Прецизионный термостабильный источник питания для АСУ ТП

Таким образом, идеальный с точки зрения потребителя конвертор должен иметь самую высокую эффективность при цене наиболее дешевого варианта. Это утверждение, впрочем, касается и всех остальных характеристик. Реальная же ситуация требует проводить оптимизацию соотношения цена-качество.

Рассмотрим одну из самых важных характеристик блока питания – входное напряжение. Диапазон входного напряжения, которое преобразуется в стабилизированное выходное, может быть достаточно узким (отклонение от номинального значения +10%) либо очень широким  – с отношением максимального значения к минимальному в несколько раз. Примерами блоков питания с узким диапазоном входного напряжения могут служить конверторы мощностью 2 Вт серии TEM фирмы TRACO (Швеция) и аналогичные конверторы серии ЛМТ2 марки «Ладомир». Относительно узкий диапазон изменения входного напряжения позволяет предельно упростить схему блока, снизить число элементов и стоимость. Как правило, в таких блоках энергия передается с входа на выход через импульсный трансформатор для обеспечения гальванической развязки. Затем напряжение стабилизируется обычной линейной схемой. Преобразователи с большей кратностью уровней входного напряжения имеют более широкую область применения. Существуют конверторы с кратностью свыше четырех – 10-ваттные конверторы серии CXA10 фирмы Artesyn работают с напряжением на входе 18-75 В. Таким образом оказываются перекрытыми сразу два стандартных диапазона входных напряжений – 18-36 В и 36-72 В. Однако чем шире диапазон рабочего входного напряжения, тем ниже КПД блока, причем как в номинальном режиме, так и при граничных напряжениях.

Использование как можно более широкого диапазона входного напряжения может быть вызвано необходимостью максимально долго удерживать стабильное напряжение на нагрузке при пропадании напряжения сети, когда расходуется запас энергии в конденсаторе на входе блока. Другим примером может служить питание от бортовой сети с возможностью возникновения выбросов напряжения до 80 В. Конвертор с большой кратностью входного напряжения в этом случае может обойтись без модуля ограничения этого напряжения. Но платой за его расширенный рабочий диапазон всегда будет рост рассеиваемой конвертором мощности. Поэтому применение преобразователя с широким диапазоном входного напряжения должно быть обоснованным.

Далее рассмотрим возможность регулировки выходного напряжения. Весьма универсальным был бы источник питания с возможностью регулировки выходного напряжения в диапазоне, например, от 3 до 15 В. Такой преобразователь оказался бы даже более универсальным, чем блок питания с широким диапазоном входного напряжения. Однако КПД зависит от выходного напряжения (при одной и той же мощности) в гораздо большей степени, чем от входного. Поэтому создание компактного высокоэффективного преобразователя с глубокой регулировкой выходного напряжения при нынешней элементной базе не представляется возможным. В большинстве случаев блоки питания имеют функцию подстройки выходного напряжения с помощью внешнего переменного резистора в пределах + 10% (конверторы TRACO, Power One, «Ладомир» серии ЛСМ и др.). Регулировка выходного напряжения обычно используется для более точной подстройки номинального значения (так как точность установки выходного напряжения – порядка +2%) либо для компенсации падения напряжения на шинах, соединяющих блок питания и постоянную нагрузку. При этом большую практическую ценность имеет возможность повысить напряжение. Таким образом, конвертор с регулировкой выхода + 10% привлекательнее, чем блок даже с более широким диапазоном – от 5 до 20%.

Другой важный параметр – точность поддержания выходного напряжения при воздействии таких дестабилизирующих факторов, как изменение входного напряжения, тока нагрузки и температуры окружающей среды. Подавляющее большинство современных DC/DC-конверторов имеют стабильность не хуже + 1% при воздействии всех дестабилизирующих составляющих (имеются в виду одноканальные блоки). Однако следует обратить внимание на приводимую в справочных данных нижнюю границу диапазона изменения тока нагрузки. Дело в том, что некоторые модели преобразователей не способны стабилизировать номинальное выходное напряжение на холостом ходу. У одних при понижении выходного тока ниже минимально допустимого значения выходное напряжение возрастает до некоторого фиксированного значения (превышающего номинальное на 5-10%), другие при этом начинают работать в режиме перезапуска до тех пор, пока ток нагрузки не увеличится до нижней границы (как у блока питания МПВ10А отечественного производства – выходное напряжение 5 В, ток 2 А, входное напряжение 18-36 В).

