Исследование и разработка конденсаторных источников вторичного электропитания тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.12, кандидат технических наук Курченкова, Наталия Борисовна

• Курченкова, Наталия Борисовна
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Курченкова, Наталия Борисовна

Введение.

1. Обзор литературы и постановка задачи исследования.

1.1. Обзор литературы по современным ИВЭП.

1.2. Цель диссертации и объект исследования.

2. Исследование процессов работы стабилизирующих ИПН

3. Исследование процессов в нестабилизирующих КИВЭП.

3.1. Исследование статических характеристик.

3.2. Анализ пульсаций выходного напряжения.

4. Исследование процессов в стабилизирующих КИВЭП.

4.1. Исследование статических характеристик.

4.2. Анализ пульсаций выходного напряжения.

5. Исследование процессов пуска КИВЭП и коммутации токов нагрузки.

5.1. Исследование процессов в нестабилизирующих КИВЭП

5.2. Исследование процессов в стабилизирующих КИВЭП

5.2.1. Исследование процессов в КИВЭП со стабилитроном

5.2.2. Исследование процессов в КИВЭП с импульсным регулированием.

6. Экспериментальная часть.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка конденсаторных источников вторичного электропитания»

Настоящий период развития общества характеризуется широчайшим и революционизирующим внедрением средств микроэлектроники и вычислительной техники практически во все сферы человеческой деятельности [1]. Нельзя назвать ни одной отрасли, где бы не использовались подобные устройства. В первую очередь к ним можно отнести промышленность, военную технику, транспорт, связь, медицину, сельское хозяйство и др. В наиболее значительной степени этому способствовало появление интегральных микросхем (ИМС) высокой и сверхвысокой степени интеграции, позволивших не только радикально увеличить функциональную и количественную сложность решаемых микроэлектронными устройствами задач, но и решать ранее недостижимые задачи, относящиеся, например, к глобальным системам связи, метеорологии, геофизики, киноискусству и т.д. [2]. Процессу электронизации и информатизации способствовало также внедрение её в мировое сообщество. Невозможно переоценить влияние электронизации бытовой сферы. Практически в каждом доме имеются довольно сложные электронные приборы - телевизоры, ви-деомагниофоны, музыкальные центры, СВЧ-печи, стиральные машины с электронным управлением и др. Не является удивительным наличие в быту персональных компьютеров, использующихся для самых различных целей: учебных, развлекательных, информационных и т.п. За последнее время получила распространение цифровая фотоаппаратура, а также функционально сложные электронные системы, сочетающие в себе функции телевизора, компьютера с управляющими функциями и выходом на соответствующие бытовые терминалы. В недалеком будущем жизнь человека невозможно будет себе представить без электронных управляющих и информационных систем, включая бытовые.

Электропитание электронных функциональных узлов практически во всех приборах осуществляется при помощи источников вторичного электропитания (ИВЭП), которые осуществляют преобразование первичного напряжения в требуемые для электронных узлов постоянные напряжения заданной величины и требуемого качества. В зависимости от вида первичного напряжения можно определить два основных типа ИВЭП: с преобразованием постоянного напряжения в постоянные и с преобразованием переменного напряжения в постоянные.

Первые из них, в своем большинстве, используются в переносных электронных приборах и в специальных управляющих системах, например, военно-космического назначения.

В стационарной бытовой и профессиональной электронной аппаратуре первичным источником для ИВЭП зачастую являются сети переменного стандартного напряжения 220 или 380 В частоты 50 (60) Гц. Специальная электронная аппаратура, например, самолетов и некоторых других летательных аппаратов, в качестве первичного источника используется переменное напряжение повышенной частоты - 400, 1000 Гц и более.

Доля ИВЭП, у которых в качестве первичного используется переменное напряжение, значительна. В первую очередь это объясняется наличием увеличивающегося во времени громадного парка стационарной вычислительной техники, а также бытовой электронной аппаратуры. Большая часть новых и перспективных электронных систем также питается от переменного напряжения.

