Джерело електроживлення як невід'ємний компонент радіоелектронної апаратури

Джерело електроживлення як невід'ємний компонент радіоелектронної апаратури

Джерело електроживлення як невід'ємний компонент радіоелектронної апаратури

електроживлення канал звуковий сигнал

Вступ

Кожному фахівцю, який працює з електронною апаратурою, відомо, що вона здатна виконувати свої функції лише за умов відповідного енергозабезпечення. Перетворення параметрів електричної енергії засобів первинного енергозабезпечення - електричної мережі або автономних джерел - здійснюють засоби вторинного електроживлення (ЗВЕЖ). У зв'язку з цим під час підготовки до практичної діяльності фахівець електронного профілю повинен здобути теоретичні відомості щодо засобів електроживлення та практичні навички роботи з ними.

Ці знання та вміння необхідні:

–       під час експлуатації електронних пристроїв, до складу яких обов’язково входять засоби електроживлення, котрі зумовлюють надійність та інші важливі характеристики апаратури;

–             під час проектування електронної апаратури різного призначення - щоб інженерно-обґрунтовано розробити технічне завдання на засоби електроживлення, оскільки вони суттєво впливають на вартість, коефіцієнт корисної дії (ККД), показники:питомі масогабаритні надійності і, безумовно показники призначення апаратури вцілому;

–             в інженерній практиці можливі обставини (наприклад, тимчасова відсутність на ринку збуту пристроїв електроживлення з необхідними технічними характеристиками, або відсутність спеціалізованого підрозділу на підприємстві, відповідального за засоби електроживлення), за яких інженеру електронного профілю необхідно розробити, або брати участь у розробці джерела електроживлення.

Електрична енергія, що необхідна для функціонування радіоелектронних засобів (РЕЗ) різного призначення, надходить, головним чином, від промислової мережі напругою 380/220 В (в Європі впроваджують 400/230 В), частоти 50 Гц (в США та Японії 120 В, 60 Гц), бортових джерел - 115 В, 400 Гц або 27 В сталої напруги, а також від автономних джерел типу дизель-генератор, різних типів акумуляторів, гальванічних елементів, інших спеціальних засобів первинного електроживлення. Зазначимо, що за окремими винятками параметри електричної енергії засобів первинного електроживлення відрізняються від тих, які потребують споживачі енергії (наприклад, радіоелектронні пристрої). Крім цього, в процесі роботи значення параметрів електроенергії може змінюватись внаслідок впливу різних дестабілізувальних збурень.

Дестабілізувальні збурення зумовлені:

-     зміненням значення напруги засобів первинного енергозабезпечення;

-        зміненням сили струму навантажувального кола;

-        умовами експлуатації (кліматичними, механічними та ін). Вплив дестабілізувальних збурень характеризують показники нестабільності вихідного параметра (напруги або струму).

Тому необхідно застосовувати стабілізатор - функціональний вузол (ФВ), який забезпечує визначене значення нестабільності. Як приклад взаємодії джерела електроживлення та функціональної апаратури на рисунку 1.1 зображено комплект: джерело електроживлення та перетворювач звукового сигналу від мікрофона (1) до гучномовця (2), що виконує функцію підсилення потужності вхідного сигналу від одиниць міліват до десятків, сотень ватт. Це можливо лише за умови отримання енергії від джерела електроживлення потужністю Р_Ж. Тобто підсилювач фактично є модулятором енергії джерела електроживлення.

Рис.1.1. Комплект: джерело електроживлення та канал звукового сигналу (разом - це підсилювач)

Таким чином для нормального функціонування радіоелектронної апаратури (РЕА) в її складі необхідні додаткові засоби, які перетворюють параметри електричної енергії й зменшують до визначених меж значення нестабільності. Цю функцію виконують засоби вторинного електроживлення, які входять до складу РЕА як допоміжні, але водночас це такі пристрої, що визначають якісні характеристики всього комплексу апаратури в цілому.

Визначимо мету та задачі дисципліни:

Мета викладання дисципліни: надати студентам інформацію, необхідну для:

-    проектування та застосування джерел електроживлення різного призначення;

-       розробленням інженерно-обгрунтованого технічного завдання з метою виготовлення або придбання джерела вторинного електроживлення, яке забезпечує штатне функціонування апаратури.

Задачі студентів, що вивчають дисципліну:

-    опанувати вимоги до параметрів джерел електроживлення;

-       знати принципи роботи джерел електроживлення як єдиного цілого, так і окремих функціональних вузлів вміти скласти структурну схему джерела електроживлення;

-       вміти розраховувати функціональні вузли джерела електроживлення (трансформатор, випрямляч, згладжувальний фільтр, інвертор, стабілізатор та ін.);

-       вміти розраховувати вихідні параметри та вибрати відповідні компоненти (елементну базу);

-       вміти раціонально сконструювати джерело електроживлення;

-       вміти на підставі розрахунків або експериментів визначати характеристики та параметри джерела електроживлення;

-       знати вимоги до забезпечення електромагнітної сумісності джерела електро-живлення з електричною мережею та засобом, якому призначена електроенергії цього джерела та вміти, за необхідністю, застосовувати необхідні заходи;

-       вміти вибрати на ринку збуту джерело електроживлення, яке відповідає всім вимогам;

-       вміти налагодити або відремонтувати джерело електроживлення.

1.Основні терміни та визначення

Джерелами електроживлення, в широкому значенні, є всі засоби, що виробляють електричну енергію, транспортують її до місця споживання, перетворюють за родом струму, регулюють та стабілізують за значенням номінальної вихідної величини (напруга, сила струму, потужність). Джерела електроживлення поділяють на:

- первинні - перетворюють різні види енергії в електричну (дизель-генератори, гідро, атомні, теплові електростанції, хімічні джерела струму (ХДС), тощо);

- вторинні - перетворюють параметри електроенергії (значення напруги, частоти, кількість фаз тощо), отриманої від первинних джерел.

Не слід плутати первинні та вторинні ХДС: первинні ХДС - primary (гальванічні елементи) застосовують до вичерпання ресурсу (розряду), на відміну від вторинних ХДС - secondary (акумулятори), які дозволяють декілька циклів заряду-розряду.

Поширеним прикладом застосування первинних та вторинних джерел електроживлення є мобільний телефон із зарядним пристроєм, відповідно - рис. 1.2а та рис.1.2б.

Основні терміни та визначення щодо джерел електроживлення зазначено в Національному стандарті України ДСТУ 2372 - Джерела вторинного електроживлення. Терміни та визначення.

Наведемо деякі важливі для подальшого застосування.

