Приложение…………………………………………………………………….. Список литературы……………………………………………………………..

ВВЕДЕНИЕ

В большинстве случаев первичный источник или стандартная сеть по частоте, стабильности или напряжению оказываются непригодными для питания электронных устройств. Поэтому возникает необходимость преобразования электрической энергии. Устройства, преобразующие вид и качество электрической энергии называют источниками вторичного электропитания (ИВЭП).

Класс устройств, преобразующий электрическую энергию, весьма разнообразен и охватывает диапазон мощностей от долей ватта до нескольких тысяч киловатт.

В каждом из видов электронных средств, будь то вычислительная машина или система управления роботом, CD-проигрыватель или радиолокационная станция, имеется система, устройство или элемент, выполняющие одну и ту же функцию: обеспечение электропитанием всех входящих в данное средство элементов. Причем, наличие в электронном средстве, каким бы сложным оно ни было, источника вторичного электропитания, настолько очевидно, что на общей функциональной электрической схеме этого средства он даже не указывается.

Для надежной и долговечной работы любого радиоэлектронного устройства необходим грамотный подход к конструированию и проектированию источников вторичного электропитания этого устройства. Основной задачей конструирования и проектирования источников питания, наряду с выбором варианта конструкции, обеспечением электромагнитной совместимости, устойчивости к механическим воздействиям, унификации, миниатюризации, технологичности и надежности, является обеспечение заданного температурного режима блока вторичного электропитания. Если основным средством миниатюризации любых систем обработки и хранения информации электронных средств, является повышение уровня интеграции микросхем, то для вторичных источников электропитания наибольший эффект достигается улучшением тепловых режимов, наряду с повышением КПД. Широкое применение в современных источниках вторичного электропитания микросхем и микросборок привело к тому, что расчет тепловой напряженности элементов, при проектировании, приобрел особое значение, так как допустимый перегрев становится наиболее объективным критерием оценки надежности и долговечности прибора.

Вопросам обеспечения тепловых режимов, при проектировании и конструировании источников вторичного электропитания, как всего устройства в целом, так и отдельных модулей и элементов и посвящены главы данного учебного пособия. Авторы, в каждой главе, стремились показать важность и актуальность проведения тепловых расчетов при проектировании источников вторичного электропитания, в условиях современных требований надежности, миниатюризации, долговечности, стабильности параметров и качества радиоэлектронной аппаратуры. В пособии подробно изложены методики проведения расчетов тепловых режимов блоков источников вторичного электропитания, при различных видах теплообмена, для различных типов конструкций блоков и технических условий предъявляемых к ним. А также приведены методики расчета и выбора тепловых режимов для модулей и элементов, из которых состоит любой источник вторичного электропитания, и для этих модулей и элементов, приведены методики расчета и выбора оптимальных теплоотводов.

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Классификацию источников вторичного электропитания проводят по следующим основным характеристикам 1.

1. По виду входной электроэнергии: работающие от сети переменного тока (одно- или многофазного); от сети постоянного тока; от сетей переменного и постоянного токов.

2. По выходной мощности: микромощные Pвых ≤ 1 Вт; малой мощностиPвых= 1…10 Вт; средней мощностиРвых= 10..100 Вт; повышенной мощностиРвых= 100…1000 Вт; большой мощностиРвых≥ 1000 Вт. Отдельную группу составляют источники с выходной мощностью свыше 1 кВт до 1000 кВт, которые используются для питания приемных и передающих устройств, технологических установок, установок ионной оптики.

3. По виду выходной энергии: с выходным напряжением переменного тока (одно- или многофазного); с выходным напряжением постоянного тока; комбинированные (с выходным напряжением переменного и постоянного токов).

