Структурные схемы устройств электропитания радиотехнических систем.

Радиосистемы (РС) состоят из большого числа блоков, поэтому источник вторичного электропитания ИВЭП должен иметь несколько выходных напряжений, как постоянных, так и переменных различной стабильности. Блоки РС могут быть разнесены в пространстве.

Для питания РС используются централизованные, децентрализованные и комбинированные системы электропитания.

Централизованная (рис. 2.6.1.) применяется на токи до сотен ампер. Все напряжения вырабатываются в централизованном ЦИВЭП. Применяется в больших стационарных комплексах. В децентрализованной (рис. 2.6.2.), применяемой на единицы ампер, каждый радиоблок имеет свой источник ИВЭП, которые связаны с источником вторичного электропитания ИПЭ через центральное распределительное устройство ЦРУ. В комбинированной системе (рис 2.6.3.) часть радиоблоков может питаться от ЦИВЭП, а для других блоков используются дополнительные индивидуальные стабилизаторы СН. Эта система используется на единицы и десятки ампер.

Рис. 2.6.1

Рис. 2.6.2

Рис. 2.6.3

Достоинством смешанной системы электропитания является гибкость - возможность производить требуемые изменения с минимальной затратой времени и ресурсов.

Централизованная система более экономична, чем индивидуальная. Однако при централизованном электропитании возрастают потери в подводящих питание проводах и кабелях, поэтому они не годятся для низких напряжений. Кроме того, при централизованном питании могут возникнуть паразитные связи между устройствами через общий источник. Схемы питания радиоцентров, стационарных центров связи, как правило, комбинированные. В них есть центральные распределительные щиты, от которых напряжение поступает на отдельные ИВЭП. От одного ИВЭП может запитываться несколько блоков. Но для передатчиков, если даже питающие напряжения однотипны, обычно используются разные ИВЭП для исключения гальванических связей по цепям питания. Бортовые системы питания РЭА так же комбинированные.

Для обеспечения работоспособности системы питания применяют резервирование. В качестве резервных источников используются аккумуляторы и дизель-генераторы.

Структурные схемы и общие вопросы проектирования источников вторичного электропитания.

Современная радиотехническая аппаратура выполняется на интегральных схемах (ИМС). Применение ИМС привело к значительной диспропорции между массой и объёмом радиоаппаратуры и массой и объёмом ИВЭП. В 70-х годах прошлого века на фоне грандиозных успехов, достигнутых на пути миниатюризации устройств цифровой и аналоговой техники, стало особенно очевидным отставание в области миниатюризации ИВЭП. Сложилось такое положение, когда габариты и масса ИВЭП оказались недопустимо большими и составляли (50-70)% массы и габаритов аппаратуры.

Помимо того, изменились номиналы выходных напряжений и токов ИВЭП. Если для транзисторной аппаратуры требуются напряжения 12,6; 20; 27; 36В, то для питания устройств на ИМС – 2; 3,3; 5; 9; 12В. Расширение функциональных возможностей РЭА привело к увеличению мощности, потребляемой от ИВЭП. Снижение напряжения питания и повышение мощности делают проблематичной миниатюризацию ИВЭП. Дело в том, что чем выше ток нагрузки, тем больше потери в ИВЭП, и тем ниже его КПД. ИВЭП являются силовыми преобразовательными устройствами, выполняются на мощных полупроводниковых приборах. Значительные потери мощности в ИВЭП приводят к необходимости использования громоздких радиаторов для отвода тепла от силовых элементов.

Таким образом, повышение КПД и уменьшение массогабаритных показателей – задачи взаимосвязанные. Но не только повышением КПД можно добиться уменьшения массы и габаритов. Важно правильно построить весь ИВЭП, правильно выбрать структурную схему, разработать принципиальную и выбрать нужную конструкцию.

Для питания аппаратуры широко распространена схема ИВЭП, изображённая на рис 2.6.4.

Рис 2.6.4

Применение в схеме линейного стабилизатора обеспечивает хорошие качественные параметры ИВЭП. Основными элементами, в которых теряется значительная мощность и от которых зависит КПД, являются СН, ФНЧ и трансформатор. КПД такой схемы

. (2.6.1)

В схеме широко применяется компенсационный стабилизатор с непрерывным регулированием с последовательным включением регулируемого элемента. КПД СН зависит от напряжения стабилизации U_вых (кривая 1 на рис. 2.6.5).

Рис 2.6.5

Чем выше U_вых, тем больше КПД (меньше мощность, рассеиваемая на регулируемом транзисторе - кривая 2). Если использовать такой источник питания ИМС, то h=(20-25)%. Это значит, что мощность, рассеиваемая в ИВЭП, в 3-5 раз больше Р_вых. Значительная мощность, рассеиваемая на регулируемом элементе, приводит к необходимости применения радиаторов (теплоотводов). Таким образом, масса и габариты получаются большими.