Засіб вторинного електроживлення (ЗВЕЖ) - функціональна частина радіоелектронної апаратури (РЕА), що використовує енергію, яку одержує від систем електропостачання або первинного джерела електроживлення, та призначена для формування вторинного електроживлення РЕА.

Рис. 1.2. Мобільний телефон з джерелами електроживлення: а - акумулятор; б - електрична мережа, зарядний пристрій

Система вторинного електроживлення - засіб електроживлення, який забезпечує за заданою програмою вторинним електроживленням всі кола комплексу радіоелектронної апаратури.

Джерело вторинного електроживлення (ДВЕЖ) - засіб вторинного електроживлення РЕА, який забезпечує електроживленням самостійні прилади або окремі кола комплексу РЕА.

Функціональний вузол вторинного електроживлення - це пристрій, який входить до складу джерела або системи вторинного електроживлення РЕА та виконує одну або кілька функцій (випрямлення, фільтрація, стабілізація, підсилення, регулювання, захист тощо).

Стабілізоване джерело електроживлення - вторинне джерело електроживлення, яке одержує електричну енергію від первинного джерела та видає її стабілізовану на одну або кілька пар вихідних затискачів чи контактних рознімів.

Параметричний стабілізатор напруги (струму) (вторинного електроживлення) - стабілізатор напруги (струму), до складу якого входять функціональні вузли з нелінійною вольт-амперною характеристикою, які забезпечують на вихідних затискачах незначні зміни напруги (струму) за значної зміни вхідної напруги (струму).

Компенсаційний стабілізатор напруги (струму) (вторинного електроживлення) - стабілізатор напруги (струму) вторинного електроживлення РЕА, який здійснює стабілізацію внаслідок впливу змінення вихідної напруги (струму) на його регулювальний пристрій через коло зворотного зв'язку.

Нестабільність вихідної напруги (струму) ДВЕЖ - це змінення усталеного (номінального) значення стабілізованої вихідної напруги (струму, потужності), що спричинено певними зміненнями усталеного значення одного або декількох параметрів впливу - ці фактори називатимемо дестабілізувальними збуреннями.

Слід розрізняти збурення:

-    в часі: повільні та швидкі;

-       за частотою: вузькополосні та широкополосні.

Наведемо деякі інші збурення, що призводять до нестабільності вихідної напруги. Це змінення:

- вхідної напруги;

температури;

номінальних параметрів компонентів із спливом часу - часовий дрейф;

вологості;

тиску;

механічних чинників, тощо.

В цьому сенсі необхідно визначити статичні та динамічні нестабільності відповідно. В умовах збурень першого типу стабілізатор „встигає" реагувати, тобто термін дії збурення (t_зб) значно більший часу перехідного процесу (t_пер) , або найвища частотна складова збурення (ω_{в зб}) значно менша граничної частоти (ω_гр) тракту регулювання ДВЕЖ; в умовах збурень другого типу - навпаки  або . На рисунку 1.3 наведено ілюстрації збурень першого і другого типів - за вхідною напругою та зміненням навантажувального струму (рис. 1.3а та рис. 1.3б, відповідно). Якщо мають місце динамічні нестабільності - слід визначити відповідно перехідні або частотні характеристики ДВЕЖ. На діаграмах до точок t₁ та ωt₁ як реакцію на збурення ΔU_вх та ΔI_н маємо відповідно ΔU_{вих ст t}, ΔU_{вих ст ω} - це статичний режим. На діаграмах від точок t₂ та ωt₂ - значення збурень однакові з попередньою ситуацією, але реакція інша: ΔU_{вих дин} > ΔU_{вих ст} . За «швидкого» збурення маємо викид напруги - це обумовлено інерційними властивостями компонентів регулювального тракту (рис. 1.3а), а за «частотним» - зростання напруги, що обумовлено зростанням модуля вихідного імпедансу джерела - рис. 1.3б.

Рис. 1.3. Реакція ДВЕЖ на статичні та динамічні збурення: а - вхідної напруги (за часом); б - струму навантажувального кола (за частотою)

Одним із найважливіших параметрів джерела електроживлення є його внутрішній опір R_вн, його також називають вихідний опір R_вих (з урахуванням частотних властивостей - це імпеданс). З метою визначення цього поняття на прикладі на рис. 1.4 наведено узагальнену еквівалентну схему джерела електроживлення (рис. 1.4а) та навантажувальні характеристики (рис. 1.4б,в). Напругу навантажувального кола можна визначити за другим законом Кірхгофа (рис. 1.4а):

 , (1.1)

де Е - електрорушійна сила (ЕРС), нагадаємо - за умови I = 0 це є напруга холостого ходу (х.х.), Ін - сили струму навантажувального кола.

З графіка навантажувальної характеристики U_н = f(I_н) на рис. 1.4б визначимо внутрішній (вихідний) опір R_вн:

, (1.2)

де - масштабний множник, який дорівнює відношенню масштабного множника за напругою до масштабного множника з силою струму;

Тут і далі індекс "ном" визначає "номінальну величину".

Таким чином змінення вихідної напруги:

; (1.3)

Або

 (1.3а)

На рис.1.4в наведено дві навантажувальні характеристики за однакових номінальних значеннь  та , але різних . Рисунок 1.4в показує, що зменшення  призводить до зменшення кута нахилу  навантажувальної характеристики та зменшення нестабільності вихідної напруги за умов змінення навантажувального струму.

Рис. 1.4. Узагальнене джерело електроживлення: а - еквівалентна схема із навантажувальним колом; б, в - навантажувальні характеристики

З формули (1.1) або даних графіка навантажувальної характеристики (рис.1.4в) можно визначити силу струму короткого замикання

; (1.4)

За умови коректного проектування джерела електроживлення це значення не є допустимим - спрацює функціональний вузол захисту від перевищення сили навантажувального струму встановленого значення.

Для кількісного опису впливу дестабілізувальних збурень введено поняття окрема нестабільність вихідної напруги (струму), яку визначають як змінення усталеного значення вихідної напруги (струму), що спричинене певними зміненнями усталеного значення одного з параметрів впливу, за умови, що всі інші параметри впливу є незмінними. Для визначення нестабільності вихідної величини застосовують поняття коефіцієнт нестабільності за кожним з чинників, наприклад:

а) коефіцієнт нестабільності за зміненням вхідної напруги :

; (1.5)

б) коефіцієнт нестабільності за зміненням сили струму навантажувального кола :

; (1.5 а)

в) коефіцієнт нестабільності за температурою :

, (1.5 б)

тощо.

