Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Коммутации

Рисунок 1

В состав ИВЭП, кроме самого истопника питания, могут входить дополнительные устройства, которые обеспечивают его нормальную работу при различных внешних воздействиях. Как видно из приведенной на Рисунке 1 схемы, ИВЭП включается между первичным источником и нагрузкой, поэтому на него воздействуют различные факторы, связанные с изменениями характеристик, как первичного источника, так и нагрузки. Так, например, в увеличении или понижении напряжения первичного источника ИВЭП должен обеспечивать нормальное функционирование питаемой им электронной аппаратуры.

Устройство управления и контроля, входящее в состав ИВЭП, может быть использовано для изменения характеристик ИВЭП при различных сигналах внешнего или внутреннего управления: дистанционного включения или выключения, перевода в ждущий режим, формирования сигналов сброса и др. В то же время устройство защиты и коммутации позволяет сохранить работоспособность ИВЭП при возникновении различных нестандартных режимов: короткого замыкания в нагрузке, ее внезапного отключения, резкого повышения окружающей температуры и. др. Эти дополнительные устройства могут быть обеспечены собственными источниками электропитания, включая резервные аккумуляторы или гальванические элементы.

Классификацию ИВЭП можно выполнить по различным признакам: принципу действия, назначению; количеству каналов выходного напряжения, виду используемых первичных источников и. др. В зависимости от вида первичного источника электропитания ИВЭП можно разделить на две группы: инверторныё и конверторные. Инверторные ИВЭП используются для

Конверторные ИВЭП используются для преобразования одного напряжения в другое. Например, к конверторам постоянного напряжения можно отнести обычные электронные стабилизаторы постоянного напряжения, а к конверторам переменного напряжения можно отнести трансформаторы. Заметим, что конвертор может содержать внутри себя инвертор, и наоборот.

По принципу действия ИВЭП можно разделить на две группы: трансформаторные и бестрансформаторные. В трансформаторных ИВЭП напряжение переменного тока, например, силовой сети, вначале изменяется по значению при помощи трансформатора, а затем выпрямляется и стабилизируется, в бестрансформаторных ИВЭП, наоборот, переменное напряжение сети в начале выпрямляется, а затем преобразуется в переменное напряжение более высокий частоты. В преобразователе может использоваться высокочастотный трансформатор, поэтому точнее эти источники называть несколько иначе: с трансформаторным или бестрансформаторным входом. Поскольку преобразователи в таких источниках обычно работают в импульсном режиме, то и ИВЭП такого типа часто называют импульсными.

По количеству различных выходных напряжений ИВЭП можно разделить на одноканальные и многоканальные. Если в каждом канале используется отдельный стабилизатор выходного напряжения, то говорят, что это многоканальный с индивидуальной стабилизацией.

Если же для стабилизации всех выходных напряжений используется выходное напряжение только одного источника (который называется главным или ведущим), то такие источники называются «ИВЭП с групповой стабилизацией».

По выходной мощности ИВЭП принято делить на микромощные (1Вт), маломощные (от 1 до 100Вт), средней мощности (от 100Вт до 1 кВт) и мощные (больше 1 кВт).

При проектировании или выборе ИВЭП необходимо знать их технические и эксплуатационные характеристики. Этими характеристиками обычно руководствуются при использовании ИВЭП в электронной аппаратуре. Все характеристики ИВЭП можно разделить на три группы: входные, выходные и эксплуатационные.

К входным характеристикам ИВЭП относят:

—значение и вид напряжения первичного источника питания, например, питающей силовой сети или аккумулятора;

— нестабильность питающего напряжения U_c = U_e/U_c;

— частоту питающего напряжения и ее нестабильность;

— количество фаз источника переменного напряжения;

— допустимый коэффициент гармоник питающего напряжения.

К выходным характеристикам ИВЭП обычно относят:

— значения выходных напряжений;

— нестабильность выходных напряжений U_вых = U_вых/U_вых;

— ток нагрузки или выходную мощность по каждому каналу;

— наличие гальванической изоляции между входом и выходом;

— наличие защиты от перегрузки или повышения выходного напряжения.