4. По номинальномузначению выходного напряженияUвых: низкоеUвых<

< 100 В; повышенное Uвых= 100…1000 В; высокоеUвых > 1000 В. Источники электропитания с уровнем входного напряжения свыше 1000 В принято называть высоковольтными. У этих источников рабочие цепи находятся под потенциалом относительно «земли», равным рабочему напряжению. Кроме них используются источники электропитания, рабочие цепи которых находятся под потенциалом относительно «земли» выше рабочего напряжения. Такие источники применяются обычно в радиопередающих устройствах, где уровень потенциала превышает 1000 В. В этом случае источники электропитания называют высокопотенциальными.

5. По степени постоянства выходного напряжения: не стабилизирующие и стабилизирующие. Стабилизирующие источники электропитания обеспечивают постоянство выходного напряжения на заданном уровне при воздействии влияющих величин (изменении выходного напряжения, выходного тока, температуры окружающей среды и др.). Они имеют в своем составе стабилизатор напряжения, который конструктивно может быть выполнен в виде функционального узла.

6. По допустимому отклонению номинала выходного напряжения; низкой точности (> 5 %); средней точности (1…5 %); высокой точности (0,1…1); прецизионные (< 0,1 %).

7. По уровню пульсации (переменной составляющей) выходного напряжения постоянного тока: малый уровень (< 0,1 %); средний уровень (0,1… 1 %); большой уровень (> 1 %).

8. По числу выходов: одноканальные (один выход) и многоканальные (два и более выходов).

9. По способу стабилизации напряжения: непрерывного и импульсного действия.

Рис. 1

Структурная схема источника электропитания определяется входными и выходными параметрами. На рис. 1, а–гприведены типовые структурные схемы источников вторичного электропитания, содержащие следующие функциональные узлы: трансформаторТ, выпрямительВ, сглаживающий фильтрФ, стабилизатор напряженияС, делитель выходного напряженияДН,помехоподавляющий фильтрППФ, инвертор регулирующийИр, инвертор не регулирующийИ.

Трансформатор на входе источника электропитания (рис. 1, а,б) рассчитывается на частоту тока системы электроснабжения. Такие схемы используются при малой выходной мощности, так как трансформатор при работе на частоте тока сети имеет завышенные габаритные размеры и массу. В схемах на рис. 1, в–е во входных цепях используются узлы ППФ, осуществляющие фильтрацию высокочастотных помех, как со стороны сети, так и со стороны инвертора в сеть.

В схемах на рис. 1, в,г применяется инвертор, регулирующий выходное напряжение источника по сигналу обратной связи с делителя напряжения. В схемах на рис. 1,динверторИвыполняет лишь функцию преобразования постоянного тока в переменный, а стабилизацию напряжения осуществляет стабилизаторСпо сигналу обратной связи с трансформатора (от дополнительной обмотки).

Следует сразу заметить, что при конструировании и проектировании вторичных источников электропитания, реализуемых одной из вышеперечисленных функциональных схем, обеспечение заданного теплового режима источника является важнейшей задачей инженера. Так как, без теплового расчета невозможно обеспечить в заданных режимах номинальные значения параметров, что может привести к выходу из строя всего радиотехнического устройства в целом.

2. СОВРЕМЕННЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ИСТОЧНИКАМ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Основные требования к источникам вторичного электропитания питания можно охарактеризовать следующими параметрами:

1. коэффициентом полезного действия. Современные требования накладывают жесткие условия на величину коэффициента полезного действия (КПД). КПД полностью определяет требуемую поверхность теплоотвода при заданной температуре. Высокий КПД позволяет решать энергетические проблемы миниатюризации блока вторичного электропитания. КПД определяет рассеиваемую мощность, которая не должна требовать поверхности охлаждения, превышающей ту, которая соответствует объему, необходимому для плотного размещения деталей. Все источники вторичного электропитания, у которых преобразование электрической энергии основано на непрерывном действии характеризуются теоретически предельным значением КПД. В источниках вторичного электропитания, у которых электрическая энергия преобразуется импульсным путем теоретически предельный КПД не ограничен, то есть, может быть равен 100%. Реальный КПД определяется не идеальностью ключей и потерями в реактивных элементах.

