Костиков В.Г., Парфенов Е.М., Шахнов В.А. Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование (2-е изд., 2001)

ББК 32.844.1 К 72 Костиков В.Г., Парфенов Е.М., Шахнов В.А. К 72 Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование: Учебник для вузов. — 2-е изд. — Мх Горячая линия— Телеком, 2001. — 344 с.: ил. 19 В М 5-93517-052-3. Рассмотрены схемотехнические и конструкторские решения при разработке низковольтных и высоковольтных источников электропитания электронных средств.

Отмечены особенности, определяемые характеристиками систем автономного электроснабжения, характером нагрузки, условиями эксплуатации и схемотехническтм исполнением. Приведены методики построения параметрических рядов модулей электропитания и способы обеспечения заданных температурных режимов. Расчеты и теоретические положения подкреплены примерами схемного и конструктивного исполнения источников электропитания и их узлов. Дпя студентов вузов по специальностям "Конструирование и технология электронно-вычислительных средств" и "Проектирование и технология радиоэлектронных средств" ББК 32.844.1 Учебное издание Костиков В.Г. Парфенов Е.М.

Шахнов Е.М. Обложка художника В.Г. Сетякина. ЛР Ме 071825 от 16.03.99 Подписано в печать 07.03.01 Формат 60х88/16 Бумага газетная Гарнитура Апа~ Печать офсетная Усп: изд. и. 21,5 Изд. Ме 52 Тираж 3000 экз. Зак. Ме Ос Костиков В.Г., Парфенов Е,М., Шахнов Е.М. 2001 © Оформление издательства «Горячая линия-Телеком», 2001 !БВМ 5-93517-052-3 Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование Предисловие Широкое внедрение электронных средств во все сферы человеческой деятельности (быт, автоматизированное проектирование и производство, оборонная техника, космос и т.п.) определяет болыцой объем технических, эксплуатационных и экономических требований как к самим электронным средствам, так и к составляющим их составным узлам и устройствам, Одним из таких устройств, входящих в состав практически всех электронных средств, является источник электропитания.

Только правильно спроектированный и сконструированный источник электропитания способен обеспечить нормальную работу электронного средства за все время его жизненного цикла. Государственными стандартами дано определение источника электропитания (ИЭП) как устройства, преобразующего поступающие на электронное средство напряжение и ток до оговоренных в технической документации номиналов, показателей стабильности и надежности Именно этот вид ИЭП, который иногда называют вторичным источником электропитания, наиболее распространен. Применяются также автономные ИЭП, использующие химико-электрические гальванические элементы, электрохимические аккумуляторы, биохимические и биологические элементы, атомно-электрические устройства и др., проектирование которых весьма специфично.

В предлагаемом вниманию читателя учебнике авторами сделана попытка изложить особенности схемотехнического и конструкторского проектирования источников электропитания для различных электронных средств с использованием современной элементной базы. В основу учебника положены результаты исследований и разработок, выполненных в том числе авторами на предприятиях радиопромышленности, а также курс «Источники электропитания РЭС и ЭВМ», читаемый авторами студентам МГТУ им. Н.Э.

Баумана, проходящим подготовку по специальностям «Конструирование и технология ЭВМ» и «Проектирование и технология РЭС». Ограниченный объем учебника не позволил рассмотреть все вопросы, связанные с созданием источников электропитания, в частности не рвссмотрен столь важный раздел, как организация производства ИЭП и обеспечение их качества в процессе производства. По мнению авторов, эти проблемы достаточно подробно рассмотрены в учебно-методической и технической литературе применительно к электронной аппаратуре. По этой же причине также не рассмотрены в полном объеме вопросы обеспечения надежности. Авторы считают своим долгом выразить Благодарность заслуженному деятелю науки и техники Российской Федерации, доктору техн. наук Л.А. Коледову и одному иэ известных специалистов в области разработки радиоэлектронных средств В.К.Бирюкову за труд по рецензированию рукописи и сделанные при этом ценные замечания.

Авторы Будут признательны всем читателям эа все замечания по содержанию учебника, которые просим направлять по адресу; 101000, Москва, Почтамт, а/я 593. Издательство «Радио и связь». Авгпоры Введение Электронным средством (ЭС) принято называть изделие и его составные части, а основу функционирования которых положены принципы электроники. Если в основу функционирования ЭС положены также принципы радиотехники, то такое электронное средство называется радиоэлектронным средством (РЭС), а если принципы и методы вычислительной техники — электронно-вычислительным средством (ЭВС). В зависимости от функциональной сложности ЭС различают следующие уровни их разукрупнения: электронная система, электронный комплекс, электронный блок, электронный функциональный узел. Для различных видов и уровней ЭС требуется создание различных по схемотехническим и конструкторским решениям источников электропитания (ИЭП).

За прошедшие более чем 100 лет от момента появления первого электронного средства (радио А.С. Попова) до наших дней сменилось несколько поколений электронных средств, имеющих принципиальные отличия друг от друга по функциональным возможностям, виду применяемой элементной базы, конструктивно-технологическим решениям и т.п.

Это в равной мере относится как к радиоэлектронной аппаратуре бытового назначения, так и системам управления сложными техническими объектами, такими как воздушные лайнеры, космические аппараты и др. Однако в каждом из видов электронных средств, будь то вычислительная машина или система управления роботом, СО-проигрыватель или радиолокационная станция, узел управления холодильником или электрокардиографом, имеется система, устройство или элемент, выполняющие одну и ту же функцию: обеспечение электропитанием всех входящих в данное средство элементов (электронных ламп,.транзисторов, микросхем и др.).