К эксплуатационным характеристикам относят:

— диапазон рабочих температур;

— допустимую относительную влажность;

— диапазон допустимых давлений окружающей атмосферы;

— допустимые механические нагрузки;

— коэффициент полезного действия ИВЭП;

— удельную мощность;

— надежность.

Коэффициент полезного действия ИВЭП. Эффективность работы ИВЭП принято оценивать его коэффициентом полезного действия (КПД). Для оценки КПД ИВЭП рассмотрим упрощенную схему, приведенную на Рисунке 2а. Предположим, что на вход ИВЭП из первичного источника поступает мощность . Из этой мощности часть Р_пр рассеивается в ИВЭП, а другая часть Р_п поступает в нагрузку. При этом

= Р_п/ = Р_п /(Р_п + Р_пр) (1).

Мощность поступающая в нагрузку, равна выходной мощности Р_п ИВЭП. Часть этой мощности Р_нр рассеивается в нагрузке, а другая часть Р_н является полезной мощностью нагрузки. При этом КЛД нагрузки можно оценить по формуле:

= Р_н / = Р_н /(Р_н + Р_нр) (2)

Из уравнений (1) и (2) можно найти мощности Р_пр и Р_нр, рассеиваемые в нагрузке и ИВЭП:

Р_нр = Р_н (1- )/ , Р_пр = Р_н (1 - )/ ^* (3)

В результате найдем мощность , которая рассеивается в системе:

= Р_нр + Р_пр = Р_н* (4)

ИВЭП

Нагрузка

Р_н

Рисунок 2 Упрощенная схема наружного ИВЭП (а) и график зависимости эффектности ИВЭП от его КПД (б)

Эффективность ИВЭП можно определить отношением мощности, рассеваемой ИВЭП, к суммарной рассеиваемой мощности:

Р_пр/ =(1 - )/ ^*

что позволяет приближенно оценить относительные размеры ИВЭП в

общих размерах системы. Зависимость () при различных значениях приведен на Рисунке 2б.

Прямая линия при =0 относится к нагрузкам типа ЭВМ, в которых практически вся мощность, потребляемая нагрузкой, превращается в тепло. При этом чем выше ^эфф^ективность ИВЭП, тем меньше его объем в общем объеме системы ЭВМ. Если же КПД нагрузки составляет =0,75, то при КПД ИВЭП = 0,75 мощность, рассеиваемая в ИВЭП, составляет около 57% суммарной рассеиваемой мощности и трудно рассчитывать, что размеры ИВЭП буду меньше размеров нагрузки, так как ИВЭП рассеивает всего на 7°/о больше, чем нагрузка.

если считать что рассеиваемая мощность Р_пр определяется поверхностью охлаждения. Однако возможности увеличения КПД ИВЭП ограничены по различным причинам. Так, например, в, электронных стабилизаторах непрерывного регулирования КПД можно оценить отношением выходного напряжения U_пр к напряжению источника питанияU_{п макс}

(6)

а КПД ИВЭП с импульсным стабилизатором приближенно равно отношению:

= 0,78 (7)

где и - минимальное и максимальное значения напряжения на входе стабилизатора, что при = дает = 0,78.

Для импульсных ИВЭП теоретическое значение --->1. Однако реальный КПД определяется потерями в элементах; транзисторах, диодах, конденсаторах и др., и обычно не превышает 0,95, например, выпрямитель на диоде при напряжении 5 В имеет КПД около 0,94. В общем случае оценить зависимость КПД ИВЭП от параметров элементов очень сложно.

Надежность ИВЭП. Источники электропитания должны в течение определенного времени сохранять свои параметры в пределах, указанных в технических условиях, обеспечивая бесперебойную работу электронной аппаратуры. Надежность ИВЭП обеспечивают мероприятиями, выполняемыми на этапах разработки, изготовления и эксплуатации. Основы надежности ИВЭП закладываются на этапе их разработки. Основными причинами отказов ИВЭП являются не только катастрофические отказы элементов, но также неправильно заданные требования к качеству входных (питающих) и выходных напряжений. Ошибки, допущенные при выборе схемы и при проектировании отдельных узлов, некачественное изготовление ИВЭП и неправильная эксплуатация. Обеспечение надежности ИВЭП, заложенное на этапе разработки, сводится следующим основным положениям:

• тщательному обоснованию выбора структурной схемы;

• обоснованному выбору элементной базы с достаточно высоким запасом по предельным режимам и параметрам;

• разработке конструкции, обеспечивающей хороший теплоотвод и легкий доступ к отдельным узлам и элементам;

• проведение всесторонних испытаний климатическим механическим воздействиям;

Рисунок 3 График зависимости

удельной мощности ИВЭП и КПД

Выбор структурной схемы ИВЭП должен производиться с учетов требований надежности. При разработке должны предусматриваться. Необходимые устройства защиты, которые не участвуют в работе ИВЭП, а только обеспечивают повышение надежности. В их функцию входит:

• защита силовых элементов - транзисторов, диодов, тиристоров и др.

• защита ИВЭП от коротких замыканий или полного отключения нагрузки,

• защита от возможных повышений или понижений питающих (входных напряжений) защита нагрузки от возможных повышений или понижений выходные напряжений;

• защита от повышения температуры окружающей среды;

Выбор элементной базы в наибольшей мере влияет на надежность ИВЭП. Используемые элементом должны проходить тренировку перед установкой ИВЭП. На используемые элементы устанавливают максимальные коэффициент нагрузки не более 70... 80% от их предельно допустимых значений. Например, резисторы мощностью 1 Вт должны загружаться не более чем на 0,7... 0,8 Вт.

Конструкция ИВЭП должна обеспечивать хороший теплоотвод нагревающихся элементов; транзисторов, диодов, трансформаторов, и не допускать нагрева других элементов от нагревающихся элементов. Например, нельзя допускать нагрев микросхем управления от силовых транзисторов.

С целью обеспечения ремонтнопригодности конструкция ИВЭП должно обеспечивать легкий доступ ко всем элементам. Расположение элемента должно быть таким, чтобы не вызывать повреждение питаемого устройства.

Лабораторные испытания макетов помогают вскрыть недостатки, которые не были учтены при разработке схемы и конструкции ИВЭП. Основная задача испытания макета — это обнаружение слабых мест в схеме и конструкции. При соблюдении всех перечисленных требований ИВЭП должны обеспечивать требуемую наработку на отказ. Для полупроводниковых ИВЭП наработка на отказ должна быть не менее 10 тысяч часов при наработке на отказ отдельных элементов от 60 до 100 тысяч часов.

Рисунок 4. Схема ограничения тока в выпрямительном диоде

На Рисунке 4 и 5 приведены примеры повышении надежности ИВЭП выполненные на стадии проектирования. На Рисунке 4 приведена схема ограничении тока в выпрямительном диоде VD1 при заряде емкости фильтра С_ф.

Так как при включении выпрямителя емкость С_ф не заряжена, то для выпрямительного диода она на некоторое время эквивалентна короткому замыканию. В связи с этим ток в диоде может превысить предельно допустимое значение, что понизит его надежность. Дня ограничения пускового тока последовательно с диодом включают ограничительное сопротивление. Однако включения этого сопротивления в рабочем режиме после заряда конденсатора только понижает КПД выпрямителя, поэтому параллельно с диодом включают тиристор VT2, который управляется напряжением на конденсаторе фильтра С_ф, а после конденсатор С_ф включается тиристор и шунтированное сопротивление. В результате чего в рабочем режиме ток идёт через тиристор, падение напряжения на котором намного меньше, чем на сопротивлении.

Рисунок 5. Схема мостового инвертор (а) и график управляющих напряжений при наличии сквозных токов (б) и без них (в).

питания оказывается закороченным, и через транзисторы идет большой импульс тока I_кз. Это резко снижает надежность силовых транзисторов.

Для устранения сквозных токов в транзисторах импульсы управления делают такими, чтобы между ними был небольшой интервал, который называют мертвым временем или паузой. Благодаря этому обеспечивается режим, при котором транзисторы (VТ1, VТ3 или VТ2, VТ4) не могут быть включены одновременно, что устраняет возможность появления сквозных токов.