Максимальний узагальнений коефіцієнт загальної нестабільністі, визначають як суму:

, (1.6)

або

. (1.6 а)

Зауважимо, що збурення мають випадковий характер, тому в процесі проектуванні необхідно передбачити засоби попередження їхнього впливу на апаратуру на базі знань практичних задач теорії імовірності, або виконувати розрахунки за максимальним значенням параметрів збурень як це зазвичай, окрім спеціальних ситуацій

Для забезпечення заданого значення нестабільності застосовують стабілізатори.

Коефіцієнт стабілізації показує, яким є співвідношення значень змінень напруги на вході та на виході в навантажувальному колі, й характеризує властивості стабілізатора:

 (1.7)

де  - коефіцієнт передавання номінальної напруги (необхідно, шоб його хначення були якомога ближчим до 1); З метою узагальнення цього показника й для інших функціональних вузлів будемо застосувати позначення Uвих.ном замість Uвх.ном.

 (1.7 а)

Для опису випрямленої напруги введено коефіцієнт пульсації, який визначають як відношення амплітудного значення першої гармоніки пульсації (половина подвійного пікового значення, peak-to-peak) до середнього значення напруги:

, (1.8)

де  - половина подвійного пікового значення (peak-to-peak);

 - середнє значення напруги на виході джерела електроживлення або затискачах інших функціональних вузлів.

Для опису властивості фільтра зменшувати змінний складник застосовують поняття:

коефіцієнт фільтрації, який визначають як:

, (1.9)

де ,  - максимальні значення змінного складника (peak-to-peak) напруги на вході та виході фільтра, відповідно;

коефіцієнт зглажування, який є узагальненою характеристикою фільтра:

, (1.10)

де  - див (1.7 а)

Важливим енергетичним показником ДВЕЖ є коефіцієнт корисної дії ККД:

, (1.11)

де Р _вих (P_н)- потужність навантажувального кола;

P_вт - потужність втрат в джерелі електроживлення; для забезпечення високого ККД значення P_вт повинно бути якомога меншим.

Джерела електроживлення характеризують також питомими масо-габаритними показниками:

-    питомий показник за об'ємом:

, (1.12а)

де Р_вих - максимально можлива потужність на виході ДВЕЖ;

V - об’єм джерела електроживлення;

-    питомий показник за масою:

, (1.12б)

де m - маса джерела електроживлення;

2.Вимоги до джерел вторинного електроживлення

У цьому важливому для опанування дисципліни підрозділу, визначено характеристики та параметри ДВЕЖ, які необхідно знати під час розроблення технічного завдання, або придбання та застосування ДВЕЖ. До цього підрозділу доцільно повернтатись після вивчення наступних розділів цієї книги та дисципліни вцілому.

Отже, щоб виконати проект джерела вторинного електроживлення спочатку необхідно розробити технічне завдання - на підставі ДСТУ 2715 - «Джерела вторинного електроживлення. Загальні технічні умови». Тому стисло охарактеризуємо структуру та зміст цього документу:

1. Основні параметри

2. Технічні вимоги

1. Загальні положення;

2. Вимоги до конструкції;

3. Вимоги до електричних параметрів і режимів експлуатації;

4. Вимоги щодо стійкості проти зовнішніх чинників;

5. Вимоги до надійності;

6. Вимоги безпеки.

3. Правила приймання

1. Загальні положення;

2. Приймально-здавальні випробування;

3. Періодичні випробування;

4. Типові випробування;

5. Випробування на надійність.

4. Методи випробувань

1. Загальні положення;

2. Апаратура;

3. Вимоги безпеки;

4. Контроль на відповідність вимогам до конструкції;

5. Контроль на відповідність вимогам для електричних параметрів та режимів експлуатації;

6. Контроль на відповідність вимогам до стійкості проти зовнішніх чинників;

7. Контроль на відповідність вимогам до надійності;

8. Контроль на відповідність вимогам безпеки;

9. Контроль на відповідність вимогам до маркування та упаковки.

5. Маркування, упакування, транспортування та зберігання

1. Маркування;

2. Упаковання;

3. Транспортування;

4. Зберігання.

6. Гарантії виробника

Наведемо деякі дані та положення ДСТУ 2715:

Основні параметри:

Номінальне значення сталої напруги постійного струму слід обирати з ряду,В: 0,1; 0,15; 0,25; 0,4; 0,6; 1,0; 1,2; 1,3**; 1,5*; 2,0; 2,4; 2,5; 3,15*; 4; 4,5*; 5; 5,2*; 6; 6,3**; 9; 10; 12; 12,6; 15; 18; 24; 27; 30; 36; 48; 60; 80; 100; 110; 150; 200; 220; 250; 300; 380; 400; 440; 500; 600; 660; 800; 1000; 1140; 1250; 1500; 2000; 2500; 3000; 4000; 5000; 6000; 8000; 10000; 12000; 15000; 20000; 25000;30000; 40000; 50000; 60000;100000;110000; 150000 .

Примітки. * для інтегрованих мікросхем, що працюють з хімічними джерелами електроживлення;

** для електроживлення кіл розжарювання електронновакуумних приладів.

Номінальне значення змінної вихідної напруги слід обирати з ряду,В: 1,2; 2,4; 3,15; 5; 6; 6,3; 10; 12; 12,6; 15; 24; 27; 36; 40; 42; 60; 80; 110; 115; 127; 200; 220; 380 .

Номінальне значення сили струму навантажувального кола слід обирати з ряду, А:

0,025; 0,05; 0,1; 0,25; 0,5; 0,8; 1; 2; 2,5; 4; 5; 6,3; 8; 10; 16; 20; 25; 40; 80 , (значення нижчі від 0,025 А та вище 80 А не регламентовано).

Класи стабілізації вихідної напруги (сили струму) стабілізованих ДВЕЖ: 0,001; 0,002; 0,003; 0,005; 0,01; 0,02; 0,03; 0,05; 0,1; 0,2; 0,3; 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 5,0; 10,0; 15,0; 20,0 (див. табл.1.1).

Параметри мереж до яких під'єднують ДВЕЖ:

номінальна стала напруга:

6, 12 , 24, 27 В, допустиме відхилення - 15%...+10%;

48, 60, 110, В, допустиме відхилення -20%...+15% ;

220, 440 В, допустиме відхилення -25%...+30% ;

номінальне значення змінної напруги (ефективне, дієве):

- однофазна мережа, В: 6, 12, 24, 27, 40, 42, 60, 110, 220 , відхилення: -15%...+10%, допустимі -20%...+15%;

трифазна мережа, В: 40, 42, 60, 220, 380, 660 , допустимі відхилення: -15%...+10%, допустимі -20%...+15%;

допустимі значення коефіцієнта вищих гармонік%:2, 5, 10, 20 .

