Джерело електроживлення як невід'ємний компонент радіоелектронної апаратури

- зменшено енергетичні втрати внаслідок роботи силових елементів у ключовому режимі, що забезпечує високий ККД ;

- є можливість забезпечення стабілізації вихідного параметра;

- досягнуто високі значення питомих масогабаритних показників.

Негативними властивостями джерел за сучасною схемою є:

- складна схема, більша кількість елементів;

- більша ціна;

- та головне - вони є джерелами електромагнітних завад.

Стисло охарактеризуємо третю конструктивно-технологічну задачу проблеми мініатюризації ДВЕЖ.

4. Вимоги до елементної бази (компонентів) сучасних джерел вторинного електроживлення

Як зазначено в підрозділі 1.4.2 стосовно проблеми мініатюризації джерела електроживлення, однією з задач - є задача конструкторсько-технологічна, тобто пов'язана з необхідністю розробляння нової елементної бази для засобів електроживлення відповідно до вимог сучасної структурної схеми.

Діоди та вентилі.

В сучасних ДВЕЖ діоди та вентилі є для випрямлячів двох груп:

- випрямлячі напруги електричної мережі, або після трансформатора традиційного ДВЕЖ;

- випрямлячі, які встановлені після інвертора (напруга високої частоти майже прямокутної форми).

До діодів випрямлячів першої групи вимоги також «традиційні»: значення максимально допустимої сили середнього прямого струму, пікового прямого струму, зворотньої напруги, робочої частоти, часу відновлення, потужності розсіювання тощо. Для підвищення ефективності випрямлячів ці елементи виконують як мікросхеми або у збірці. Для випрямлення великої напруги застосовують, так звані, випрямні стовпи.

До діодів другої групи є специфічні, окрім зазначених вище, вимоги:

- малий час відновлення в імпульсному режимі;

- низьке значення падіння прямої напруги за високого значення прямого струму.

Окрім діодів для випрямлячів в стабілізаторах застосовують: стабілітрони (діоди Зенера - Zener diode), стабістори. Для захисту від пошкоджень у результаті перенавантажень внаслідок комутацій швидких перехідних процесів природних явищ, тощо спеціально розроблено твердотільні TVS-діоди (Transient Voltage Suppressors), які фіксують заданий рівень напруги на пристрої.

Окремо відзначимо діоди Шотки (Schottky Barrier Diodes), які застосовують у сучасних ДВЕЖ. До надшвидких типів можна віднести FRED-діоди (Fast Recovery Epitaxial Diode). Ці діоди можна паралельно з'єднувати з транзисторами, що швидко перемикаються. FRED-діоди застосовують як випрямні діоди, якщо частота перемикання вища декількох кілогерц та напруга більше 200 В, бо діоди Шоткі для цих значень напруги обрати важко. FRED-діоди широко застосовують в імпульсних джерелах електроживлення, що працюють із ШІМ контролерами.

Прикладом застосування Power Flex технології є схеми з тиристорами SGCT (Symmetrical Gate Commutated Thyristor). SGCT мають низькі втрати в процесі перемикання та проходженні струмів високої робочої частоти.

Транзистори.

В джерелах електроживлення режим роботи силових транзисторів ключовий, який характеризують тривалістю перемикання та параметри квазіусталених режимів (насичення та відсікання). Транзистори мають забезпечувати такі параметри:

- мінімальні втрати у ввімкненому стані;

- мінімальні динамічні втрати, які визначають тривалість зростання струму у режимі ввімкнення та тривалість спаду струму в режимі вимкнення;

- малий час розсмоктування для забезпечення достатньої швидкодії;

- максимальне значення коефіцієнта підсилення, що дозволяє мінімізувати кількість каскадів;

- максимальне значення коефіцієнта передачі струму транзистора у ключовому режимі.

Біполярні транзистори мають недостатнє значення вхідного опіру, внаслідок чого є необхідним струм керування. Цього недоліку не має у польових (уніполярних) транзисторах, але вони мають більше ніж у біполярних падіння напруги в стані насичення.

У сучасних імпульсних вузлах застосовують транзистори з інтегральними антинасичувальними елементами. Прикладом є прилади IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors), розроблені за технологією NPT (Non Punch-Through) та розраховані на робочі напруги 600 та 1200 В. Це повністю керовані напівпровідникові прилади, що дозволяють істотно поліпшити динамічні характеристики і зменшити втрати перемикання та в стані насичення.

Конденсатори.