Поэтому вопросы исследования ИВЭП с первичным переменным напряжением актуальны, а улучшение экономических, энергетических и эксплуатационных показателей ИВЭП позволят получить материальный и экологический эффект. Кроме того, во многих практических случаях совершенствование характеристик ИВЭП позволяет существенно расширить функциональные возможности применения питаемой ими электронной аппаратуры.

Заключение диссертации по теме «Силовая электроника», Курченкова, Наталия Борисовна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения диссертационной работы установлены следующие основные закономерности, выносимые на защиту.

1. Определено, что КИВЭП имеют определенные области рационального применения в современной электронной и электротехнической аппаратуре. Наиболее оптимальные пределы выходной мощности КИВЭП находятся в диапазоне от единиц-дол ей ватт до 15. 30 Вт. Увеличение мощности возможно при улучшении массогабаритных и экономических характеристик конденсаторов переменного напряжения (конденсатор С0).

2. Выполнен анализ процессов работы источника неизменной потребляемой мощности в системе электропитания с существенным сопротивлением питающей линии. Показано, что возникающий в подобной системе эффект двузначности выходного напряжения может нарушать работу потребителя и его необходимо учитывать на практике.

3. Выполнен анализ процессов, происходящих в нестабилизирующих КИВЭП. Найдены уравнения, определяющие статические характеристики и пульсации выходного напряжения. Наличие двузначности напряжения определяет специфику работы подобных КИВЭП в системах электропитания и требует принятия специальных мер по исключению одного из напряжений при воздействии всех дестабилизирующих факторах, которые могут возникнуть при эксплуатации.

4. Проведено исследование процессов, происходящих в стабилизирующих КИВЭП. Предложен энергетически эффективный метод импульсной стабилизации выходного напряжения. Найдены расчетные выражения для нахождения основных характеристик двух типов КИВЭП: со стабилитроном и со схемой по предложенному методу.

5. Существенное выходное сопротивление КИВЭП, которое вызвано наличием конденсатора С0, определяет необходимость обязательного использования в стабилизирующих КИВЭП пороговых гистерезисных устройств включения и выключения. Вместе с этим, нормальный процесс пуска КИВЭП с включенным на его выходе стабилизирующим или нестабилизирущим ИПН обеспечивается только при наличии определенной величины емкости конденсатора фильтрующего Сф, которая должна обеспечить заряд выходных сглаживающих конденсаторов ИПН при заданном снижении величины напряжения на этом конденсаторе. Созданные оригинальные технические решения, улучшающие технико-экономические характеристики КИВЭП, защищены двумя патентами Российской Федерации.

6. Выполненный анализ показывает, что на основе рассмотренных КИВЭП могут быть реализованы несколько основных типов источников вторичного электропитания. Их структурные схемы приведены на рис.3.1

Первая из них (рис.3.1,а) не содержит элементов стабилизации выходного напряжения 11н и может быть применена только при неизменном токе /н нагрузки КИВЭП. Вместе с этим, следует учитывать, что отсутствие стабилизирующих элементов (например, в простейшем случае стабилитрона) приводит к появлению двузначности выходного напряжения, а также к возникновению аварийной ситуации при обрыве цепи нагрузки и последующему катастрофическому отказу элементов.

Вторая схема (рис.3.1,б) состоит из стабилизирующего КИВЭП, где в качестве стабилизатора Стаб. может использоваться как стабилитрон, так схема по предложенному методу. Её недостатком является отсутствие электрической изоляции первичного напряжения от выходного. Поэтому она может использоваться в некоторых частных применениях. Примерами могут служить схемы дежурного режима работы телевизоров, некоторые бытовые электроприборы, у которых конструктивными методами обеспечивается надежная защита от касания сетевого провода и т.п. Наиболее эффективными примером использования КИВЭП, где его недостаток (большое выходное сопротивление) превращается в преимущество, является применение КИВЭП в зарядных устройствах аккумуы я) б) е) г) д)

Рис.3.1. Варианты структурных схем ИВЭП ляторных батарей. Здесь функцию ограничителя тока заряда выполняет конденсатор С0, а регулировку тока заряда, если это требуется, можно осуществлять предложенной схемой импульсной стабилизации. Очевидно, что КПД такого зарядного устройства будет достаточно велик.