2. показателями надежности работы. Величина показателей надежности определяется назначением радиоэлектронного устройства. Если источник вторичного электропитания работает в составе РЭС, размещенной на необслуживаемом объекте, то наработка на отказ должна быть максимальной (спутники связи, орбитальные станции, морские буи и т. п.). Вероятность безотказной работы электронных средств, функционирование которых в течении заданного промежутка времени должно быть гарантированно разработчиком, должна быть наибольшей (радиоэлектронные устройства применяемые в военной технике, в медицинском оборудовании и т. п.).

3. значения напряжения и тока, и их отклонения от номинальных значений. Наибольшее влияние на отклонение от номинального значения и нестабильность выходного напряжения оказывают диапазоны изменения температуры окружающей среды и выходного тока. Нестабильность выходного напряжения в течение заданного промежутка времени может быть заданна не более 0,02%, для аппаратуры чувствительной к колебаниям напряжения [1], для большинства же современной бытовой аппаратуры нестабильность выходного напряжения, для многих видов нагрузок, составляет 2% от номинального напряжения.

4. габаритными размерами и массой. Габаритные размеры и масса блока питания определяются не только степенью миниатюризации электро-радио-элементов входящих в его состав, но и в первую очередь грамотным расчетом теплового режима, как в целом источника вторичного питания, так отдельных его элементов, испытывающих наиболее тяжелый тепловой режим. В первую очередь, это объясняется тем, что при правильном и грамотном расчете режима работы и отвода тепла от таких теплонагруженных элементов как: транзисторы и транзисторные ключи, непрерывные и импульсные трансформаторы, диоды, конструктор может использовать такие элементы с меньшими показателями мощности, а как следствие с меньшими габаритными размерами.

5. наличием защиты при аварийных режимах. Такая защита предусматривает прекращение подачи напряжения на блоки и модули радиоэлектронного устройства, если вторичное напряжение, на выходе блока питания превышает допустимое.

Технические требования к характеристикам вторичных источников электропитания сильно различаются в зависимости от назначения радиоэлектронной аппаратуры, в составе которой они работают. Если в технических условиях заданно, что аппаратура должна эксплуатироваться в отапливаемом помещении, то устройство в целом и блок питания рассчитывают на температуру окружающей среды от +5 до +40˚С, атмосферное давление не ниже 460 мм рт. ст. и относительную влажность воздуха 95% при температуре 30˚С. Если аппаратура предназначена для работы на подвижных наземных носителях, то диапазон изменения температуры окружающей среды расширяется от – 50 до +65˚С, а относительная влажность воздуха повышается до 98…100%. Это ужесточает требования к проведению теплового расчета, к обеспечению более эффективного отвода тепла, а также возможности герметизации и принудительного охлаждения источника вторичного электропитания.

Современные источники вторичного питания обязаны выдерживать циклическое изменение температуры окружающей среды, при этом сохраняя требуемые параметры в допустимых пределах отклонения. Особенно это условие трудно выполнимо для герметизированных конструкций блоков электропитания, а также для источников электропитания высокого напряжения, так как наличие высокого напряжения, во первых является предпосылкой для увеличения токов утечки, которые по своему значению могут быть сравнимы с выходным током, в маломощных источниках электропитания, а во вторых для высоковольтных источников питания характерна большая толщина слоя изолирующего компаунда.

Также проектировщику следует учитывать, что значительный перепад температур имеет место при подъеме и последующем снижении аппаратуры, например при подъеме на высоту 9000 м температура окружающей среды за короткое время достигает - 60˚С.

3. СВЯЗЬ МИНИАТЮРИЗАЦИИ С ОБЕСПЕЧЕНИЕМ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Миниатюризация – это главное направление развития современной радиоэлектронной техники, вот уже на протяжении многих лет. Корпорации и фирмы тратят миллиарды на разработку новых технологий и технологического оборудования позволяющего уменьшать до невероятных размеров электро радиоэлементы, микросборки, печатные платы и радиоэлектронные устройства в целом. На этом фоне становится всё более заметной недостаточная степень миниатюризации преобразователей электрической энергии.