Технічні вимоги:

Вимоги до конструкціїї визначають загальний вигляд; габаритні, установчі та приєднувальні розміри; маса ДВЕЖ не повинна перевищувати встановлене значення, зовнішні виводи повинні забезпечувати надійний контакт; спосіб охолодження повинен бути узгодженим з комплексом вцілому, де застосовують джерело електроживлення; механізм регулювання, до якого повинен бути вільний доступ, але слід не допустити можливість випадкового переміщення органів керування. Вимоги до електричних параметрів і режимів експлуатації визначають допустимі нестабільність напруги (струму), відповідно до класів стабілізації за передбачених умов уксплуатації; пульсацію, термін виходу на режим, тривалість безперервної роботи не менше ніж 8_годин. Наприклад:

-    допустимі відхилення (δ) вихідної стабілізованої напруги (струму) ДВЕЖ від номінального значення залежно від від класу стабілізації вихідної напруги (струму) повинні відповідати вказаним у табл. 1.1;

-       пульсація вихідної напруги (подвійна амплітуда - р-р «peak-to-peak») стабілізованих ДВЕЖ постійного струму за номінального навантажувального струму не повинна перевищувати значень, вибраних із ряду, що визначають виразом:

 (1.13)

де k_{пл р-р} - коефіцієнт пульсації вихідної напруги стосовно подвійної амплітуди,

-    пульсація вихідної напруги (подвійна амплітуда) нестабілізованих ДВЕЖ постійного струму за номінального навантажувального струму не повинна перевищувати значень, що вибирають з ряду: 1; 2; 5; 10; 20 %;

-       допустимі відхилення вихідної напруги від номінального значення нестабілізованих ДВЕЖ постійного струму: -10…+10%, або -15…+10%, якщо не обумовлено інше.

Таблиця 1.1- Класи стабілізації

Таким чином за термін роботоздатності джерела електроживлення потрібно забезпечити такі параметри:

-       значення напруги U та сили струму І, на виході, повинні відповідати заданим номінальним значенням за умови високих ККД та коефіцієнта потужності  у мережі живлення;

-       повинна бути визначена зовнішня характеристика  на робочому інтервалі змінення навантаження;

-    нормальна робота апаратури повинна бути забезпечена за заданих змінень значення напруги мережі електроживлення та її частоти, номінальні значення яких є стандартними із допустимими зміненнями, тобто повинна бути забезпечена стабілізація напруги або/та струму;

-    значення пульсації, не повинне перевищувати допустимого;

-    значення електромагнітних завад не повинно перевищувати встановлених нормативними (національними, регіональними, міжнародними) документами, тобто слід забезпечувати електромагнітну сумісність (ЕМС);

-    відхилення напруги та струму протягом гарантійного терміну роботоздатності джерела електроживлення не повинні перевищувати допустимих.

Вимоги щодо стійкості проти зовнішніх чинників визначають, що ДВЕЖ повинні бути стійкими проти дії механічних та інших чинників. Це фактори прояву:

-    синусоїдальних вібрацій високої частоти (з частотою переходу від вібропереміщення до віброприскорення від 57 до 62 Гц);

-       синусоїдальних вібрацій низької частоти (з частотою переходу від вібропереміщення до віброприскорення від 8 до 9 Гц);

-       резонансних частот;

-       багаторазових та одиничних механічних ударів;

-       температури та вологості навколишнього середовища;

-       атмосферного тиску;

-       постійних магнітних полів і змінних магнітних полів частоти мережі з напруженістю до 160_А/м.

ДВЕЖ повинно бути пристосовано до різних типів вібрацій, наприклад, синусоїдальних вібрацій високих частот. Вібрацію характеризують величинами:

–       вібропереміщення [мм];

–       віброприскорення [м/с²].

За конструкцією, відповідно до умов функціонування, ДВЕЖ розрізняють за групами L,N,V, B, C, D, P₁, P₂.

Різні групи виконання ДВЕЖ мають обмежененя. Наприклад, групу L застосовують в місцях, де відсутня суттєва вібрація (або можлива вібрація низьких частот 5…35 Гц).

ДВЕЖ групи N можна застосовувати в місцях вібрації від механізмів на промислових об’єктах (10…55 Гц). ДВЕЖ групи V можна застосовувати в місцях сильної вібрації 10…150 Гц. Для груп L, N, V діапазоном амплітуд вібропереміщення є значення від 0,15 до 0,75 мм та діапазон амплітуд віброприскорення (для групи V) від 9,8 до 49 м/с² відповідно. До ДВЕЖ деяких типів встановлюють спеціальні вимоги, якщо частота впливу спвіпадіє з частотою механічного резонанса.

ДВЕЖ, які експлуатують в умовах механічних ударів, повинні бути витривалими до багаторазових ударів з піковим прискоренням до 1000 м/с² з тривалостями імпульсів до 50 мс.

ДВЕЖ, що зазнають одиночних механічних ударів, мають бути пристосовані до ударних імпульсів з тривалістю до 30 мс із піковим прискорення до 15000 м/с².

До ДВЕЖ висувають температурні вимоги і вимоги щодо вологості. ДВЕЖ групи В призначены для на роботи за умов температури до +50°C, та вологості до 95% для 30°C, але не допускають конденсацію вологи, їх застосовують у приміщеннях. ДВЕЖ групи Д допускають експлуатацію за умови від’ємних температур до -65°C та додатніх до +200°C з вологістю до 100% для 40°C, допускають конденсацію вологи. Вони пристосовані до зовнішнього застосування.

ДВЕЖ груп Р₁ та Р₂ повинні працювати в діапазоні тиску від 66 до 106.7 кПа.

ДВЕЖ повинні бути стійкими до дії змінних частоти мережі або постійних магнітних полів з напруженністю до 160 А/м.

Джерела можуть зазнавати дії також специфічних зовнішніх чинників, вплив яких має бути врахований в процессі конструювання окремих груп ДВЕЖ.

Вимоги до надійності

Надійність ДВЕЖ характеризують такими показниками: безвідмовність, ремонтопридатність, довговічність, збережуваність.

Показниками безвідмовності ДВЕЖ є:

- імовірність безвідмовної роботи за заданий час;

- інтенсивність відмов;

параметр потоку відмов;

середній наробіток на відмову;

середній наробіток до відмови;

Значення імовірності безвідмовної роботи ДВЕЖ слід обирати із ряду: 0,999; 0,997; 0,996; 0,995; 0,994;0,993; 0,992; 0,99; 0,98; 0,97; 0,96; 0,95; 0,94; 0,93; 0,92; 0,90; 0,88; 0,87; 0,86; 0,85; 0,82; 0,80.

