них мощность, что приводит к необходимости увеличения поверхности теплоотвода, т.е. габаритов устройства электропитания.

В результате оказывается, что существуют оптимальные удельные нагрузки, при которых при необходимой поверхности теплоотвода обеспечивается максимальная плотность компоновки элементов в конструкции.

Задачи эффективного охлаждения и передачи тепловой энергии к внешним охлаждающим устройствам от силовых элементов и ИВЭ в целом весьма просто решаются с помощью устройств, получивших название тепловых труб. Основное преимущество тепловых труб, которому обязаны своим интенсивным развитием, заключается в их практической изотермичности, т.е. неизменности температуры по всей длине данного устройства. Это свойство позволяет с их помощью передать тепловую энергию в любую точку объема, занимаемого аппаратурой. При такой передачи потери теплового потока ничтожны, а надежность и ресурсы работы тепловой трубы значительно выше, чем у охлаждающих систем с движущимся теплоносителем.

Эффективная теплопроводность тепловых труб в десятки тысяч раз больше, чем теплопроводность таких металлов, как медь, серебро, алюминий. С их помощью можно передать почти в 500 раз больше тепла на единицу массы, чем это позволяют твердые теплопроводники при том же поперечном сечении.

206

Рисунок 2.108 - Схематическое изображение тепловой трубы

Тепловая труба ( рисунок 2.108) представляет собой герметично закрытый сосуд, по внутренним стенкам которого размещается наполнитель с капиллярной системой. Внутри такого устройства находится некоторое количество жидкого наполнителя ( например, вода, спирт, ацетон, фреон и аммиак). При нагреве одного из концов тепловой трубы внутри него происходит интенсивное испарение теплоносителя. Его пары через зону переноса ( средний участок тепловой трубы, где практически не происходит теплообмена с окружающей средой) переносят тепловой поток от зоны нагрева ( иначе эта зона называется зоной испарения) к зоне охлаждения или зоне конденсации. В последней происходит конденсация паров теплоносителя, сопровождающаяся отдачей тепла внешнему охладителю. Затем теплоноситель по системе капилляров опять возвращается в зону испарения.

Принципиальная зона переноса в тепловой трубе, так же как и внешний охладитель, может отсутствовать. В этом случае зона конденсации будет отдавать тепловую энергию непосредственно в окружающую среду. Подключение внешнего радиатора к зоне конденсации позволяет значительно повысить эффективность охлаждения силовых полупроводниковых приборов и ИВЭ в целом. В качестве внешнего радиатора может быть использован корпус ИВЭ или корпус радиоэлектронного устройства, а в ряде случаев даже корпус всего объекта, содержащего в своем составе большое количество разнообразных радиоэлектронных и других устройств. При этом зона конденсации тепловой трубы соединяется с соответствующим корпусом, и через него осуществляется «сброс» выделяемого аппаратуре тепла в окружающую среду.

Наметившийся в настоящее время переход к малогабаритным и легким полупроводниковым приборам в бескорпусном исполнении в значительной степени позволит облегчить задачу практического использования тепловых труб в ИВЭ радиоэлектронной аппаратуре. Такие приборы можно приклеивать к поверхности тонкостенных тепловых труб с помощью электроизоляционных теплопроводящих клеев, обеспечивающих хороший тепловой контакт и электрическую изоляцию этих приборов от поверхности тепловой трубы.

207

Широкое применение тепловых труб должно явиться важным средством комплексной миниатюризации силовых преобразовательных устройств и в том числе ИВЭ радиоэлектронной аппаратуры.

Повышение КПД устройства электропитания может быть обеспечено как выбором соответствующих элементов и материалов, так и выбором режимов работы узлов источника электропитания. Так, для уменьшения потерь в низковольтных сильноточных выпрямителях вместо обычных диодов может оказаться целесообразным применять диоды Щоттки, биполярные и полевые транзисторы в диодном включении. Весьма перспективными являются ключевые режимы преобразователей и стабилизаторов, обеспечивающие весьма высокие КПД.

Габариты трансформаторов, дросселей и конденсаторов существенно уменьшаются с ростом рабочей частоты. Поэтому одним из эффективных средств снижения габаритов устройств электропитания является повышение рабочей частоты выпрямительных и преобразовательных блоков. Следовательно, более предпочтительными являются источники переменного тока повышенной частоты.

Следует, однако, иметь в виду, что при слишком высокой частоте увеличивается влияние паразитных конструктивных индуктивностей и емкостей на работу устройства, уменьшается КПД полупроводниковых преобразователей за счет инерционности транзисторов и тиристоров и увеличиваются создаваемые ими помехи.

б – структурный метод миниатюризации базируется на исключении или уменьшении количества, номиналов и рабочей мощности реактивных компонентов схем электропитания: трансформаторов, дросселей и конденсаторов большой емкости. Он используется главным образом на этапах разработки структурных и принципиальных схем. В соответствии со структурным методом, например, вместо обычных LC- или RC- фильтров для подавления пульсаций целесообразно использовать электронные фильтры, которые не только позволяют устранить дроссели, но и уменьшить емкость конденсаторов фильтров.

