198

27. Источники питания электронной аппаратуры

6. 27.1. Структуры источников электропитания

Источники электрической энергии, необходимой для питания любой электронной аппаратуры, принято делить на источники первичного и вторичного электропитания.

К первичным источникам электропитания относят трехфазную (или однофазную) сеть промышленной частоты 50 Гц (для стационарной аппаратуры) и генераторы постоянного или переменного напряжения повышенной частоты 400  500 Гц, химические и солнечные батареи, аккумуляторы (для аппаратуры, устанавливаемой на подвижных объектах).

Источники вторичного электропитания (ИВЭП) выполняют функции преобразования рода тока (выпрямители  для преобразования переменного тока в постоянный и инверторы  для обратного преобразования), стабилизации и регулировки напряжения и тока, фильтрации различных помех и высших гармоник и т.д.

Значительная часть электронных устройств потребляет электрическую энергию в виде постоянного тока. Если первичным источником служит сеть переменного токаU_, то источник вторичного электропитания чаще всего имеет структуру, приведенную на рис. 27.1.

Трансформатор Тр, как правило, понижает напряжение, затем оно преобразуется выпрямителем В в постоянное напряжение, пульсации которого сглаживаются фильтром Ф, и при необходимости уровень этого напряжения (на нагрузке Н) с помощью стабилизатора Ст поддерживается неизменным, не зависящим от изменений напряжения сети, тока нагрузки и других дестабилизирующих факторов.

ИВЭП являются неотъемлемой частью любой электронной аппаратуры и в значительной степени определяют ее технико-экономические показатели. На долю источников питания нередко приходится до 20  40% общей массы и объема аппаратуры, поэтому одной из задач, стоящих перед проектировщиками, является задача их комплексной миниатюризации.

Из всех узлов ИВЭП наиболее громоздкими, как правило, являются узлы, выполненные на магнитопроводах из ферромагнитных материалов (трансформаторы и дроссели фильтров). Из курса физики известно, что при заданной мощности, неизменных магнитных параметрах материала магнитопровода B_m и магнитной индукции (H) его объем и массогабаритные параметры оказываются обратно пропорциональны частоте, на которой работает узел. Стремление уменьшить массу и габариты источника привело к структурной схеме, называемой «ИВЭП с бестрансформаторным входом» или просто «импульсный ИВЭП» (рис. 27.2.).

В этой структуре переменное напряжение первичной сети сначала выпрямляется выпрямителем В1 и фильтруется фильтром Ф1, а затем снова инвертируется в переменное напряжение инвертором И, но с частотой 20  50 кГц. На этой частоте напряжение трансформируется трансформатором Тр до нужного уровня, вновь выпрямляется выпрямителем В2, фильтруется фильтром Ф2 и при необходимости стабилизируется стабилизатором Ст. При этом, несмотря на большее по сравнению со структурой рис. 27.1 число узлов и двойное преобразование рода тока, источник получается значительно меньше по массе и габаритным размерам за счет резкого уменьшения размеров трансформатора и фильтра Ф2, работающих на высокой частоте.

В зависимости от условий работы и требований, предъявляемых к источнику вторичного электропитания, отдельные его блоки могут отсутствовать. Например, если напряжение сети соответствует требуемому значению выпрямленного напряжения, то может отсутствовать трансформатор, а в отдельных случаях – стабилизатор постоянного напряжения.

Независимо от структурной схемы и конкретных схемотехнических решений ИВЭП характеризуется рядом электрических параметров. К основным из них относятся следующие:

1. номинальные уровни входного U_{вх ном} и выходного U_{н ном} напряжений. В зависимости от формы этих напряжений задаются либо действующие, либо постоянные значения напряжений;

2. предельные отклонения входного и выходного напряжений от номинальных значений. Иногда их называют относительными изменениями или коэффициентами нестабильности напряжений:

, (27.1)

. (27.2)

Часто при определении выходного напряжения отдельно задают величину нестабильности от изменения напряжения питания:

, (27.3)

где – абсолютное изменение выходного напряжения при заданном изменении входного напряжения;

3. диапазон изменения выходной мощности P_{н max}  P_{н min}. Иногда этот диапазон задается значениями максимального I_{н max} и минимального I_{н min} токов нагрузки;

4. внешняя (нагрузочная характеристика) U_н = f (I_н) – зависимость напряжения на выходе от тока нагрузки;

5. предельный уровень амплитуды переменной составляющей выходного напряжения U_{m вых}. Иногда эта величина задается в виде коэффициента пульсаций. Коэффициент пульсаций К_П может быть определен двумя способами:

 как отношение амплитуды переменной составляющей выходного напряжения U_{m вых} к номинальному значению выходного напряжения

; (27.4)

 как отношение действующего значения переменной составляющей выходного напряжения U_П (действующее напряжение пульсаций) к номинальному значению выходного напряжения

, (27.5)

6. коэффициент полезного действия – определяется в общем случае как отношение мощности, выделяемой в нагрузке (P_н), к мощности, потребляемой от первичного источника питания (P_потр):

,

где P_тр– мощность потерь в трансформаторе,

P_д– мощность потерь в диодах.

Кроме перечисленных, к ИВЭП могут предъявляться дополнительные требования, определяющие как его электрические, так и конструктивно-технологические параметры.