Час, за який визначають імовірність безвідмовної роботи, слід вибирати із ряду: 1000; 2000; 4000; 8000; 16000 год (можливе збільшення ряду кратне 8000 год).

Важливими є також дані щодо роботоздатності, терміну служби (від 6 до 30 років).

Умови, для яких нормують показники надійності, повинні вказуватись у ТУ на ДВЕЖ конкретних типів.

Вимоги безпеки:

ДВЕЖ повинні задовольняти вимогам безпеки експлуатації, що вказані далі, відповідно до конкретного типу. Елементи ДВЕЖ, до яких прикладено напругу, повинні мати захист від випадкових доторкань під час експлуатації. Залежно від значення номінальної напруги кола та умов експлуатації, ізоляція ДВЕЖ повинна витримувати протягом 1 хв дію випробувальної напруги синусоїдальної форми частотою від 45 до 65 Гц.

Випробні напруги визначають відповідно до номінальної напруги кола U_ном (сталої, синусоїдальної, несинусоїдальної), виду ізоляції (робоча, подвійна або посилена), вологості - від 0,3_кВ до 10 кВ для напруг U_ном до 2800 В; 2,2U_ном +30 кВ для кіл з подвійною або посиленою ізоляцією з U_ном понад 30 кВ сталої або синусоїдальної та понад 42 кВ для насинусоїдальної змінної або змішаної (пікове значення).

Для конкретних умов випробувань (нормальні, за умов верхнього значення робочих темпрератур, за умов верхнього значення відносної вологості робочих умов) встановлено мінімально допустимий електричний опір ізоляції кіл номінальною напругою понад 500_ В

, (1.14)

де R_із - опір ізоляції, МОм;

R - табличне значення опору, МОм за ДСТУ 2715 (від 1 МОм до 1000 МОм), залежно від умов випробувань;

К - коефіцієнт, що дорівнює відношенню номінальної напруги кола до 500 В, залежно від умов випробувань.

Якщо металеві частини ДВЕЖ, що доступні доторканню, перебувають під напругою внаслідок пошкодження ізоляції, то вони повинні бути надійно уземлені. Для безпечної роботи, де необхідно виявити особливі заходи, на ДВЕЖ повинен бути нанесений знак „Обережно! Інші небезпеки».

ДВЕЖ повинні мати захист від коротких замикань та перевантаження, а також мати пристрій, що сигналізує наявність вихідної напруги.

ДВЕЖ не повинні самозайматись і запалювати оточуючі об’єкти в пожежонебезпечному аварійному режимі, вказаному в технічних умовах.

Правила приймання:

ДВЕЖ підлягать приймально-здавальним, періодичним, типовим випробуванням і випробуванням на надійність.

Приймально-здавальні випробування проводять з метою перевірки відповідності ДВЕЖ вимогам ТУ.

Періодичні випробування виконують з метою контролю стабільності якості ДВЕЖ і можливості продовження їх випуску.

Типові випробування проводять з метою оцінки доцільності та ефективності змін, які вносять в конструкцію ДВЕЖ, технологію, матеріали та напівфабрикати, що застосовано, та для перевірки відповідності ДВЕЖ вимогам технічних умовах.

Методи випробувань:

Важливим фактором є організація випробовувань. Випробування це складний і відповідальний процес, тому розділ ДСТУ 2715 є дуже об’ємним.

Випробовування ДВЕЖ здійснюють, як правило, за нормальних умов із посиленням жорсткості режиму навантаження до максимального (номінального).

Випробовування виконують відповідною повіреною аппаратурою. Значення похибки приладів повинно бути допустимим, його вносять в документацію ДВЕЖ. Підчас випробовувань потрібно дотримуватись правил безпеки, особливо в умовах роботи з напругами вище за 1,0 кВ.

Перевірку конструкції здійснюють порівнянням показників виробу з даними в конструкторській документації. Враховують габарити, массу, загальний вигляд, приєднувальні та необхідні для встановлення розміри. Також здійснюють перевірку механізму регулювання вихідної напруги.

В процесі випробувань необхідно дотримуватись вимог безпеки відповідно до регламентованих документів.

Наведемо опис декількох випробувань:

Перевірка відхилення вихідної напруги δ[%]:

, (1.15)

де  - значення вихідної напруги, виміряне зразковим вольтметром з підімкненим повним навантаженням, В;

 - номінальне значення вихідної напруги, В.

Нестабільність за вихідною напругою ДВЕЖ, спричинену зміною напруги мережі живлення, визначають в режимі номінального струму навантаження, в межах відхилення вхідної напруги та в інтервалах часу, наведених в технічних умовах (ТУ). Навантажувальне коло та вимірювальну апатуру до ДВЕЖ стабілізованої напруги (струму) приєднують до вихідних затискачів, таким чином, щоб похибкою, яка при цьому виникає можна було знехтувати.

Далі вимірюють нестабільність за навантаженням із зміненням навантажувального струму в межах, наведених в ТУ.

Перевірка випадкових і періодичних відхилень напруги або струму здійснюють спочатку із мінімальною вхідною напругою, потім з максимальною. Резистор для контролю сили струму повинен бути безіндуктивного типу та мати практично незмінний опір на частотах від 20 Гц до 10 МГц. Повний опір резистора на частоті 10 МГц не повинен відрізнятись від повного опору на частоті 20_Гц більше ніж на 10% опору за постійним струмом.

Перевірку дрейфу здійснюють шляхом фіксації змінення стабілізованих вихідного струму та напруги за певний час, вказаний в ТУ, після того, як пристрій прогріється. Вимірювання реалізують за умов максимального навантаження та його відсутності. Перед випробовуванням, ДВЕЖ повинно працювати на менше 30 хв., якщо час саморозігрівання не вказаний в ТУ. Вимірювання параметрів, що характеризують дрейф проводять близько 8 годин із фіксаціями результату через інтервали часу не більші 30 хв. Під час вимірювань заборонено змінювати параметри ДВЕЖ, навантаження, вхідну напругу, вимірювальні прилади тощо.

Випробування ДВЕЖ на температурну нестабільність здійснюють збільшенням температури навколишнього середовища ступенями (10±2 ºС) від мінімальної до максимально допустимої, наведеної в ТУ, а потім навпаки з її фіксацією в межах 1 ºС, доки вихідний параметр не досягне температурної рівноваги.

Коефіцієнт температурної нестабільності на 1ºС визначають за формулою:

 , (1.16)

де  і - відповідно значення стабілізованої вихідної напруги (струму) до початку зміни температури, та після встановлення температурної рівноваги на один ступінь, що відповідає ; коефіціент 0,1 враховує значення змінення температури навколишнього середовища.

