Андрей Кашкаров
Устройства импульсного электропитания для альтернативных энергоисточников
Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но, поскольку вероятность технических ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.
Список сокращении
ABИ — автогенераторный вспомогательный источник
БП — бестрансформаторный преобразователь
ВЧ — высокая частота, высокочастотный
ИБП — импульсный блок питания
ИИП — импульсный источник питания
ИОН — источник опорного напряжения
КЗ — короткое замыкание
КПД— коэффициент полезного действия
КС — каскад сопряжения
НЧ — низкая частота, низкочастотный
ПК — персональный компьютер
ПН — преобразователь напряжения
СИП — схема измерения перенапряжения
СК — согласующий каскад
УМ — усилитель мощности
ФПН — формирователь пилообразного напряжения
ЧИМ — частотно-импульсная модуляция
ШИМ — широтно-импульсная модуляция
ЭДС — электродвижущая сила
Меры безопасности
Выполняя работы по конструированию или ремонту электронной техники, вы должны всегда помнить несложные правила безопасности.
Знание основных правил позволяет организовать свою работу так, чтобы исключить либо свести к минимуму воздействие неблагоприятных факторов на себя и окружающих.
Работа с электричеством опасна тем, что оно не действует на органы чувств до момента соприкосновения с токоведущими проводниками и контактами. Это затрудняет дистанционное обнаружение опасности.
Прежде всего нужно соблюдать особую осторожность при работе с электричеством, горючими и легковоспламеняющимися жидкостями, кислотами и щелочами, иными токсичными веществами. Эти правила, по сути, знает любой школьник и, конечно же, специалист, обслуживающий импульсные источники электропитания. Но поскольку время от времени происходят трагедии из-за пренебрежения этими правилами, считаю нелишним напомнить основные требования техники безопасности.
Электрическое напряжение свыше 40 В опасно для жизни. Степень поражения зависит от пути прохождения электрического тока через тело человека и от силы тока, особенно той его части, которая проходит через сердце. Наиболее опасны пути тока «рука — нога» и «рука — рука». Поэтому при настройке радиоаппаратуры и поиске неисправностей старайтесь работать одной рукой во избежание прикосновения к токоведущим частям обеими руками. Особую осторожность необходимо соблюдать, когда электронное устройство преобразователя напряжения конструктивно собрано и эксплуатируется по бестрансформаторной схеме, с помощью импульсного преобразователя или через автотрансформатор. В этом случае выход даже низковольтного источника вторичного питания может оказаться под напряжением сети относительно «земли». Важно изолировать себя от «земли», чтобы исключить поражение электрическим током при случайном прикосновении к элементам устройства или его общей шине (общему проводу).
Монтажные работы следует производить вдали от заземляющих конструкций (водопроводных труб, радиаторов отопления) или принять необходимые меры, чтобы исключить случайное прикосновение к ним.
Заменять вышедшие из строя или «подозрительные» детали следует только после полного верифицируемого отключения устройства от сети.
Нельзя проверять исправность предохранителей в устройстве импульсного преобразователя напряжения, включенного в сеть, путем их замыкания.
Следует помнить, что переутомление, опьянение, повышенная потливость, сердечные и нервные заболевания при прочих равных условиях создают повышенную опасность тяжелого поражения электрическим током. Поэтому занимайтесь любимым делом, отдохнув, с воодушевлением (на то оно и любимое), и в хорошем настроении.
И все у вас получится.
Предостережение о мерах личной безопасности
Перед выполнением регулировочных операций под напряжением необходимо принять следующие меры предосторожности:
1. Установить разделительный трансформатор в цепи питания переменного тока.
2. Убедиться, что сетевое напряжение в пределах -230 В ± 10 %, 50 Гц.
3. Перед подключением сетевой вилки убедиться, что кнопка включения устройства находится в положении «выключено».
Категорически запрещается во время проведения регулировочных и ремонтных работ непосредственно на печатных или монтажных платах «разрывать» или «замыкать» какие-либо элементы в электрической цепи при включенном в сеть источнике питания, а также работать в состоянии алкогольного или иного опьянения.
Всегда помните, что вы еще нужны вашим детям!
Глава 1
Импульсные источники питания бытовой и специальной радиоаппаратуры
1.1. Принципы схемотехники импульсных источников питания
Каждое электронное устройство оснащено источником электропитания. Специфика исполнения источника и его технические параметры определяются общесистемными требованиями к устройству в целом и условиями его эксплуатации. В общем случае источники вторичного электропитания — это преобразователи первичной энергии в энергию, пригодную для работы устройства, наделенного определенными пользовательскими функциями. Дополнительной, часто, безусловно, необходимой функцией источника электропитания может быть обеспечение гальванической развязки между источником первичного напряжения и нагрузочными цепями.
Тип приборов под общим названием «источники питания» объединяет множество устройств. К их числу относятся как простые, на первый взгляд, электрохимические элементы с заданными характеристиками для переносных приборов, так и достаточно сложные, стационарные преобразователи энергии. Последние выполнены на основе узлов, способных осуществлять различные виды подстроек и регулировок для защиты от внешних и внутренних дестабилизирующих факторов.
Качество работы и временная стабильность параметров источника питания зачастую являются определяющими факторами работоспособности прибора в целом; в данной книге этому важному вопросу посвящен специальный раздел. Именно поэтому при проверке технических характеристик того или иного устройства источнику питания следует уделять особое внимание.
В XXI веке уже произошла замена традиционных источников питания стационарного оборудования на основе силовых трансформаторов, функционирующих на частоте питающей сети, импульсных источников питания, или так называемых бестрансформаторных преобразователей первичного сетевого напряжения. Принцип их действия основан на преобразовании исходного первичного напряжения низкой частоты (десятки герц) питающей промышленной сети в более высокочастотные колебания (несколько десятков килогерц) с последующей трансформацией. Сегодня преобразователи подобного типа составляют большинство источников вторичного электропитания устройств как бытового, так и промышленного назначения.
1.1.1. Схемотехника цепей ИИП
Переход на использование преимущественно импульсных источников питания обусловлен рядом технических и экономических факторов, наиболее важными из которых являются следующие:
• источники бестрансформаторного питания мощностью до 1000 Вт имеют существенно более высокие массогабаритные характеристики по сравнению с аналогами, изготовленными на основе сетевых трансформаторов;
• обмотки трансформаторов ВЧ-колебаний ИБП имеют более высокую плотность тока, при их изготовлении используется гораздо меньше цветного металла, что приводит к снижению затрат на производство и на исходные материалы;
• высокая индукция насыщения и малые удельные потери материалов сердечников ВЧ-трансформаторов позволяют создавать ИБП с общим КПД, превышающим 80 %, что в обычных источниках почти недостижимо;
• широкие возможности по автоматической регулировке номиналов выходных вторичных напряжений посредством воздействия на первичные цепи ВЧ-преобразователя.
Рассмотрим несколько примеров структурных схем построения ИИП в сети 220 В, 50 Гц.
Блок-схема электронных узлов импульсного источника питания с несколькими выходными напряжениями представлена на рис. 1.1.
Выпрямленное, отфильтрованное и стабилизированное напряжение подается в нагрузку с выхода вторичных цепей источника питания. В импульсных источниках для бытовой радиоаппаратуры во вторичной цепи формируются четыре номинала постоянных напряжений и особый служебный сигнал «питание в норме». Мы рассмотрим его в следующих разделах. Оригинальное наименование этого сигнала — POWERGOOD, или сокращенно PG.
