Прецизионный термостабильный источник питания для АСУ ТП

РВ – регулируемый выпрямитель;

И – инвертор;

В – выпрямитель;

Ф – сглаживающий фильтр;

ОС – схема обратной связи.

Рисунок 2.7 – Функциональные схемы стабилизирующих преобразователей напряжения постоянного тока со стабилизирующим устройством в цепи питания инвертора

 

Основными недостатками такого ИВЭ являются низкая стабильность его выходного напряжения, которая оказывается худшей, чем стабильность напряжения первичного источника электрической энергии, а также одно-единственное номинальное выходное напряжение,

Для нормального функционирования современной радиоэлектронной аппаратуры, как правило, требуется не одно, а несколько питающих напряжений различных величий и полярностей по отношению к корпусу устройства или общей шине системы вторичного электропитания. Поэтому силовой трансформатор инвертора должен иметь несколько вторичных обмоток, к которым подключаются выпрямители с фильтрами. В сложных радиоэлектронных устройствах, выполненных на полупроводниковых приборах и интегральных микросхемах различных типов, число вторичных питающих напряжений достигает 5-10 и более при сравнительно малой мощности (единицы-десятки ватт) ИВЭ.

В многоканальных ИВЭ принципиально могут быть использованы как способы централизованной стабилизации одновременно всех выходных напряжений, так и способы индивидуальной стабилизации каждого выходного напряжения в отдельности. В первом случае удается обеспечить общую нестабильность всех выходных напряжений на уровне ±3-5%, во втором – 0,5-1%.

Рассмотрим основные функциональные схемы многоканальных стабилизирующих ИВЭ с централизованной стабилизацией выходных напряжений и отметим их характерные особенности. В схеме, изображенной на рисунке 2.7 а) в цепь питания транзисторного инвертора включен непрерывный стабилизатор, достоинства которого заключаются в следующем: отсутствуют сглаживающие фильтры на входе и выходе стабилизатора, а также радиопомехи; сравнительно прост и легко поддается микроминиатюризации; высокие динамические свойства обеспечивают хорошее качество переходного процесса при резких изменениях нагрузок и напряжения питания, а также высокую помехозащищенность радиоэлектронной аппаратуры от наводок по цепи питания.

Основной недостаток непрерывного стабилизатора – его сравнительно низкий КПД, минимальное значение которого не превышает ηс<1/ξп, где ξп=Uп.макс/Uп.мин≥1,2÷1,5 – коэффициент, учитывающий пределы изменения напряжения питания.

Поэтому при ξп > 1,4÷1,5 схема находит практическое применение лишь при небольшой выходной мощности ИВЭ (Рн<5÷10 Вт). Значительно меньшими потерями мощности и более высоким КПД характеризуется импульсный стабилизатор, используемый в функциональной схеме, изображенной на рисунке 2.7 б). Преимущества последнего по сравнению с непрерывным стабилизатором возрастают при расширении пределов изменения напряжения питания.

Однако импульсные стабилизаторы также имеют ряд недостатков. Так, на входе и выходе таких устройств необходимо включать сглаживающие фильтры. Входной фильтр Фвх, с одной стороны, защищает ИВЭ от помех, поступающих на его вход, а с другой – уменьшает помехи от самого стабилизатора по цепи его питания. Выходной фильтр Фс осуществляет сглаживание однополярных импульсов переменной длительности, поступающих с выхода стабилизатора.

Значительно худшие по сравнению с непрерывным стабилизатором динамические свойства импульсного стабилизатора обусловливают появление сравнительно сильных изменений выходного напряжения такого стабилизатора в моменты коммутации его нагрузки.

В современных ИВЭ радиоэлектронной аппаратуры схема, изображенная на рисунке 2.7 б), используется при выходной мощности от 5-10 до 50-100 Вт и частоте преобразования от 2-5 до 20-50 кГц.

Централизованную стабилизацию одновременно всех выходных напряжений в ИВЭ позволяет реализовать функциональная схема, в которой на входы выпрямителей «В1, В2,... ...,Вп» подаются переменные напряжения с выходов регулируемого инвертора, а стабилизация выходных напряжений ИВЭ осуществляется посредством изменения формы переменных напряжений. Сигнал управления подается со схемы обратной связи, вход которой подключен к одному из выходов источника вторичного электропитания.