Максимальні значення сили струму і напруги визначають від піка до піка за кривою вихідної напруги на осцилогафі середньоквадратичне дієве значення вихідної напруги визначають вольтметром.

Визначають максимальне значення викиду вихідного струму або напруги та часу їх відновлення - випробовування у перехідному режимі.

Окрему нестабільність напруги (струму) вимірюють як змінення стабілізованої вихідної напруги (струму), яку спричинює змінення одного з чинників впливу (механічний удар, магнітне поле, випромінення, тощо).

Загальну нестабільність напруги або струму визначають як максимальне змінення усталеного значення вихідного струму або напруги за умов одночасного змінення всіх збурювальних чинників.

Повний вихідний опір визначають як частку від ділення змінної складової напруги кола навантаження на змінну складову сили струму навантажувального кола:

. (1.17)

Тривалість безперервної роботи - час роботи за максимальних значень вхідної напруги та навантажувального струму, за яких відхилення вихідної напруги та струму не виходять за межі, допустимі ТУ на конкретне ДВЕЖ.

Рівень акустичних шумів ДВЕЖ в процесі роботи повинен бути нижчим більш ніж на 10 дБ за рівень загальних акустичних шумів у приміщенні.

Випробовування ДВЕЖ на дію механічних чинників виконують для визначення:

- вібротривкості - з електричним навантажненням із перевіркою параметрів ДВЕЖ у робочому режимі;

- віброміцності - без електричного навантаження;

ударної міцності без електричного навантаження;

На роботу ДВЕЖ можуть впливати постійні та змінні магнітні поля. Випробувальну напруженість магнітного поля (до 160 А/м) визначають як:

, (1.18)

де I - сила струму у випробувальній котушці, А;

w - кількість витків обмотки кожного кільця випробувальної котушки;

D - середній діаметр кільця, м.

ДВЕЖ та магнітне кільце розташовують так, щоб отримати максимальний вплив магнітного поля на вихідні параметри ДВЕЖ.

ДВЕЖ випробовують на надійність:

- безвідмовність,

- довговічність,

збережуваність.

Випробовування ДВЕЖ на відповідність вимогам безпеки - це перевірка електричної міцності та опору ізоляції. В тестах на електричну міцність ізоляції, випробну напругу підвищують плавно до значення напруги, що не перевищує номінальної вхідної напруги, протягом не більше 30_с. Електричний опір ізоляції визначають відношенням U_із - напруги, що не перевищує напругу підчас випробовування на електричну міцність ізоляції до струму спливу I_{cп із} через 1 хвилину після прикладання напруги:

. (1.19)

Також здійснюють випробування маркування джерел електроживлення на механічну стійкість, перевіряють його розміри, зонішній вигляд та розбірливость.

Здійснюють контроль якості упаковки на механічні чинники впливу, та габаритні розміри тощо.

Актуальними в сучасних умовах є випробовування на електромагнітну сумісність (ЕМС).

Окрім вимог, обумовлених ДСТУ 2715, наведемо деякі інші положення стосовно вимог до ДВЕЖ.

Економічні вимоги:

- низькі первинні затрати;

- низькі експлуатаційні затрати, зокрема невелика вартість однієї години роботи;

забезпечення терміну окупності.

У 80 роки XX сторічча були встановлені вимоги до значень питомих показників потужності за масою та об’ємом за умови енергозабезпечення від мережі постійного струму та від мережі змінного струму за умови застосування інтегральної технології на дискретних компонентах, які теперішнім часом можна сприймати лише в історичному аспекті.

В процесі розрахунку та конструюванні засобів електроживлення необхідно враховувати конкретні умови. Наприклад, для переносної апаратури найбільш важливим показником є маса, габаритні розміри та мала потужність втрат. Для таких умов можлива підвищена вартість та застосування коштовних матеріалів; термін роботи може бути зменшений.

Джерело електроживлення, що надходить на ринок повинне мати маркування, бути відповідно упакованим, повинні бути також обумовлені умови транспортування і зберігання, таким чином процес розробляння та виготовлення ДВЕЖ є творчим та відповідальним.

Виробник повинен гарантувати надійну роботу приладу протягом зазначеного терміну експлуатації.

З’ясуємо засади функціонування ДВЕЖ на основі основних структурних схем.

3. Основні (базові) структурні схеми джерел вторинного електроживлення

.1 ДВЕЖ за традиційною структурною схемою

Майже всі ДВЕЖ до кінця 70-тих, початку 80-тих років минулого сторічча виготовляли за традиційною схемою. В деяких випадках вона є актуальною і в теперішній час. Традиційну структурну схему ДВЕЖ наведено на рис.1.5. На рис.1.6 наведено часові даіграми напруг: електричної мережі - u₁, на виході трансформатора (вході випрямляча) - u₂, виході випрямляча (вході згладжувального фільтра) - u₃, виході згладжувального фільтра (вході стабілізатора) - u₄, виході стабілізатора (на навантажувальному колі) - u₅.

Рис. 1.5. Електрична структурна схема традиційного ДВЕЖ

В складі традиційного ДВЕЖ чотири функціональні вузли:

ФВ 1 - трансформатор - TV;

ФВ 2 - випрямляч - В;

ФВ 3 - згладжувальний фільтр - ЗФ ;

ФВ 4 - стабілізатор - Стаб.

Трансформатор (ФВ1) - це електромагнітний статичний пристрій (без рухомих елементів), призначений для:

- перетворення значення напруги (часові діаграми напруги на первинній обмотці трансформатора (мережа) u₁ та вторинній (вхід випрямляча) u₂); (рис.1.6а)

перетворення кількості фаз;

забезпечення гальванічної розв’язки входу і виходу;

узгодження вихідного та вхідного імпедансів вхідного та вихідного кіл (для силових мережевих трансформаторів це не є актуальним, бо імпеданс електричної мережі значно менший за імпеданс навантажувального кола).

Випрямляч (ФВ2) - це функціональний вузол для перетворення змінної (різнополярної) напруги в сталу (однополярну) (часова діаграма напруги на виході випрямляча u₃ - за умови застосування згладжувального фільтра із індуктивним компонентом за випрямлячем.

Згладжувальний фільтр (ФВ3) - це функціональний вузол, призначений для послаблення змінної складової випрямленої напруги - забезпечення заданого коефіцієнта пульсацій .

Часова діаграма напруги на виході фільтра u₄ за умови застосування згладжувального фільтра із індуктивним компонентом за випрямлячем.(рис 1.6а).