Третий пример использования КИВЭП приведен на схеме рис.3.1,е. Здесь электрическая изоляция напряжений обеспечивается импульсным высокочастотным нестабилизирующим преобразователем ИПН, первичное (входное) постоянное напряжение которого существенно снижено по отношению к традиционным бестрансформаторным ИВЭП. В данной схеме стабилизация осуществляется устройством стабилизации по предложенному методу, а обратная связь ОС на схему управления подается со входа ИПН. Так как стабильность напряжения на выходе КИВЭП может быть сделана достаточно высокой, то вполне возможно использование нестабилизирующих ИПН.

На схеме рис.3.1,г обратная связь ОС для стабилизации по предложенному методу берется с выхода одного из напряжений ИПН. Здесь обеспечивается лучшая стабильность выходных напряжений источника электропитания, однако для сохранения электрической изоляции напряжений требуется передача сигнала ОС через элемент с электрической изоляцией.

Схема с двумя управляющими обратными связями приведена на рис.3.1Д Здесь первая связь ОС1 осуществляет импульсную стабилизацию выходного напряжения КИВЭП, а вторая ОС2 - стабилизацию выходных напряжений ИПН. Несмотря на функционально большую сложность подобного устройства, здесь появляется возможность для существенного уменьшения величины емкости конденсатора Сф, так как обратная связь ОС2 внутри ИПН может обеспечить его работоспособность при существенно больших пульсациях входного постоянного напряжения, что и дает возможность для уменьшения емкости Сф. Усложнение источника электропитания при современном уровне микроэлектронной схемотехники может быть достаточно малозначимым.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Курченкова, Наталия Борисовна, 2000 год

1. Глазенко Т.А., Прянишников В.А. Электротехника и основы электроники." М.: Высш. школа, 1996.- 207с.

2. Митропольский Ю.И. Суперкомпьютеры и микропроцессоры // Электроника, 1998, №3-4.- С. 19-22.

3. Рогинский В.Ю. Электрическое питание радиотехнических устройств.-М.-Л.: ГЭИ, 1957,- 516с.

4. Проектирование стабилизированных источников электропитания радиоэлектронной аппаратуры / Л.А.Краус, Г.В.Гейман, М.М.Лапиро-Скобло, В.И.Тихонов.- М.: Энергия, 1980,- 288с.

5. Миловзоров В.П., Мусолин А.К. Дискретные стабилизаторы и формирователи напряжения.- М.: Энергоатомиздат, 1986.- 248с.

6. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи.- М.: Энерготомидат, 1986.- 376с.

7. Ромаш Э.М. Источники вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры.- М.: Радио и связь, 1981.- 224с.

8. Мкртчян Ж.А. Электропитание электронно-вычислительных машин.-М.: Энергия, 1980.- 280с.

9. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Под ред. Г.С.Найвельта.- М.: Радио и связь, 1986.- 576с.

10. Кожарский Г.В., Орехов В.И. Методы автоматизированного проектирования источников вторичного электропитания.- М.: Радио и связь, 1985.-184с.

11. Иванов-Цыганов А.И. Электропреобразовательные устройства радиоэлектронных систем.- М.: Высш.шк., 1991.- 272с.

12. Конев Ю.И. Компенсаторы мощности искажений.- Сб. Электропитание / Под ред.Ю.И.Конева, вып. 1.- М.: Асс."Электропитание", 1993. С.60-70.

13. Конев Ю.И. Полупроводниковые триоды в автоматике.- М.: Сов.Радио.- I960,- 446с.

14. Источники вторичного электропитания / Под ред.Ю.И.Конева.- М.: Радио и связь, 1983.- 280с.