Конденсатори також можна поділити на дві групи, які застосовують у вузлах:

- низької частоти (електричної мережі);

- значно вищих частот (інверторів, ключових стабілізаторів, тощо).

Надійну роботу конденсаторів забезпечують вибором допустимих для них електричного та теплового режимів. Основними факторами є загальний перегрів конденсатора внаслідок тепловиділення в діелектричних та металічних частинах; локальний перегрів внаслідок нагріву. Сучасні конденсатори повинні мати вищі значення питомої ємності на одиницю об'єму та забезпечувати такі параметри.

Конденсатори встановлені за випрямлячем напруги мережи живлення:

- ємність десятки, сотні мікрофарад;

- високу роботу напруг (сотні вольт);

Конденсатори встановлені за інвертором:

- виконувати функції елементів фільтрів на частотах пульсацій до декількох сотен кілогерц, мегагерц та в імпульсному режимі;

- повинні мати значення резонансної частоти як можна більшою (керамічні, плівкові тощо) та тангенс кута діелектричних втрат на частоті 1 МГц не більше .

Всі конденсатори повинні мати за відповідних робочої напруги та ємності мінімальні розміри. Конденсатори другої групи також повинні виконувати свої функції за умов високої робочої частоти, тобто мати малі втрати. З метою розширення смуги робочих частот паралельно з оксидним (електролітичним) конденсатором під'єднують високочастотні (плівкові, керамічні тощо) конденсатори.

Трансформатори.

У джерелах електроживлення для забезпечення змінення рівня напруги і гальванічної розв'язки застосовують трансформатори напруги. У функціональних вузлах захисту застосовують трансформатори струму, що є датчиками сили струму у захищених колах. Основна особливість трансформаторів інверторів - висока робоча частота f, за якою для певної потужності P трансформатора типорозмір, що визначає добуток перерізу магнітопроводу та площини вікна S_мп S_вік ? P/f, суттєво зменшено. Проте із зростанням частоти зростають втрати в магнітопроводі, тому треба застосовувати не трансформаторну сталь, а спеціальні сплави (пермалой), або останнім часом - ферит. Недоліком феритів є менше значення робочої магнітної індукції (0,2…0,4 Тл) порівняно із трансформаторною сталлю (1,3…1,6 Тл). Ще одна особливість трансформаторів для зворотних перетворювачів (fly-back) - окрім звичайної функції (змінення значення напруги) - накопичення енергії на такті замкнутого стану транзистора, тобто також реалізація функції дроселя із відповідним значенням індуктивності L.

Індуктивні елементи - дроселі

Дроселі в сучасних ДВЕЖ застосовують для забезпечення необхідного значення коефіцієнта згладжування (в згладжувальних фільтрах), а також як компоненти мережевих протизавадових та захисних фільтрів.

Високе значення магнітної проникності (десятки тисяч) в широкій смузі частот (десятки, сотні мегагерц) мають дроселі із магнітопроводом із спеціальних сплавів, так звані - Finemet, виготовлених на основі нанотехнологій. Для забезпечення високої ефективності дроселів для притлумлення високочастотних завад, які поширюються несиметричним шляхом, на осерді виконують дві обмотки для кожного мережевого проводу та під'єднують у фазі (common-mode).

На частоті змінного струму до 5 кГц дроселі згладжувальних фільтрів звичайно виконують з магнітопроводом з трансформаторної сталі (наприклад, типу 3423 завтовшки 0,08 мм). На частоті змінного струму більше 20 кГц дроселі виконують на Ш-подібних (броньових), стрижньових і кільцевих магнітопроводах з фериту, пермалою, альсиферу.

Варистори

Варистори є нелінійними резистивними елементами, опір яких змінюється залежно від прикладеної напруги. Вони мають симетричну вольтамперну характеристику (ВАХ), схожу на характеристику симетричного стабілітрона. Час реакції металооксидних варисторів складає не більше 25 нс (для виконання SMD (поверхневого монтажу) технології близько одиниці наносекунд). Варистори повинні мати такі параметри:

- швидку реакцію на перенапругу, що запобігає сплескам напруги;

- широкий діапазон градацій напруг;

- великі допустимі струми перевантаження сотні, тисячі ампер;

- енергію розсіювання - одиниці, десятки джоулів.

