Исследование и разработка конденсаторных источников вторичного электропитания

Настоящий период развития общества характеризуется широчайшим и революционизирующим внедрением средств микроэлектроники и вычислительной техники практически во все сферы человеческой деятельности [1]. Нельзя назвать ни одной отрасли, где бы не использовались подобные устройства. В первую очередь к ним можно отнести промышленность, военную технику, транспорт, связь, медицину, сельское хозяйство и др. В наиболее значительной степени этому способствовало появление интегральных микросхем (ИМС) высокой и сверхвысокой степени интеграции, позволивших не только радикально увеличить функциональную и количественную сложность решаемых микроэлектронными устройствами задач, но и решать ранее недостижимые задачи, относящиеся, например, к глобальным системам связи, метеорологии, геофизики, киноискусству и т. д. [2]. Процессу электронизации и информатизации способствовало также внедрение её в мировое сообщество. Невозможно переоценить влияние электронизации бытовой сферы. Практически в каждом доме имеются довольно сложные электронные приборы — телевизоры, ви-деомагниофоны, музыкальные центры, СВЧ-печи, стиральные машины с электронным управлением и др. Не является удивительным наличие в быту персональных компьютеров, использующихся для самых различных целей: учебных, развлекательных, информационных и т. п. За последнее время получила распространение цифровая фотоаппаратура, а также функционально сложные электронные системы, сочетающие в себе функции телевизора, компьютера с управляющими функциями и выходом на соответствующие бытовые терминалы. В недалеком будущем жизнь человека невозможно будет себе представить без электронных управляющих и информационных систем, включая бытовые.

Электропитание электронных функциональных узлов практически во всех приборах осуществляется при помощи источников вторичного электропитания (ИВЭП), которые осуществляют преобразование первичного напряжения в требуемые для электронных узлов постоянные напряжения заданной величины и требуемого качества. В зависимости от вида первичного напряжения можно определить два основных типа ИВЭП: с преобразованием постоянного напряжения в постоянные и с преобразованием переменного напряжения в постоянные.

Первые из них, в своем большинстве, используются в переносных электронных приборах и в специальных управляющих системах, например, военно-космического назначения.

В стационарной бытовой и профессиональной электронной аппаратуре первичным источником для ИВЭП зачастую являются сети переменного стандартного напряжения 220 или 380 В частоты 50 (60) Гц. Специальная электронная аппаратура, например, самолетов и некоторых других летательных аппаратов, в качестве первичного источника используется переменное напряжение повышенной частоты — 400, 1000 Гц и более.

Доля ИВЭП, у которых в качестве первичного используется переменное напряжение, значительна. В первую очередь это объясняется наличием увеличивающегося во времени громадного парка стационарной вычислительной техники, а также бытовой электронной аппаратуры. Большая часть новых и перспективных электронных систем также питается от переменного напряжения.

Поэтому вопросы исследования ИВЭП с первичным переменным напряжением актуальны, а улучшение экономических, энергетических и эксплуатационных показателей ИВЭП позволят получить материальный и экологический эффект. Кроме того, во многих практических случаях совершенствование характеристик ИВЭП позволяет существенно расширить функциональные возможности применения питаемой ими электронной аппаратуры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполнения диссертационной работы установлены следующие основные закономерности, выносимые на защиту.

1. Определено, что КИВЭП имеют определенные области рационального применения в современной электронной и электротехнической аппаратуре. Наиболее оптимальные пределы выходной мощности КИВЭП находятся в диапазоне от единиц-дол ей ватт до 15. 30 Вт. Увеличение мощности возможно при улучшении массогабаритных и экономических характеристик конденсаторов переменного напряжения (конденсатор С0).

2. Выполнен анализ процессов работы источника неизменной потребляемой мощности в системе электропитания с существенным сопротивлением питающей линии. Показано, что возникающий в подобной системе эффект двузначности выходного напряжения может нарушать работу потребителя и его необходимо учитывать на практике.

3. Выполнен анализ процессов, происходящих в нестабилизирующих КИВЭП. Найдены уравнения, определяющие статические характеристики и пульсации выходного напряжения. Наличие двузначности напряжения определяет специфику работы подобных КИВЭП в системах электропитания и требует принятия специальных мер по исключению одного из напряжений при воздействии всех дестабилизирующих факторах, которые могут возникнуть при эксплуатации.