Рис. 1.6. Часові діаграми ДВЕЖ традиційної структурної схеми: а - вхідна напруга стабільна; б - вхідна напруга нестабільна

Стабілізатор (ФВ4) - це функціональний вузол, що забезпечує задану вихідну напругу із заданою нестабільністю, тобто „відпрацьовує» дестабілізувальні (збурювальні) фактори. Стабілізатор постійної напруги також виконує функцію згладжування пульсації.

Часову діаграму напруги на виході стабілізатора (навантажувальному колі) u₅ наведено на рис.1.6а за умови стабільної вхідної напруги.

Щоб краще пояснити сутність роботи стабілізатора (ФВ 4) на рис.1.6б наведено в іншому масштабі часові діаграми нестабільної напруги u₄ на вході стабілізатора із деякою пульсацією та стабілізовану u₅, де змінення постійної складової та пульсацій менші.

Позитивні властивості ДВЕЖ сформованого за традиційною схемою є:

- високі якісні показники вихідної напруги U_вих, висока стабільність (низька нестабільність 0,1…0,001 %), та низький коефіцієнт пульсацій;

висока надійність роботи;

простота реалізації та низька вартість;

практично відсутність електромагнітних завад із застосуванням лінійного стабілізатора

Проте ДВЕЖ за традиційною схемою має суттєві недоліки:

- низькі питомі показники, які характеризують відношення значення вихідної потужності до об'єму - ; та маси - ;

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

Із застосуванням ключових стабілізаторів питомі масогабаритні параметри зростають, але ключовий режим призводить до створення електромагнітних завад. Таким чином ДВЕЖ, які виконано за традиційною схемою нескладні, порівняно низької вартості, за наявності лінійного стабілізатора забезпечують високі якісні показники, не створюють електромагнітних завад високого рівня, однак мають дуже низькі питомі показники (;). Тому наприкінці 70-х років минулого сторічча постала потреба суттєвої мініатюризації ДВЕЖ.

3.2 Засади мініатюризації ДВЕЖ

Для реалізації мініатюризації ДВЕЖ необхідно розв’язати п’ять задач:

- структурної: полягає у синтезі структурної схеми, за якою можливе забезпечення вищих енергетичних та питомих масогабаритних показників;

енергетичної: полягає у суттєвому зниженні втрат в силовому колі ДВЕЖ, тобто у зростанні ККД;

конструкторсько-технологічної: полягає в розробці й застосуванні нової елементної бази та нових технологій конструкції;

системна: полягає в тому, що джерело та пристрій - навантажувальне коло слід проектувати одночасно (наприклад мобільні телефони та акумулятори до них);

організаційна: полягає у забезпеченні найбільш раціонального розв’зяку попередніх чотирьох задач.

Як іллюстрацію необхідності мініатюризації двеж наведемо приклад: для свого часу ефективні блоки електроживлення типу „Александрит» мають значення , сучасні блоки електроживлення персональних комп'ютерів мають орієнтовні значення  (ці значення не є граничними з урахуванням вдосконалення схемотехніки і технології, зокрема - конструкції та розташування вентилятора).

Звідси випливає, що технічне завдання щодо проектування ДВЕЖ слід розробляти на початковій стадії проектування комплексу PEA. В цілому раціональне проектування ДВЕЖ вимагає обгрунтованого вибору структурної схеми та функціональних вузлів, застосування спеціальної елементної бази.

Перші три задачі розв’язують, відповідно, таким чином:

- застосовану нову структурну схему ДВЕЖ, в якій вхідний мережевий трансформатор (50 Гц) усунено, силові елементи працюють в ключовому режимі на значно вищій частоті ніж частота електричної мережі.

зменшено втрати внаслідок застосування ключового режиму роботи силових компонентів (↓Р_вт→η↑); див. (1.11).

      розроблено спеціальні високовольтні високочастотні транзистори; спеціалізовані мікросхеми, які виконують функції керування інвертором або стабілізатором (драйвери); діоди із малим часом рекомбінації та низьким значенням падіння прямої напруги за струму в кілька ампер або десятків ампер (наприклад, діоди Шоткі); конденсатори, що працюють на частотах 10...100 кГц й вище; високочастотні дроселі тощо (див. п. 1.5).

3.3 ДВЕЖ за сучасною структурною схемою

Як наведено више, в основі сучасної структурної схеми ДВЕЖ є застосування двох принципів:

- перехід на підвищені частоти перетворення енергії;

- ключовий режим роботи силового кола.

Сучасну структурну схем ДВЕЖ наведено на рис 1.7. На рис.1.8 наведено часові діаграми напруг: електричної мережі - u₁, на виході випрямляча з фільтром (вході інвертора) - u₂, виході інвертора (вході випрямляча навантажувального кола) - u₃, виході випрямляча навантажувального кола (вході згладжувального фільтра навантажувального кола) - u₄, виході згладжувального фільтра навантажувального кола (на навантажувальному колі) - u₅.

ФВ 1 - протизавадовий фільтр - ПЗФ;

ФВ 2 - мережевий випрямляч - В1;

ФВ 3 - мережевий згладжувальний фільтр - ЗФ1;

ФВ 4 - інвертор - Інв.;

ФВ 5 - випрямляч навантажувального кола - В2;

ФВ 6 - згладжувальний фільтр навантажувального кола - ЗФ2;

ФВ 7 - стабілізатор - Стаб.

Навантажувальне коло - НК.

Рис. 1.7. Електрична структурна схема сучасного ДВЕЖ (шляхи поширення завад: → у провідному середовищі (кондуктивні);  - в навколишньому середовищі)

Першим функціональним вузлом ФВ1 є протизавадовий фільтр (ПЗФ). Його застосування обумовлене тим, що силові каскади ДВЕЖ внаслідок роботи в ключовому режимі утворюють, так звані, індустріальні електромагнітні завади, що ускладнює умови забезпечення електромагнітної сумісності (ЕМС) - ДЕВЖ з навантажувальним колом та електричною мережею. Засоби та заходи забезпечення ЕМС наведено в розділі 8, що є принциповим недоліком цих ДВЕЖ.

Таким чином перший функціональний вузол традиційної структурної схеми - трансформатор, вилучено як один з найбільших за габаритами, отже мережева напруга u₁ надходить безпосередньо (вважатимемо, що ФВ 1 на проходження напруги мережі основної частоти (50_Гц, 60 Гц) не впливає) на мережевий випрямляч В1 - ФВ 2 із згладжувальним фільтром (ФВ З). Такі ДВЕЖ називають джерелами і безтрансформаторним входом.

З’ясуємо якого типу реактивний компонент фільтра слід застосовувати в цій ситуації, тобто такий, що здатен накопичувати електричну - конденсатор, або магнітну - дросель енергію.