Миниатюризация радиоэлектронной аппаратуры приводит к увеличению относительного объема блока вторичного электропитания в системе, если их миниатюризация не осуществляется с такой же эффективностью. Преодоление существующих трудностей стало возможным с переходом от преобразований электрической энергии на стандартных низких частотах (50 и 400 Гц) к преобразованиям на частотах в десятки и сотни килогерц при преимущественно прямоугольной форме импульса напряжения.

1. Основные проблемы миниатюризации

Критериями, которыми конструктор должен руководствоваться при решении вопросов миниатюризации источников вторичного электропитания, являются удельная мощность и относительный объем. Габаритные размеры блока электропитания, как впрочем, и любого электротехнического устройства, определяются в первую очередь требуемой поверхностью теплоотвода, либо конструктивным объемом, необходимым для размещения деталей.

При заданных выходной мощности и условиях теплоотвода требуемая поверхность теплоотвода полностью определяется КПД источника вторичного электропитания. В свою очередь КПД блока питания зависит от принципа его действия, числа последовательных преобразователей энергии и удельных нагрузок в элементах схемы, то есть от плотности тока j, максимальной индукцииВ, рабочей частоты ω. При увеличении удельных нагрузок уменьшается суммарный объем деталей, уменьшается КПД, увеличивается требуемая поверхность теплоотвода. При некоторой совокупности удельных нагрузок конструкция имеет минимальный объем, соответствующий оптимальному КПД, плотной упаковке деталей и требуемой поверхности теплоотвода при заданной температуре. Отступление от оптимальной совокупности удельных нагрузок приводит к тому, что объем конструкции, увеличивается из-за роста объема деталей или требуемой поверхности теплоотвода. В первом случае при сохранении плотной упаковки деталей их температура будет ниже заданной. Во втором случае температура деталей будет заданной, но не полностью использован объем[4].

Еще одна проблема миниатюризации вторичных источников питания – энергетическая, решение которой также невозможно без грамотного подхода к обеспечению заданного теплового режима блока питания. Так как эта проблема заключается в необходимости получения в любом преобразователе энергии достаточно высокого КПД, чтобы рассеиваемая мощность не требовала поверхности охлаждения, превышающей ту, которая соответствует объему, необходимому для плотного размещения деталей. Подход к решению энергетической проблемы миниатюризации источников вторичного электропитания является дифференцированным, и зависит от того к какому типу относится источник питания (непрерывного или импульсного действия). Источники электропитания непрерывного действия характеризуются тем, что имеют предельное теоретическое значение КПД, задача инженера заключается в том, чтобы максимально приблизиться к этому значению. В отличие от блоков электропитания непрерывного действия, у импульсных источников вторичного электропитания теоретический предельный КПД неограничен, то есть он может быть равен 100%. Если разработчик достигнет этого теоретического значения КПД, то вопрос обеспечения теплового режима источников вторичного электропитания станет неактуальным и ненужным, так как исчезнут потери при преобразовании электрической энергии, то есть исчезнет ˝паразитное джоулево тепло˝. На практике, реальный КПД импульсных источников питания определяется не идеальностью ключей и потерями в реактивных элементах, а энергетические проблемы миниатюризации решаются нахождением оптимальной совокупности электрических и магнитных нагрузок во всех элементах устройства, то есть оптимальных плотности тока, индукции и частоты.

Опыт показывает, что при современных параметрах мощных транзисторов и свойствах магнитных и диэлектрических материалов, применении бес корпусных, мощных транзисторов и диодов для мощных сборок из этих приборов основным ограничением миниатюризации устройств является рассеиваемая мощность. Поэтому для инженера так важен грамотный подход к проведению теплового расчета, как в целом всего блока вторичного электропитания, так и наиболее теплонагруженных элементов, а также выбор оптимального способа отвода рассеиваемой мощности.