4. Проведено исследование процессов, происходящих в стабилизирующих КИВЭП. Предложен энергетически эффективный метод импульсной стабилизации выходного напряжения. Найдены расчетные выражения для нахождения основных характеристик двух типов КИВЭП: со стабилитроном и со схемой по предложенному методу.

5. Существенное выходное сопротивление КИВЭП, которое вызвано наличием конденсатора С0, определяет необходимость обязательного использования в стабилизирующих КИВЭП пороговых гистерезисных устройств включения и выключения. Вместе с этим, нормальный процесс пуска КИВЭП с включенным на его выходе стабилизирующим или нестабилизирущим ИПН обеспечивается только при наличии определенной величины емкости конденсатора фильтрующего Сф, которая должна обеспечить заряд выходных сглаживающих конденсаторов ИПН при заданном снижении величины напряжения на этом конденсаторе. Созданные оригинальные технические решения, улучшающие технико-экономические характеристики КИВЭП, защищены двумя патентами Российской Федерации.

6. Выполненный анализ показывает, что на основе рассмотренных КИВЭП могут быть реализованы несколько основных типов источников вторичного электропитания. Их структурные схемы приведены на рис. 3.1.

Первая из них (рис. 3.1,а) не содержит элементов стабилизации выходного напряжения 11н и может быть применена только при неизменном токе /н нагрузки КИВЭП. Вместе с этим, следует учитывать, что отсутствие стабилизирующих элементов (например, в простейшем случае стабилитрона) приводит к появлению двузначности выходного напряжения, а также к возникновению аварийной ситуации при обрыве цепи нагрузки и последующему катастрофическому отказу элементов.

Вторая схема (рис. 3.1,б) состоит из стабилизирующего КИВЭП, где в качестве стабилизатора Стаб. может использоваться как стабилитрон, так схема по предложенному методу. Её недостатком является отсутствие электрической изоляции первичного напряжения от выходного. Поэтому она может использоваться в некоторых частных применениях. Примерами могут служить схемы дежурного режима работы телевизоров, некоторые бытовые электроприборы, у которых конструктивными методами обеспечивается надежная защита от касания сетевого провода и т. п. Наиболее эффективными примером использования КИВЭП, где его недостаток (большое выходное сопротивление) превращается в преимущество, является применение КИВЭП в зарядных устройствах аккумуы я) б) е) г) д).

Рис. 3.1. Варианты структурных схем ИВЭП ляторных батарей. Здесь функцию ограничителя тока заряда выполняет конденсатор С0, а регулировку тока заряда, если это требуется, можно осуществлять предложенной схемой импульсной стабилизации. Очевидно, что КПД такого зарядного устройства будет достаточно велик.

Третий пример использования КИВЭП приведен на схеме рис. 3.1,е. Здесь электрическая изоляция напряжений обеспечивается импульсным высокочастотным нестабилизирующим преобразователем ИПН, первичное (входное) постоянное напряжение которого существенно снижено по отношению к традиционным бестрансформаторным ИВЭП. В данной схеме стабилизация осуществляется устройством стабилизации по предложенному методу, а обратная связь ОС на схему управления подается со входа ИПН. Так как стабильность напряжения на выходе КИВЭП может быть сделана достаточно высокой, то вполне возможно использование нестабилизирующих ИПН.

На схеме рис. 3.1,г обратная связь ОС для стабилизации по предложенному методу берется с выхода одного из напряжений ИПН. Здесь обеспечивается лучшая стабильность выходных напряжений источника электропитания, однако для сохранения электрической изоляции напряжений требуется передача сигнала ОС через элемент с электрической изоляцией.

Схема с двумя управляющими обратными связями приведена на рис. 3.1Д Здесь первая связь ОС1 осуществляет импульсную стабилизацию выходного напряжения КИВЭП, а вторая ОС2 — стабилизацию выходных напряжений ИПН. Несмотря на функционально большую сложность подобного устройства, здесь появляется возможность для существенного уменьшения величины емкости конденсатора Сф, так как обратная связь ОС2 внутри ИПН может обеспечить его работоспособность при существенно больших пульсациях входного постоянного напряжения, что и дает возможность для уменьшения емкости Сф. Усложнение источника электропитания при современном уровне микроэлектронной схемотехники может быть достаточно малозначимым.