15. Источники вторичного электрпопитания / Под ред.Ю.И.Конева.- М.: Радио и связь, 1990.- 280с.

16. Основы пректирования микроэлектронной аппаратуры / Под ред. Б.Ф. Высоцкого.- М.: Сов.Радио, 1977.- 352с.

17. Микроэлектронные электросистемы / Под ред.Ю.И.Конева.-М.: Радио и связь, 1987.- 240с.

18. Коссов O.A. Усилители мощности на транзисторах в режиме переключений.- М.: Энергия, 1971.- 432с.

19. Моин B.C., Лаптев H.H. Стабилизированные транзисторные преобразователи.- М.: Энергия, 1972.- 512с.

20. Александров Ф.И., Сиваков А.Р. Импульсные полупроводниковые преобразователи и стабилизаторы постоянного напряжения.- Д.: Энергия, 1970.-188с.

21. Источники электропитания на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет / Под ред.С.Д.Додика и Е.И.Гальперина.- М.: Сов. Радио, 1969,- 448с.

22. Ромаш Э.М. Транзисторные преобразователи с устройствах питания радиоэлектронной аппаратуры. М.: Энергия, 1975.- 176с.

23. Ромаш Э.М., Драбович Ю.И., Юрченко H.H., Шевченко П.Н. Высокочастотные транзисторные преобразователи,- М,: Радио и связь, 1988.- 288с.

24. Стабилизаторы переменного напряжения с высокочастотным широт-но-импульсным регулированием / А.В.Кобзев, Ю.М.Лебедев, Г.Я. Михальченко и др.- М.: Энергоатомиздат, 1986.- 152с.

25. Сергеев Б.С., Чечулина А.Н. Источники электропитания электронной аппаратуры железнодорожного транспорта.- М.: Транспорт, 1998,- 280с.

26. Браславский JI.M., Кобылянский В.Г., Сажин A.M. Способы бестрансформаторного преобразования напряжения и построения бестрансформаторных источников питания / Приборы и техника эксперимента.- 1977, № 4.-С.196-200.

27. Сергеев Б.С. Схемотехника функциональных узлов источников вторичного электропитания.- М.: Радио и связь, 1992.- 224с.

28. Сергеев Б.С. Анализ ИВЭП с конденсаторным снижением напряжения.- Сб. Техника средств связи / Сер. Средства вторичного электропитания (СВЭП).- 1992, вып.2.- С.9-17.

29. Сергеев Б.С. Исследование возможности применения конденсаторных ИВЭП // Электросвязь, 1994, № 6.- С.25-27.

30. Сергеев Б.С. Предельные возможности применения конденсаторных ИВЭП // Электросвязь, 1996, № 2,- С.38-40.

31. Курченкова Н.Б., Сергеев Б.С. Конденсаторные источники вторичного электропитания // Железнодорожный транспорт сегодня и завтра / Тез. докл. НТК,- Екатеринбург: УрГАПС, 1998, Ч.1.- С. 176-177.

32. Курченкова Н.Б., Сергеев Б.С. Конденсаторные источники вторичного электропитания // Электричество, 1999, № 2.- С.46-51.

33. Kurchenkova N.B., Sergeyev В.S. Capacitor-type secondary power supplies // Electrical Technology Russia, 1999, №1.- p.p.92-101.

34. Сергеев Б.С. Многоканальные источники вторичного электропитания на основе транзисторных однотактных преобразователей постоянного напряжения / Автореферат дисс. д.т.н.- М.: МЭИ, 1993.- 40с.

35. Дорофеев М. Бестрансформаторный с гасящим конденсатором // Радио, 1995, № 1.- С.41-42.

36. Дорофеев М. Бестрансформаторный с гасящим конденсатором // Радио, 1995, №2.- С.36-37.

37. Бирюков С. Расчет сетевого источника питания с гасящим конденсатором // Радио, 1997, № 5.- С.48-50.