Отдельное внимание нужно обратить на нестабильность выходных напряжений источника питания с двумя разнополярными каналами. Нестабильность выхода двухканального преобразователя обычно такая же, как и у одноканальных блоков, при симметричной нагрузке обоих каналов. Если же выходные токи каналов разные (несимметричная нагрузка), то при поддержании стабильным напряжения одного из каналов стабильность второго снижается до + (5-10)%. Поэтому в некоторых конверторах стабильность напряжения одного канала поддерживается обратной связью, а второй, менее стабильный канал, имеет дополнительный линейный стабилизатор. Таким образом можно стабилизировать достаточно точно оба канала и в случае несимметричной нагрузки. Но результатом этого является значительное снижение КПД. Поэтому чаще можно встретить вариант, когда при несимметричной нагрузке стабилизируется каждый из каналов, хотя и не так точно, но зато без применения линейного стабилизатора, сильно увеличивающего потери мощности.

Следующая важнейшая характеристика выходного напряжения – его пульсации. В справочных данных обычно приводятся две величины: пульсации от пика до пика и действующее значение (Upk-pk и Urms, соответственно). Поскольку нагрузка DC/DC – конвертора, как правило, рассчитана на потребление энергии постоянного тока, то слишком большое значение Urms может оказаться неприемлемым. Современные источники питания удовлетворяют достаточно строгим требованиям по пульсациям. Например, типичное значение Urms для преобразователя с выходным напряжением 5 В не превышает 30 мВ. Но малое значение Urms может сочетаться с превышающим его в несколько раз Upk-pk. Больший интерес обычно вызывает именно значение Upk-pk. Дело в том, что результат измерения Upk-pk зависит от полосы пропускания прибора (она должна быть от 0 до 20 МГц) и от способа измерения. В справочных материалах встречаются самые разные методы измерения. Данные на 10-ваттные источники Lucent Tech. серии LC/LW010 приводятся по измерениям, выполненным с присоединенными к выходу двумя керамическими конденсаторами емкостью по 0,47 мкФ. У других производителей встречается вариант с измерением пульсаций на танталовом конденсаторе 33 мкФ, соединенным с выходом источника витой парой определенной длины, и т.д. Много вопросов вызывает встречающаяся иногда рекомендация измерять пульсации непосредственно между выходными выводами. Но поскольку импульсный преобразователь – источник электромагнитного излучения в диапазоне частот от нескольких килогерц до десятков мегагерц, результат такого способа измерения пульсаций, в частности, будет очень сильно зависеть от того, какую площадь и ориентацию относительно источника имеет контур, образованный заземляющим проводом щупа осциллографа. При таких измерениях значения пульсаций могут быть порядка нескольких вольт, тогда как в справочных данных указаны какие-нибудь 75-100 мВ. Следует заметить, что такие «разночтения» касаются обычно именно самой высокочастотной (порядка десятка МГц) составляющей пульсации на выходе. Значение пульсации на рабочей частоте преобразователя, как правило, не вызывает вопросов и может быть измерено практически по любой из встречающихся в технической документации методик. Колебания выходного напряжения на более высоких частотах (шумов выхода) имеют другую природу. Шумы возникают из-за паразитных индуктивностей, емкостей, контуров между выходом конвертора и измерительным прибором и наводимых в них помехах.

Таким образом, при подробном рассмотрении наиболее важных параметров, характеризующих преобразователь постоянного напряжения, определяющее значение принадлежит КПД преобразования электрической энергии. С ним в большей или меньшей степени связаны и остальные параметры [26].

Рассмотрим проблемы эффективного отвода тепла в источниках вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Вопросы охлаждения силовых полупроводниковых приборов в ИВЭ радиоэлектронной аппаратуры всегда занимали важное место при разработке данных устройств. Для них характерны большое значение выделяемой мощности, повышенный нагрев силовых полупроводниковых приборов, сравнительно компактное расположение силовых элементов, широкий температурный диапазон работы.

До недавнего времени задача обеспечения допустимого теплового режима электрорадиоэлементов в ИВЭ в основном решалась с помощью металлических радиаторов различной конструкции. На этих радиаторах размещаются мощные транзисторы, тиристоры, диоды, а в ряде случаев и силовые трансформаторы. Радиаторы за счет лучеиспускания и естественной конвекции тепла передают тепловой поток от силовых элементов ИВЭ в окружающую среду и обеспечивают их эффективное охлаждение.

По мере миниатюризации элементной базы ИВЭ и перехода к высоким частотам преобразования в них электрической энергии относительная доля массы и габаритов радиаторов в общей массе и габаритах ИВЭ будет возрастать. Это обусловлено тем, что, с одной стороны, уменьшаются размеры всех силовых элементов — трансформаторов, дросселей и конденсаторов фильтров, мощных полупроводниковых приборов, а с другой стороны, потери мощности в них остаются по-прежнему высокими. В результате этого размеры охлаждающих радиаторов сохраняются значительными, а сами радиаторы становятся тормозом на пути эффективной миниатюризации ИВЭ радиоэлектронной аппаратуры. В этом смысле возможности обычных радиаторов к настоящему времени полностью исчерпаны. В мощных ИВЭ применяются также охлаждающие системы с движущимся теплоносителем, в которых по замкнутым контурам движется теплоноситель, передающий тепловую энергию от силовых элементов к внешним охлаждающим устройствам. Такие охлаждающие системы оказываются весьма сложными, содержат электродвигатели и насосы, потребляют сравнительно большую энергию для передвижения теплоносителя. Их, как правило, используют для охлаждения ИВЭ и радиоэлектронной аппаратуры сравнительно ограниченного круга специальных автономных объектов.