Применение импульсного стабилизатора позволяет значительно уменьшить мощность, рассеиваемую на регулирующем элементе, повысить КПД (рис. 2.6.5), уменьшить массу и объём.

Замена непрерывного стабилизатора импульсным не может в достаточной степени снизить массу и объём ИВЭП, так как его масса и объём определяются так же в значительной степени силовым трансформатором. Эта схема применяется на мощности до 10 - 20 Вт или в мощных стационарных ЭПУ. Возникает вопрос: а нельзя ли вообще исключить из схемы силовой трансформатор? Можно, если использовать преобразователь напряжения.

Рис 2.6.6

В такой схеме (рис 2.6.6.) напряжение сети выпрямляется бестрансформаторным выпрямителем В1, выполненным по мостовой схеме. Входной ток этого выпрямителя не содержит постоянной составляющей, поэтому его влияние на сеть минимально. ФНЧ1 представляет RC – фильтр с ограничительным резистором , который ограничивает зарядный ток конденсатора при подключении ИВЭП к сети.

, (2.6.2)

где I_пр.и - допустимый импульсный ток диода; U_с.max - максимальное напряжение сети; r_L - сопротивление дросселей фильтра защиты от помех; r_сэ - сопротивление электролитических конденсаторов; r_с - сопротивление сети, равное примерно 1 Ом; r_i - внутреннее сопротивление диодов постоянному току.

Напряжение на выходе ФНЧ1

, (2.6.3)

где U_c = 220 В – действующее напряжение сети.

Ёмкость конденсатора фильтра сетевого выпрямителя выбирают исходя из максимально допустимой амплитуды пульсаций U_c~

, (2.6.4)

где P_Н – мощность в нагрузке, U_cmin – минимальное напряжение сети.
Преобразователь работает на повышенной частоте f_п, значительно превышающей f_с, за счёт чего его трансформатор имеет массу значительно меньше, чем силовой сетевой трансформатор той же мощности. Причем, чем выше f_п, тем меньше трансформатор. Так, например, для трансформатора с S_T = 25 ВА увеличение f_пс 1 до 100 кГц уменьшает массу в 10 раз. Увеличение f_п приводит к значительному уменьшению массы и габаритов сглаживающих фильтров, фильтра импульсного стабилизатора.

Таким образом, повышение частоты преобразования является важным средством уменьшения массы и габаритов ИВЭП.

Однако повышение частоты f_п ограничено из-за возможного ухудшения энергетических характеристик ИВЭП. Возрастают коммутационные потери мощности в силовых полупроводниковых приборах, возрастают магнитные потери в ферромагнитных сердечниках. Оказывается, для каждого ИВЭП существует такая частота, при которой КПД максимален. С другой стороны, существует и такая f_п, при которой масса и габариты ИВЭП будут минимальны. Значения этих частот могут не совпадать, вследствие чего в одном и том же ИВЭП, как правило, не удаётся совместить наименьшие габариты с максимальным КПД. Значение f_опт является сложной функцией параметров Р_вых , U_п , h , V и G.

Если требуется ИВЭП на очень низкие напряжения (меньше 5 В), то КПД ИВЭП снизится из-за снижения КПД стабилизатора. Для повышения КПД при низких выходных напряженияхимпульсный стабилизатор целесообразно включать в цепь повышенного напряжения до преобразователя (рис. 2.6.7.) По такой же схеме, часто и с линейным стабилизатором строятся ИВЭП высоких напряжений (2 - 20 кВ) для питания ЛБВ, ЭЛТ, клистронов и т.д.

Рис 2.6.7

Более того, в ряде случаев можно вообще обойтись без стабилизатора. Функции регулирования напряжения может выполнить регулируемый преобразователь.

Структурная схема стабилизатора ИВЭП с бестрансформаторным входом и стабилизирующим преобразователем приведена на рис. 2.6.8. В зависимости от уровня мощности преобразователь может быть как однотактным, так и двухтактным.

Рис 2.6.8

Это очень популярная схема, так как стабилизирующий преобразователь выполняет преобразование и стабилизацию напряжения. Кроме того, он позволяет регулировать величину выходного напряжения.

Основные пути миниатюризации ИВЭП:

1) Повышение частоты преобразования;

2) Повышение КПД путём использования более прогрессивных схемотехнических решений;

3) Применение более современной элементной базы: безкорпусных мощных полупроводниковых приборов, силовых ИМС и сборок, ВЧ электролитических конденсаторов;

4)Разработка и внедрение новых эффективных способов отвода тепла от силовых элементов, исключающих необходимость использования громоздких радиаторов. Целесообразно использовать тепловые трубы.