Мікросхеми

Для засобів вторинного електроживлення, виконаних за сучасною структурною схемою, виникла нагальна потреба впровадити спеціалізовані мікросхеми керування (dirivers) інверторами, ключовими (імпульсними) стабілізаторами захисту, допоміжного обслуговування тощо. Деякі виконують функції керування та силового кола (наприклад серія TOPSwitch). Їх вважають великими інтегральними схемами (BIC). З метою керування електромеханічними та іншими силовими вузлами застосовують, так звані, «інтелектуальні BIC». Вдосконалюють також інтегральні схеми лінійних стабілізаторів із фіксованим або змінюваним значенням вихідної напруги К142ЕН1(2),… К142ЕН20, мА7805(+5 В) і мA7912 (-12 В) тощо.

Для імпульсних джерел електроживлення існують спеціальні мікросхеми: потужні імпульсні стабілізатори, AC-DC та DC-AC конвертори, однотактні та двотактні ШІМ - контролери, коректори коефіцієнта потужності, PFC - Power Factor Corrector перетворювачі тощо. Застосування технології поверхневого монтажу та сучасних матеріалів площадок (товстих плівок, керамічних гібридних матеріалів, ізольованих металічних площадок IMS), новітніх феритових матеріалів, що працюють на високих частотах, застосування IMS МОП-транзисторів - MOSFET (Metal-Oxіde-Semіconductor Fіeld Effect Transіstor) технології дозволяють збільшити показники стабілізації, питому потужність та надійність роботи. Так для формування економічних та компактних схем керування малопотужними двигунами постійного струму застосовують мікросхеми типу IR3220 (International Rectifier) на основі драйверів (інтелектуальних ключів) керування ШІМ. Вони забезпечують високу надійність роботи внаслідок застосування елементів захисту. Інтегральні стабілізатори на основі двухступінчатої схеми електроживлення та застосуванням регулювального елемента LDO (Low Drop Out), мають мале (менше 1 В) падіння напруги на регулювальному транзисторі. Нові комбіновані технології BiMOS (Bipolar Metal-Oxide-Semiconductor) дають можливість понизити вхідні та вихідні напруги стабілізаторів до 0,5...1,5 В за низького опору каналу, що необхідно для лінійних джерел електроживлення. Інтеграція елементів дискретного керування параметрами (технологія Power Flex), незалежної пам'яті і двонапрямлених послідовних інтерфейсів у стабілізаторах напруги значно розширює їх функціональні можливості та дозволяє реалізувати переналаштовувальні, інтелектуальні системи живлення для мобільних і стаціонарних пристроїв.

Протизавадові фільтри

Протизавадові фільтри застосовують для фільтрації паразитних сигналів та притлумлення електромагнітних завад (більш докладно див. розділ 8). Ці фільтри в колах електроживлення забезпечують значення згасання 45...50 дБ на частотах десятки, сотні кілогерц, десятки мегагерц і 60...70 дБ на частотах 10 ГГц; за вимоги захисту від несанкціонованого доступу смуга частот може сягати від 10 кГц до 40 ГГц, згасання - 100 дБ.

5. Стисла історична довідка

Засоби електроживлення - традиційна область електротехніки, яка має свою історію.

1791р. - Л. Гальвані опоблікував «Трактат щодо сил електрики стосовно руху м'язів».

1800р. - А. Вольта винайшов перше хімічне джерело електроживлення - «вольтів стовп», яке було складено з 20 пар мідних (срібних) і цинкових дисків, що були розділені сукняними (картонними) дисками, змоченими сольоною водою (в 1798р. А. Вольта запропонував назву «гальванічний елемент» в пам'ять Луіджи Гальвані).

1836р. - Дж. Ф. Даніель створив мідно-цинковий елемент - «елемент Даніеля».

1839р. - Г. Р. Планте винайшов свинцевий акумулятор.

1859р. - розроблено кислотний аккумулятор для широкого застосування.

1867р. - Ж. Лекланше вдосконалив гальванічний елемент і створив «сухі елементи Лекланше», які придатні для практичного застосування.

1873р. - виготовлення електричних машин з ротором, що обертається. Сформульвано поняття змінного струму, яке П.Н. Яблочков вперше застосував для освітлення приміщень.

1876р. - П.М. Яблочков винайшов трансформатор.

1881р. - Е. Г. Варбург відкрив явище гістерезиса в магнітних полях.

1888р. - М.О. Доліво-Добровольський розробив з'єднання навантаження в трьохфазній системі за схемою «зірка» та «трикутник».

1901р. - В. Ф. Міткевич запропонував схему трифазного випрямляча із середнім виводом від вторинних обмоток трансформатора (схема Міткевича).