Нагадаємо, що:

енергію електричного поля (накопичує та зберігає конденсатор) визначають значення ємності C та напруги U_C:

; (1.20)

- енергію магнітного поля (накопичує та зберігає дросель - індуктивний елемент) визначають значення індуктивності L та сили струму I_L:

. (1.21)

Рис.

Рис. 1.8. Часові діаграми напруг для ДВЕЖ за сучасною структурною схемою за умови роботи інвертора: а - без функції стабілізатора; б - із стабілізацією

За умови, що випрямляч формує вихідну напругу із мережевої (наприклад із середньо квадратичним значенням 220 В) значення випрямленої зглаженої напруги орієнтовно сягає 310 В. Значення сили вхідного струму  - за великого значення напруги є малим. Таким чином, вхідним компонентом згладжувального фільтра має бути конденсатор (ФВ 3). Отже, часова діаграма u₂ (рис._1.8а) - напруга на виході випрямляча з ємнісним фільтром; форма напруги близька до «пилкоподібної», далі вважаємо її незмінною (кПЛ ≈ 2...5 %) із значенням U_сер ≈ 310 В, з якої треба сформувати інші, наприклад, 3 В, 5 В, 12 В, тощо. Це вимагає перетворення постійної напруги в змінну.

Цю функцію реалізує - інвертор (ФВ 4) - функціональний вузол, який складено із силового ключа (або кількох ключів) і трансформатора. Інвертор є основним функціональним вузлом ДВЕЖ за сучасною схемою, він забезпечує:

·        перетворення сталої напруги в змінну ;

·        гальванічний розв'язок входу і виходу ДВЕЖ за відповідного керування

Основні властивості інвертора ДВЕЖ:

·        функціонування на частотах перетворення енергії 20...100 кГц і вище (залежно від технічного завдання та застосування елементної бази), що

призводить до зменшення маси і розмірів реактивних елементів;

·        ключовий режим роботи силового каскаду, за якого втрати потужності зменшено і підвищено ККД, а це, в свою чергу, також призводить до підвищення питомих масо-габаритних показників;

·        можливість забезпечення стабілізації вихідного параметра.

Часова діаграма напруги на виході інвертора - u₃. Інвертор також може виконувати функцію стабілізатора, якщо він працюватиме з паузою на нулі - часова діаграма u₃ на рис 1.8б.

Наступним функціональним вузлом є випрямляч високої частоти (ФВ 5) - часова діаграма u₄. Це вентильний напівпровідниковий перетворювач електроенергії, який здійснює випрямляння змінної напруги (перетворення різнополярної напруги в однополярну), наступний функціональний вузол - згладжувальний фільтр (ФВ6), графік напруги на виході якого - u_5.

Параметри цієї напруги залежать від значення напруги на вході інвертора тому за умови, якщо реалізувати функцію стабілізації необхідно змінювати його тривалість.Для полегшення пояснення ефекту стабілізації - форма напруги u₃ й відповідно u₄ - прямокутна. Якщо напруга на вході збільшується U_вх> U_ном, то імпульс стає вужче, а якщо напруга зменшується, то U_вх< U_ном імпульс стає ширшим (часові діаграми u₃ та u₄ на рис 1.8б). Таким чином зміненням співвідношення інтервалів замкнутого та розімкнутого станів ключа можливо забезпечити майже незмінне значення вихідної напруги, за умов впливу дестабілізувальних факторів, тобто забезпечити режим стабілізації. Середнє значення напруги з паузою на нулі дорівнює:

, (1.22)

де - інтервал замкнутого стану ключа;

- коефіціент заповнення (величина обернена до шпаруватості).

Забезпечення стабілізації зміненням  можливе в таких режимах:

а) T = const, τ = var → це режим широтно-імпульсної модуляції (ШІМ);

б) T = var, τ = const → це режим частотно-імпульсної модуляції (ЧІМ);

в) Т, τ = var → це релейний або двопозиційний режим;

де τ - тривалість одного зі станів ключа: замкнено або розімкнено;

Т - період сигналу.

Поряд з перевагами в сенсі зменшення втрат в силовому колі (тобто підвищення ККД) ключовий режим призводить до генерації спектральних складників напруги та струму, які можуть сприйматись як завади іншими радіо- та електронними засобами рис.1.9. Обвідну спектральних S(t) цих складників завад можна надати як логарифмічно-частотну характеристику. Якісний характер ціеї залежності наведено на рис.1.9в.

Рис. 1.9. До визначення спектральних складників прямокутних імпульсів: а - послідовність прямокутних імпульсів; б - послідовність трапециїдальних імпульсів (τ_ф = 0,1τ _і); в - обвідна спектру імпульса.

Частота заломлення обвідної спектра прямокутних імпульсів:

, (1.23)

де τ _і - тривалість імпульсу.

Частота другого заломлення трапеціїдальних імпульсів:

, (1.24)

де τ_ф - тривалість фронту (спаду).

Таким чином за умови ідеального прямокутного сигналу маємо згасання обвідної спектру 20дБ/дек. За умови трапеціїдального сигналу маємо згасання обвідної спектру 40дБ/дек.

Цей фактор є важливим стосовно обґрунтування пріорітету EМC або ККД.

Стабілізатор (ФВ 7) - виконує функцію стабілізації напруги, однак його можна не застосовувати, якщо цю функцію виконує інвертор (ФВ4) та джерело є одноканальним; якщо ДВЕЖ є багатоканальним, інвертор стабілізує напругу найбільш потужного виходу, а інші виходи за умов більш жорстких вимог до нестабільності, повинні мати додаткові стабілізатори; це можуть бути лінійні стабілізатори, в полегшеному режимі роботи внаслідок стабілізації інвертором вхідної напруги.

Формування ДВЕЖ за схемою з безтрансформаторним входом, внаслідок усунення низькочастотного силового трансформатора, реалізації роботи силових каскадів в ключовомурежимі на підвищених частотах, забезпечує ККД на рівні 85...95 % та питомі показники за масою та об'ємом до 100...500 й вище (Вт/кг,Вт/дм³), відповідно.

Таким чином позитивні властивості ДВЕЖ за сучасної структурної схеми:

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, 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, μА7805(+5 В) і μA7912 (-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.

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

р. - 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.

р. - 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.

р. - П.М. Яблочков винайшов трансформатор.

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

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

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

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

1908р. - Юітт створив низьковольтний ртутний випрямляч.

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

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

р. - 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.

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

р. - 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.

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

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

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

р. - розпочато виробництво універсальних тиристорних випрямлячів.

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

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

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.

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.

. 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).

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

. 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 η = 30..50 % (із застосуванням лінійного стабілізатора).

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

. 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.

. 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 η = 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.

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

Список використаної літератури

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

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

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