Наличие в том или ином электронном средстве, каким бы сложным оно ни было, источника электропитания настолько очевидно, что на общей функциональной электрической схеме этого средства он даже не указывается. При этом оговаривается лишь перечень номиналов напряжений, мощность по выходу каждого канала и стабильность (если это необходимо). А между тем любое электронное средство, даже если оно состоит только из одного транзистора, требует очень внимательного отношения к источнику электропитания.

При создании электронного средства определенного класса и назначения (электронно-вычислительная, медицинская и бытовая электронная техника, средства автоматизации) источник или система электропитания могут быть подобраны из серийно выпускаемых промышленностью унифицированных ИЭП. В некоторых странах существуют фирмы, специализирующиеся на промышленном выпуске источников электропитания, и потребитель имеет воэможность выбрать тот, который ему наиболее подходит. Однако, если по эксплуатационным, конструктив- ным или другим соображениям сериино выпускаемые источники элек- тропитания не удовлетворяют потребителя, необходимо разработать но- вый с учетом всех правил и ограничений, специфичных для этого ви- да электронных средств.

Если рассматривать электронное средство как устроиство, потре- бляющее электрическую энергию, то в общем виде оно может состо- ять из двух частей: системы или источника электропитания и нагруз- ки, Если электронное средство размещается на подвижном объекте, то в его состав входит также система автономного электроснабжения, ко- торая преобразует различные виды энергии (механическую, тепловую, световую, химических реакций и др.) в электрическую. Система элек- тропитания'обеспечивает по заданной программе электропитанием все цепи электронного средства, а источники электропитания — отдельные цепи или самостоятельные приборы, Системы и источники электропитания содержат функциональные узлы, которые в зависимости от назначения выполняют функции вы- прямления, фильтрации, усиления, стабилизации, защиты, коммутации, сигнализации и др.

В зависимости от качества выходного напряжения различают источники электропитания стабилизирующие и нестабилизи- ' рующие. Стабилизирующие ИЭП обеспечивают постоянство выходного напряжения на заданном уровне при воздействии, например, изменений входного напряжения, выходного тока, температуры окружающей среды и др. Они имеют в своем составе функциональный узел, осуществляю- щий стабилизацию выходного напряжения. В нестабилизирующих ИЭП функциональный узел стабилизации напряжения отсутствует. Важной задачей при разработке электронных средств является сни- жение массы и габаритных размеров источников электропитания. Это достигается выбором принципа их действия, схемы, режима работы, эле- ментной базы, конструкции. Конструктивное исполнение ИЭП опреде- ляет технологию его изготовления.

Таким образом, при создании ИЭП перед разработчиком ставится ряд взаимосвязанных задач, решение ко- торых зависит от знания им особенностей работы ИЭП, путей выбора рациональных схемного и конструктивных исполнений с заданными па- раметрами для заданных условий эксплуатации. Развитие микроэлектроники оказало существенное влияние и на ИЭП: ужесточились требования к стабильности'номиналов напряжений и токов, значительно уменьшились масса и габаритные размеры, уси- лились требования по надежности, безопасности, экономичности.

Ком- плексное рассмотрение вопросов схемотехнического и конструкторского проектирования как основных в общем процессе создания источников электропитания электронных средств приводится в дальнейшем изло- жении курса. Для удобства восприятия последующего материала приведем пере- чень наиболее часто встречающихся сокращений: АБ — аккумуляторная батарея АМ вЂ” амплитудная модуляция БНК вЂ” базовые несущие конструкции ВАХ вЂ” вольт-амперная характеристика ГОМ вЂ” генератор отбора мощности ГТИ вЂ” генератор тактовых импульсов ЗИП вЂ” запасный инструмент и приборы (в нашем случае — запасные детвли и комплектующие изделия) ИМС вЂ” интегральная микросхема (микросхема) ИШИМ вЂ” интегральная широтно-импульсная модуляция ИЭП вЂ” источник электропитания КПД вЂ” коэффициент полезного действия КПП вЂ” коммутационная печатная плата МДП вЂ” полупроводниковая структура металл-диэлектрик-полупроводник МОП вЂ” полупроводниковая структура металл-окисел-полупроводник МП вЂ” микропроцессор МПК вЂ” микропроцессорный контроллер ОУ вЂ” операционный усилитель ПЭВМ вЂ” персональная ЭВМ РЭС вЂ” радиоэлектронное средство САЭС вЂ” система автономного электроснабжения СВЧ вЂ” сверхвысокая частота ТВМ вЂ” трансформаторно-выпрямительный модуль ТКН вЂ” температурный коэффициент напряжения УПТ вЂ” усилитель постоянного тока ФИМ вЂ” фаэоимпульсная модуляция ФРП вЂ” фильтр радиопомех ЧИМ вЂ” частотно-импульсная модуляция ШИ М вЂ” широтно-импульсная модуляция ЭВС вЂ” электронно-вычислительное средство ЭЛТ вЂ” электронно-лучевая трубка Глава 1 Системы электроснабжения электронных средств 1.1.

Классификация источников электропитания Источники электропитания электронных средств в зависимости от назначения обеспечивают изменение уровня входного напряжения, выпрямление, инвертирование, стабилизацию, фильтрацию, защиту или комбинацию этих функций. В связи с различием назначения, условий эксплуатации и широким диапазоном параметров электронных средств источники электропитания должны обеспечивать широкий диапазон варьирования своих параметров. Поэтому целесообразно провести классификацию источников 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 Рьых ( 1 Вт; малой мощности Рьы„= 1...10 Вт; средней мощности Рьы„= 10...100 Вт; повышенной мощности Р,,„= 100...1000 Вт; большой мощности Р, „> > 1000 Вт. Отдельную группу составляют источники с выходной мощностью свыше 1 кВт до 1000 кВт для электропитания приемных и передающих устройств, установок ионной оптики, технологических установок. 3.