Совмещение функций преобразования напряжений и стабилизации их величин в одном функциональном элементе – регулируемом инверторе позволяет упростить схему ИВЭ и повысить его К.П.Д. за счет исключения промежуточных преобразований электрической энергии. Однако такая схема не свободна от недостатков. В ИВЭ, выполненных по данной схеме, значительную долю массы и объема занимают сглаживающие LС-фильтры, включенные в выходные цепи выпрямителей. Относительная доля этих фильтров в массе ИВЭ значительно возрастает при увеличении числа выходных цепей.

Сравнительно плохие динамические свойства сглаживающих фильтров LС-типа, приводящие к сильным изменениям выходных напряжений ИВЭ в моменты изменения величин соответствующих нагрузок, обусловливают необходимость включения в большинство выходных цепей ИВЭ непрерывных стабилизаторов с целью обеспечения приемлемого для радиоэлектронной аппаратуры качества питающих напряжений.

Таким образом, по мере увеличения числа выходных цепей ИВЭ и одновременного повышения требований к качеству вторичных питающих напряжений преимущества данной схемы перед ранее рассмотренными (рисунок 2.7) уменьшаются. Такая схема оказывается наиболее эффективной при сравнительно малом числе мощных выходных цепей (не более 2-3 шт.), когда нагрузка по каждой из них в процессе работы ИВЭ остается неизменной.

Основным средством уменьшения массы и габаритов сглаживающих фильтров LС-типа в стабилизирующих ИВЭ с выходом на постоянном токе, а также улучшения их динамических свойств является повышение частоты преобразования в регулируемом инверторе до нескольких десятков килогерц.

Следует также отметить, что при реализации такой функциональной схемы гармонический состав пульсаций выходных напряжений постоянного тока в процессе регулирования будет изменяться, что в некоторых практических случаях может оказаться нежелательным. Кроме того, для данной схемы характерно плохое использование силовых транзисторов в регулируемом инверторе по току и напряжению – они должны выбираться с учетом максимальных значений напряжения дштания и потребляемого тока (соответствующего минимальному значению напряжения питания).

Индивидуальную стабилизацию каждого из выходных напряжений в отдельности позволяют реализовать в ИВЭ функциональные схемы, изображенные на рисунке 2.8.

В схеме на рисунке 2.8 а) в каждую выходную цепь транзисторного инвертора включен свой регулируемый выпрямитель со сглаживающим фильтром LC-типа и схемой управления. В схеме на рисунке 2.8 б) выпря-митель выполняется нерегулируемым, а роль стабилизирующего устрой-ства играет маломощный стабилизатор переменного напряжения, выходное напряжение которого суммируется на входе выпрямителя с переменным напряжением, снимаемым с основного выхода транзисторного инвертора.

Сигнал обратной связи изменяет ширину импульсов на выходе регулятора таким образом, чтобы напряжение на выходе выпрямителя оставалось неизменным при всех режимах работы радиоэлектронной аппаратуры.

В отличие от схемы на рисунке 2.8 а), где регулируемый выпрямитель рассчитан на полную мощность нагрузки ИВЭ, выходная мощность регулируемого выпрямителя в схеме на рисунке 2.8 в) оказывается значительно меньшей, что приводит к уменьшению массы и габаритов сглаживающего фильтра. К недостаткам последней схемы следует отнести ее большую сложность по сравнению со схемой, изображенной на рисунке 2.8 а). Все функциональные схемы, позволяющие реализовать индивидуальную стабилизацию каждого выходного напряжения ИВЭ в отдельности (рисунок 2.8), при большом числе выходных цепей ИВЭ становятся неэффективными из-за значительного усложнения, увеличения массы и габаритов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     а)

     б)

в)

Ф – фильтр;

И – инвертор;

Р –регулятор переменного напряжения;

РВ – регулируемый выпрямитель;

В – нерегулируемый выпрямитель;

ОС – схема обратной связи;

С – непрерывный стабилизатор.

Рисунок 2.8 – Функциональные схемы стабилизирующих преобразователей напряжения постоянного тока с индивидуальной стабилизацией напряжения по каждой из выходных цепей

 

В этом случае, как было отмечено выше, целесообразно использовать функциональные схемы стабилизирующих ИВЭ с централизованной стабилизацией, включая дополнительные стабилизаторы лишь в те выходные цепи, в которых не удается обеспечить требуемую стабильность выходных напряжений [24].

 

2.2 Критерии выбора источника  питания

 

Сегодня рынок источников вторичного электропитания (ИВЭ) насыщен моделями DC/DC-преобразователей как импортного, так и отечественного производства. Блоки питания различаются не только номинальными значениями мощности, входного и выходного напряжений, но и наборами сервисных функций их управления, наличием защиты от различного рода воздействий как на сам преобразователь, так и на питаемую им нагрузку и входную сеть. Для нормального функционирования нагрузки, которой может быть и электродвигатель, и процессор, и целая радиолокационная станция, ИВЭП должен соответствовать определенным требованиям.