38. Ховайко О. Источники питания с конденсаторным делителем напряжения // Радио, 1997, №11.- С.56-57.

39. Бирюков С. Подключение малогабаритных выносных 120-вольтных блоков питания к сети 220 В // Радио, 1998, № 7,- С.49,54.

40. Трифонов А. Конденсаторно-стабилитронный выпрямитель// Радио, 1998, № 9.- С.49.

41. Колосов В.А., Лукин A.B., Сергеев Б.С. Схемотехника высокочастотных преобразователей напряжения.- М.: АО ВТ и ПЭ, 1993.- 150с.

42. Расчет эксплуатационных характеристик и применение электрических конденсаторов / Б.П.Беленький, П.Н.Бондаренко, М.Э. Борисова и др.- М.: Радио и связь, 1988.- 240с.

43. Сергеев Б.С., Курченкова Н.Б. Работа стабилизирующих ИВЭП от первичного источника с большим сопротивлением // Электросвязь, 1998, № 8,-С.33-35.

44. Атабеков Г.И. Теория линейных электрических цепей,- М.: Сов. Радио, i960,-318с.

45. Пат. РФ №2138113. Источник вторичного электропитания / Н.Б. Курченкова, Б.С.Сергеев. Публ. БИ 1999, №26. МПК Н02М 7/21, 7/217.

46. Пат. РФ №2123755. Источник вторичного электропитания / Б.С. Сергеев, Н.Б.Курченкова. Публ. БИ 1998, №35. МПК Н02М 7/155, 7/217.

47. Букреев С.С. Силовые электронные устройства.- М.: Радио и связь, 1982,- 256с.

48. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования,- М.: Наука, 1975,- 768с.

49. Курченкова Н.Б. Особенности работы стабилизирующих ИВЭП в устройствах железнодорожной автоматики // Молодые ученые транспорту / Тез.докл. НТК,-Екатеринбург: УрГАПС, 1999,- 129-131.

50. Курченкова Н.Б., Сергеев Б.С. Об одной задаче электротехники // Совершенствование информационных систем на железнодорожном транспорте / Сб.научн.трудов.- Екатеринбург: УрГАПС, 1999, №10 (92).- С. 102-105.

51. Курченкова Н.Б. Проверка и ремонт аппаратуры САУТ // Совершенствование процессов разработки, внедрения, обслуживания и ремонта путевых устройств САУТ / Тез.докл. сетевой школы. Екатеринбург: Управление Свердл.ж.д., 1996,- С.27-29.

52. Колосов В.А. Электропитание стационарной радиоэлектронной аппаратуры.- М: Радио и связь, 1992.- 160с.

53. Колосов В.А. Организация питания супер ЭВМ // Вопросы радиоэлектроники. Сер. ЭВТ,- 1990, вып. 10.- С.56-68.

54. Weiss R. Focus on supply Ics. // Electronic Design.- 1985, vol.33, №18.-P.137-140.

55. Matsui N., Takeshita Т., Vura M. One Chip Micro - computer - Based controller for the Hurray Inwertor // IEEEE Trans, on industrial electronics. - 1984, vol. JE-31, №3.- P.249-354.

56. Middlebrook R.D., Chuk S.A. A General Unified Approach to Modelling Switching Converter Power Stages // IEEE Power Electronics Specialists Conference Record.- 1976, june.- P. 18-34.

57. Ninomiya Т., Harada K., Nakahara M. On the Maximum Regulation Range in Boost and Buck Converters // IEEE Power Electronics Specialists Conference Record.- 1981, june.-P. 146-153.

58. Chetty P.R.K. Closed Loops On Track for Testing Switchers // Electronic Design.- 1983,july 7.- P.135-140.

59. Finke R.C., Sundberg G.R., Advanced electrical power system technology for the all electric aircraft // Proc. IEEE NAECON.- 1983,- P.53-55.

60. Chen D., Chandrasekaran S. FET-gated high voltage bipolar transistor // Conf. Rec. IEEE, IAS-17th, 1982,- P.713-720.