1904р. - Дж. А. Флемінг розробив двохелектродну вакуумну лампу (діод) з односторонньою провідністю.

1908р. - Юітт створив низьковольтний ртутний випрямляч.

1914р. - Н. Д. Папалексі застосував для регулювання напруги найпростіший магнітний підсилювач - дросель насичення.

1921р. - В. П. Вологдин розробив каскадну схему випрямлення, відому як схема Вологдина, (патент 1924 р.).

1923р. - А. Н. Ларіонов запропонував мостову трифазну схему випрямлення (схема Ларіонова).

1926р. - Л. Грондаль створив перший випрямляч з запірним шаром на межі розподілу міді з оксидом міді (CuO) - випрямляч змінного струму.

1927р. - Л. Грондаль розробляє перші напівпровідникові діоди для практичного застосування.

У 40-х роках розроблено нові перспективні типи діодів (германієві та кремнієві), які отримали широке застосування в сьогоденні.

1956р. - створено силові діоди для роботи зі струмом 100А та напругою U_доп = 400В.

1958р. - розпочато виробництво керованих кремнієвих вентилів - тиристорів.

В 60-х роках почали застосовувати імпульсні (ключові) стабілізатори та джерела живлення для роботи на високих частотах (20 кГц і більше), які мають вищі питомі масогабаритні показники і ККД.

1961р. - початок розвитку силових напівпровідникових приладів - створено перший керований тиристор GTO (Gate Turn-Off ) малої потужності.

1965р. - створено силові діоди для роботи зі струмом 1000 А та напругою U_доп = 4000 В.

1970 р. - створено біполярний транзистор BJT (Bipolar Junction Transistor) з параметрами 550_В і 20 А.

1971р. - розпочато виробництво універсальних тиристорних випрямлячів.

1975 р. - створено транзистор BJT на 300 V і 400 А.

1978 р. - створено транзистор MOSFET (metal-oxide-silicon field-effect transistor - польовий транзистор із структурою метал - оксид - напівпровідник) на напругу 100V і струм 25 A.

1982 р. - фірмами Hіtachі, Mіtsubіshі і Toshіba розроблено тиристор GTO 2500V i 1000A

1983р. - вдосконалено транзистор IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).

Теперішнім часом транзистори IGBT, тиристори GTO та їх різновиди з вбудованими колами керування GCT/ІGCT(Gate Control Thyrіstor/Іntergated Gate Control Thyrіstor) та інші постійно вдосконалюють.

2002 р. - розроблено тиристори ETO (Emiter Turn-Off ).

Відомі світові фірми почали масовий випуск компонентів, які за властивостями наближені до ідеальних. З'явились спеціальні імпульсні діоди з малим часом зворотнього відновлення, керовані напівпровідникові ключі, силові напівпровідникові модулі. Застосовують як елементи захисту варістори й перспективні діоди TRANSIL (виробник - фірма SGS-Thomson microelectronics). Фірма «Элеконд» пропонує перспективний тип конденсаторів для ДВЕЖ К50-77.

Прогрес технічних засобів є безперервним: знижено вартість, зменшено розміри та масу, підвищено надійність, покращено енергетичні та якісні показники.

Велику увагу приділяють подальшій мініатюризації джерел живлення. Енергія, яку отримують від мережі промислової частоти, трансформуюють напівпровідникові перетворювачі на підвищені частоти - сотні кілогерц, одиниці мегагерц й вище. За умов застосування такого методу конструювання ДВЕЖ, трансформація та наступна фільтрація напруги відбувається на підвищеній частоті, що суттєво зменшує масу і габаритні розміри трансформаторів і фільтрів. Ключовий режим роботи значно зменшує втрати, а тому і габаритні розміри; підвищує ККД. Очікують появу перших комерційних приладів великої потужності і середньої напруги на основі карбіду кремнія - SiC.

Економічні малогабаритні ключові стабілізатори (імпульсні) замінюють стабілізатори неперервної дії.

Але перетворювачі напруги та ключові стабілізатори створюють високочастотні завади, які вносять спотворення в роботу апаратури. Тому виникла гостра і невідкладна проблема забезпечення електромагнітної сумісності імпульсних ДВЕЖ з радіоелектронною апаратурою та електричною мережею. Тому розробляють спеціальні мережеві протизавадові фільтри та застосовують інші засоби.

Висновки

1. Електроживлення - це наука, початок якої - є фундаментом розвитку та застосування електричних та радіоелектронних засобів, але й тепер вона у стані інтенсивного розвитку.