Эти требования определяются прежде всего системой электропитания, в которой данный ИВЭ будет применен. Преобразователи напряжения DC/DC входят как составные блоки в распределенную систему электропитания, причем, как правило, это понижающие преобразователи. При построении такой системы электропитания можно обойтись всего лишь одной относительно высоковольтной шиной  (с номинальным напряжением, например, 12, 24, 27 или 48 В) и относительно низким, по сравнению с токами нагрузок, током потребления. Каждая же нагрузка снабжена «своим», расположенным в непосредственной близости от нее блоком питания (конвертором DC/DC) с гальванической развязкой. Такая архитектура позволяет минимизировать потери на активном сопротивлении шин при передаче электроэнергии от источника к нагрузкам, а следовательно, предельно сократить размеры, массу и стоимость системы электропитания в целом.

Как известно, рыночная жизнеспособность изделия в определяющей  степени зависит от его стоимости. Массовое производство сильно ее снижает, однако дальнейшее радикальное снижение стоимости возможно только путем совершенствования технологии, в том числе за счет сокращения используемых материалов. Безусловно, прямой способ снизить расходы на материалы – сокращение размеров. Но это справедливо лишь при условии развитости технологий – в противном случае создание миниатюрного варианта может оказаться многократно дороже. Сокращение размеров ИВЭ имеет и физические ограничения, так как при заданной рассеиваемой мощности габариты не могут быть меньше определенных пределов для обеспечения необходимого охлаждения компонентов, нагрузок и питающих их преобразователей напряжения. И если мощность рассеяния нагрузки приходится принимать как неизбежную данность, то мощность, рассеиваемая блоком питания, определяется его коэффициентом полезного действия.

В ряде случаев допускается только естественное охлаждение конвекционными воздушными потоками. Когда применение принуди-тельного охлаждения становится невозможным, слишком низкий КПД может обусловить даже более чем двукратное увеличение размеров системы питания для снижения перегрева компонентов. По этой причине импульсные источники питания, обладающие КПД, более высоким по сравнению с линейными, оказываются в большинстве случаев незаменимыми. Проблема поддержания температуры преобразователя и нагрузки ниже определенного уровня обостряется еще и тем, что DC/DC-конвертор и питаемая им нагрузка в системе распределенного электропитания должны находиться как можно ближе друг к другу. Поэтому повышение КПД преобразователя даже на несколько процентов оказывается весьма существенным, и это повышение минимизирует не только размеры системы, в которой он применяется, но и размеры самого конвертора.

Рассмотрим преимущества высокого КПД. При сравнении конверторов с одинаковыми габаритами совершенно очевидно, что более экономичный преобразователь имеет более низкую рабочую температуру. А это – основа повышения надежности источника питания. Кроме того, более высокая эффективность преобразования позволяет расширить рабочий температурный диапазон в сторону высоких температур окружающей среды. Правда, более высокий КПД при сохранении размеров, как правило, означает усложнение электрической схемы конвертора, из-за чего возрастает вероятность отказа какого-либо элемента. Однако пониженная температура полупроводниковых переходов при разумном усложнении схемотехники позволяет создать более надежное устройство. Высокий КПД преобразования энергии придает системе еще и другие преимущества. Потребляемый ток пары вторичный источник питания-нагрузка снижается при повышении КПД. Поэтому может быть снижена выходная мощность (и стоимость) первичного источника, уменьшены токи и размеры основной шины питания. Высокий КПД и просто позволяет экономить энергоресурсы.

В конечном итоге выбор в пользу более эффективного с энергетической точки зрения DC/DC-конвертора очевиден лишь в том случае, если его цена не превышает цены преобразователя, КПД которого ниже. В противном случае необходим более тщательный анализ. Если говорить о замене предыдущих моделей DC/DC-конверторов более совершенными, то правильное решение может быть принято на основании анализа причин и статистики отказов блоков питания с меньшим значением КПД.

Наибольший же интерес представляет вопрос установки экономичного источника во вновь разрабатываемую систему. В этом случае применение даже более дорогого источника может оказаться выгодным, если при проектировании системы будут максимально использованы потенциальные преимущества конвертора с повышенным КПД. Столь пристальное внимание одному из многочисленных параметров, характеризующих DC/DC-конвертор, – КПД уделено еще и потому, что именно его значение определяет топологию и элементную базу силовой части, от которых фактически полностью зависит стоимость блока.