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. В последнее время интерес специалистов к давно открытым (в начале XIX века) тепловым трубам резко возрос, и на сегодняшний день эта область теплотехники переживает период своего бурного развития. Основное преимущество тепловых труб, которому они обязаны своим интенсивным развитием, заключается в их практической изотермичности, т.е. неизменности температуры по всей длине данного устройства. Это свойство позволяет с их помощью передавать тепловую энергию в любую требуемую точку объема, занимаемого аппаратурой. При такой передаче потери теплового потока ничтожны, а надежность и ресурсы работы тепловых труб 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 передавать почти в 500 раз больше тепла на единицу массы, чем это позволяют твердые теплопроводники  при том  же поперечном сечении. Тепловая труба представляет собой герметично закрытый сосуд, по внутренним стенкам которого размещается наполнитель с капиллярной системой. Внутри такого устройства находится некоторое количество жидкого теплоносителя (например, воды, спирта и т. п.). 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.

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 апаратуры. 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. Широкое практическое использование тепловых труб в ближайшем будущем должно явиться важным средством комплексной миниатюризации силовых преобразовательных устройств и в том числе ИВЭ радиоэлектронной аппаратуры. 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 в аппаратуре тепла в окружающую среду.

Следует обратить внимание, что технология использования тепловых труб в современных ИВЭ радиоэлектронной аппаратуры в настоящее время находится на стадии начального изучения. По существу исследуются параметры первых опытных тепловых труб, изучаются возможности размещения на их поверхности мощных полупроводниковых приборов и электромагнитных элементов, исследуется поведение тепловых труб в различных условиях эксплуатации, изыскиваются их оптимальные конфигурации, отрабатывается технология их производства [1].

2.3 Структурная схема разрабатываемого  источника питания

Рассмотрим обобщенную структурную схему линейного источника питания, или источника питания со стабилизатором непрерывного действии (рисунок 2.9)

Рисунок 2.9 – Обобщенная структурная схема линейного источника питания

Переменное напряжение через сетевой шнур 1 поступает на выключатель питания 2, а с него через плавкий предохранитель на фильтр 3, предназначенный для защиты питаемых устройств от импульсных помех к электросети. В линейных источниках питания этот фильтр обычно представляет собой конденсатор, включенный параллельно первичной обмотке трансформатора 5. Если питаемое устройство рассчитано на два питающих напряжения, устанавливается селектор напряжений 4, ручной или гораздо реже, автоматический, не предназначенный для коммутации входных обмоток трансформатора и зависимости от напряжения в конкретной электросети.

К вторичным обмоткам трансформатора подключены выпрямители, обычно двухполупериодные, фильтры 6, представляющие собой оксидные конденсаторы большой и емкости. Стабилизаторы напряжения 7 обычно выполнены но классической схеме на составном транзисторе со стабилитроном в качестве источника опорного напряжения, при этом вместо дискретных транзисторов применяются транзисторы Дарлингтона.

Гораздо реже встречаются стабилизаторы с применением операционных усилителей в качестве регулирующего элемента. Также нечисто можно встретить и интегральные стабилизаторы на несколько напряжений, например STK5446. В целях уменьшения числа вторичных обмоток трансформатор встречаются схемы с последовательным включением дополнительных стабилизаторов 8, причем стабилизаторы более низкого напряжения подключаются к выходу стабилизатора более высокого напряжения.

Для стабилизации напряжения в цепях с очень малым энергопотреблением нередко применяют простые параметрические стабилизаторы на основе стабилитрона. Поскольку транзисторы стабилизаторов при работе сильно нагреваются и требуют довольно массивных теплоотводов, конструктивно линейные ИП к большинстве случаев выполнены в виде отдельного блока, а и качестве радиатора часто используется шасси лентопротяжного механизма.

При ремонте ИП следует также уплывать, что стабилизаторы для некоторых напряжений могут быть установлены непосредственно рядом с питаемым узлом или схемой, а не на плате ИП. Может применяется дополнительная защита стабилизаторов и цепей нагрузки (на схеме не показана).

Для этого в цепи наиболее нагруженных вторичных обмоток перед выпрямителями включают плавкие предохранители. А основные функции защиты по постоянному току выполняют так называемые «разрывные», или «не возгорающиеся» (fusion) резисторы, имеющие очень высокое быстродействие. Они могут иметь мощность рассеивания от 0,125 до 10 Вт и сопротивление от десятых долей до нескольких Ом. На схемах такие резисторы обычно обозначаются буквами FR.