2. Для нормального функціонування будь-якої радіоелектронної апаратури необхідні джерела електроенергії, до яких висувають відповідні вимоги: задані значення напруги та потужності, нестабільності, забезпечення ЕМС з навантажувальним колом та електричною мережею, низького вихідного імпедансу, низької ціни, тощо.

3. Всі джерела електроживлення поділяють на первинні та вторинні:

– первинні джерела електроживлення - перетворюють різні види енергії в електричну (атомні, теплові, гідроелектростанції, хімічні джерела струму тощо);

– вторинні джерела електроживлення - перетворюють параметри електроенергії, частоту, кількість фаз, значення напруги, тощо отриманої від первинних джерел.

4. Найбільш узагальненою моделлю ДВЕЖ є генератор ЕРС із внутрішнім вихідним опором (імпедансом).

5. ДВЕЖ призначені для забезпечення електроенергією конкретного навантажувального кола із заданими параметрами та є перетворювачами параметрів електроенергії.

6. ДВЕЖ проектують та виготовляють відповідно до визначених технічних умов.

7. ДВЕЖ зазвичай складають на основі двох основних типів структурних схем: традиційної та сучасної.

8. Основні функціональні вузли традиційного ДВЕЖ: силовий трансформатор, випрямляч, згладжувальний фільтр, неперервний стабілізатор напруги.

9. Позитивні властивості ДВЕЖ, сформованого за традиційною схемою такі:

- високі якісні показники вихідної напруги U_вих, висока стабільність (низька нестабільність) та низький коефіцієнт пульсацій;

- висока надійність роботи;

- простота реалізації та низька вартість;

- із застосуванням лінійного стабілізатора практично не створює електромагнітних завад.

10. Негативними властивостями ДВЕЖ за традиційною схемою є:

- низькі питомі показники - ; та маси - ;

- порівняно низький ККД з = 30..50 % (із застосуванням лінійного стабілізатора).

11. Проблема мініатюризації засобів електроживлення потребує розв'язку структурної, енергетичної, конструкторсько-технологічної, системної та організаційної задач.

12. Структурна задача полягає у заміні традиційної структурної схеми новою, за якою можливе забезпечення вищих енергетичних та питомих масогабаритних показників.

13. Енергетична задача полягає у суттєвому зниженні втрат в колі ДВЕЖ, тобто у зростанні ККД.

14. Конструкторсько-технологічна задача полягає в розробленні й застосуванні нової елементної бази та нових принципів конструювання.

15. Основні функціональні вузли сучасного ДВЕЖ: протизавадовий фільтр, мережевий випрямляч та згладжувальний фільтр, інвертор, випрямляч та згладжувальний фільтр навантажувального кола.

16. Позитивні властивості ДВЕЖ, сформованого за сучасною структурною схемою такі:

- розв'язано проблему мініатюризації застосуванням функціональних вузлів, які працюють на частотах, значно більших за частоту електромережі;

- зменшено енергетичні втрати внаслідок роботи силових елементів у ключовому режимі;

- є можливість забезпечення стабілізації вихідного параметра;

- забезпечено високий ККД з = 85...95%;

- досягнуто високі значення питомих масогабаритних показників.

17. Негативними властивостями ДВЕЖ за сучасною структурною схемою є:

- складна схема, більша кількість елементів;

- більша ціна;

- та головне - вони є джерелами електромагнітних завад.

18. За умови ідеальної прямокутної форми напруни інвертора маємо згасання обвідної спектру 20дБ/дек (пріорітет ККД). За умови трапеціїдального сигналу маємо згасання обвідної спектру 40дБ/дек (пріоритет EМC).

19. Важливим фактором в розробленні нових джерел живлення є дотримання відповідних вимог, пов'язаних з розв'язанням конструкторсько-технологічної задачі, тобто удосконалення елементної бази.

20. Історія засобів електроживлення - фундамент в історії розвитку електротехніки, являє великий інтерес для всіх, хто працює за фахом: радіо, електричні пристрої, тощо.

Список використаної літератури

1. Белевцев А.Т. Монтаж радиоэлектронной аппаратуры и приборов. - М.: Высшая школа, 1982.

2. Шамгин Ю.В., Алифиренко В.М. Технология монтажа радиоэлектронной аппаратуры и приборов. - Минск: МРЭА и П, 1988.

3. Ярочкина Г.В. Радиоэлектронная аппаратура и приборы: Монтаж и регулировка. - М.: Издательский центр «Академия», 2004.

Размещено на Allbest.ru