Для замены трансформаторов целесообразно использовать выпрямители с умножением напряжения, снижая его на стороне переменного тока с помощью емкостных делителей или осуществляя требуемую трансформацию напряжения в цепях постоянного тока с помощью ключевых инверторов. При разработке структурной схемы следует иметь в виду, что повышение рабочей частоты всегда приводит к уменьшению габаритов трансформаторов, дросселей и конденсаторов. Поэтому в функциональные схемы целесообразно вводить преобразователи, повышающие рабочую частоту переменного тока, даже если для принципиального решения задачи инверторы не являются необходимыми.

Для все системы питания в целом, включая электрические аппараты управления, защиты и блокировки, важным средством миниатюризации является замена электромагнитных реле, контакторов, автоматов электронными (транзисторными, тиристорными) устройствами, выполняющими аналогичные функции.

в- конструктивно-технологические методы миниатюризации основаны на интеграции конструктивных элементов в единые функциональные блоки, на

208

использовании интегральной технологии, на применении бескорпусных полупроводниковых приборов, микросхем и специальных материалов, а также на специальные методы конструирования, обеспечивающих плотную компоновку и благоприятные условия для отвода тепла.

Интеграция конструктивных элементов подразумевает создание функционально законченных гибридных интегральных микросхем на основе бескорпусных полупроводниковых приборов и микросхем или бескорпусных малогабаритных сборок, включающих силовые транзисторы и диоды в сочетаниях с другими элементами.

Крупные функциональные блоки или все устройство электропитания в большинстве случаев строятся путем объединения гибридных микросхем, малогабаритных сборок, трансформаторов, дросселей и других элементов в общем герметичном корпусе с плотной упаковкой элементов. Для обеспечения хорошего теплового контакта элементов с корпусом полость последнего часто заливается жидким диэлектриком с низкой температурой кипения. Эта кипящая в процессе работы устройства жидкость обеспечивает отвод тепла от элементов через корпус во внешнюю среду.

г- системные методы миниатюризации, основаны, с одной стороны, на комплексном использовании трех предыдущих методов с учетом их взаимосвязи и, с другой стороны, на оптимизации структурной и принципиальной схем всего устройства электропитания с учетом взаимодействии отдельных блоков и элементов.

Часто оказывается, что рассмотренные энергетический, структурный и конструктивно-технологический методы приводят к противоречивым решениям и требуют поиска оптимального решения. В подобных противоречивых случаях необходимо рассмотреть множество конструктивных реализаций и выбрать наилучшую с точки зрения габаритов.

Системный метод миниатюризации требует комплексного подхода к проектированию всех составляющих блоков узлов и элементов по единому плану, целью которого является получение минимальных габаритов всего устройства, а не отдельных его компонентов. В этой связи необходимо рассматривать множество возможных вариантов структурных и принципиальных схем всего устройства электропитания в целях отыскания наилучшего решения, изыскивать внутренние ресурсы, возможности совмещения функций, всесторонне учитывать влияние схем и конструкций самой питаемой радиосистемы на устройства электропитания. Так, например, функции фильтрации и стабилизации можно совместить в одном устройстве, обеспечив необходимое быстродействие стабилизатора. Транзисторные и тиристорные ключи преобразовательных узлов могут выполнять также функции регулирования и защиты, инверторы могут выполнять функции стабилизации и т.п.

Системный подход часто приводит к целесообразности децентрализации систем электропитания, т.е. использования индивидуальных ИВП для питаемых радиоблоков. При этом можно сам радиоблок и ИВП выполнить в виде единой гибридной микросхемы.

Комплексная миниатюризация устройств электропитания на базе

209

рассмотренных методов позволяет не только улучшить массо -габаритные показатели, но и повысить надежность, срок службы, способствует унификации отдельных узлов и блоков, что в конечном счете сокращает сроки и материальные затраты на разработку и изготовление устройств электропитания.

Вопросы для самопроверки

1 Как различают защиту аппаратуры ?

2 Какие виды защиты применяют в стабилизированных источниках

электропитания ?

3 Как классифицируются системы и устройства защиты ?

4 Какие элементы применяются в пассивных схемах защиты ?

5 Нарисуйте комбинированную схему включения элементов защиты.

6 Нарисуйте схемы защиты в которых применяются цепочки защиты RC и

стабилитрон.

7 Нарисуйте пассивную схему защиты от перегрузки по напряжению.

8 Нарисуйте структурную активную схему защиты стабилизированных ИВЭП.

9 Нарисуйте активную схему защиты от повышения напряжения на выходе

стабилизатора напряжения и поясните принцип ее работы.

10 Нарисуйте активную схему защиты стабилизатора напряжения от перегрузки

по току.

11 Перечислите основные параметры, которые применяются для эффективности

миниатюризации.

12 Назовите основные методы, применяемые для миниатюризации источников

электропитания.

13 В чем сущность энергетического метода миниатюризации.

14 В чем сущность структурного метода миниатюризации.

15 В чем сущность конструктивно- технологического метода миниатюризации

16 В чем сущность системного метода миниатюризации.

17 Нарисуйте конструкцию тепловой трубы и поясните принцип ее работы.

Примеры задач до темы лекции 27

Задача 1

Рассчитать элементы схемы защиты в схеме на рисунке 2.103, если коллекторный ток I_к = 1 А, индуктивность рассеивания L_рас.=1 мГн., напряжение на конденсаторе возрастает ∆U_с = 1 В, напряжение питания U_п = 12 В.

Решение : 1 Величина конденсатора С равна

С = (I²_к · L_рас ) / ∆U²_с ,

С = ( 1² ·1·10 ^-3) / 1² = 1000 мкФ

Выбираем по стандарту конденсатор С – К50-35 – 1000 мкФ- 25 В ±10%

210

2 Частота работы однотактного преобразователя равна

f = 1 / 2π·√ С· L_рас ,

f = 1 / 2· 3,14 √1 ·10 ^-3 ·1·10 ^-3 = 160 Гц

3 Величина резистора R_р равна

R_р = U_п / С·∆U_с · f ,

R_р = 12 / 0,001 ·1 ·160 = 75 Ом.

4 Потери мощности в резисторе

Р _Rр = U_п ·I²_к· f ·L_рас / ∆U_с ,

Р _Rр = 12 ·1² ·160· 0,001 / 1 = 1.92 Вт

Выбираем по стандарту С2-33 – 2 Вт – 75 Ом ± 5%.

Задача 2

Определите наибольшую кратковременную допустимую мощность

( импульсную) рассеивания Р_икдоп. на транзисторе П217 ( S= 0,4 см² ) при токе I_{вых.ном}. = 1 А ток I_кк = 4 А.

Решение : 1 Выбираем предохранитель типа В1-1 на 1 А, для краткости перегрузки, равной четырем, время срабатывания одноамперного предохранителя ВП1-1 составляет t_и = 30 мс. ( рисунок 2.99 )

2 Для германиевого и кремниевого транзисторов Т_{п макс} соответственно 85 и 150^оС и взять пятикратный запас по времени, то

Р_икдоп. = А ·S / √t_и ,

Р_икдоп = 100· 0,4·10⁴ / √ 30 ·10^-3 = 235 Вт

Задачи для самостоятельной работы

1 Определите наибольшую кратковременную допустимую мощность

( импульсную) рассеивания Р_икдоп. на транзисторе П214 ( S= 0,8 см² ) при токе I_{вых.ном}. = 0,1 А ток I_кк = 2 А.

2 Рассчитать элементы схемы защиты в схеме на рисунке 2.103, если коллекторный ток I_к = 0,1 А, индуктивность рассеивания L_рас.=0,1 мГн., напряжение на конденсаторе возрастает ∆U_с = 0,1 В, напряжение питания U_п = 6 В.

211

Литература

1 Векслер Г.С., Пилинский В.В. Электропитающие устройства электроакустической и кинотехнической аппаратуры. -К.: Вища школа,1986. с.226…227, 272…277.

2 Алексеев О.В. и др. Электротехнические устройства: Учебник для вузов.-М.:Энергоиздат,1981.с.319…324,306…313.

3 Шелестов И.П. Радиолюбителям: Полезные схемы.-М.:СОЛОН-Пресс,2003. с.10…..63.

4 Вересов Г.П., Смуряков Ю.Л. Стабилизированные источники питания радиоаппаратуры.-М.: Энергия,1978.с.174….189.

5 Ромаш Э.М. Источники вторичного электропитания радиоэлектронной

аппаратуры.- М.: Радио и связь, 1981. с.216…221.

6 Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник. Под ред. Г.С. Найвельта - М.: Радио и связь, 1986.с.557…559.

7 Проектирование стабилизированных источников электропитания радиоэлектронной аппаратуры/ Л. А. Краус и др.-М.: Энергия, 1980.с.39…42.

212

Лекция 28

Экспресс - проверка знаний пройденного материала :

1 Нарисуйте схематическое изображение тепловой трубы

2 Нарисуйте активную схему защиты от повышения напряжения на

выходе, методом отвода тока от защищаемого элемента

3 Нарисуйте схему защиты транзисторного стабилизатора напряжения

от перегрузки по току методом ограничения коллекторного тока

4 Нарисуйте структурную электрическую схему активной схемы

защиты стабилизированных источников электропитания

5 Нарисуйте защиту транзистора от перегрузки по напряжению

6 Нарисуйте цепочки для защиты транзисторов от перенапряжений и

из-за паразитных параметров силовой цепи

7 Нарисуйте схему комбинированного включения элементов защиты