Главная » Книги и журналы

1 ... 18 19 20 21 22

лял 25 см а объем элементов фильтра на выходе источника питания-24 см амплитуда пульсации выходного напряжения ие превышала 20 мВ при токе нагрузки 8 А, выходное напряжение источника питания равно 6 В, его к.п.д.- 82%.

Выполнение инвертора по схеме с выводом нулевой точки первичной обмотки трансформатора (рис. 10-9) требует использования в ИВЭ высоковольтных транзисторов с допустимым напряжением между эмиттером и коллектором, примерно равным 700-1000 В. Это является одним нз недостатков таких устройств, заметно ограничивающих область их практического применения.

Схема ИВЭ с бестрансформаторным входом, в которой в известной степени устранен отмеченный недостаток, приведена на рис. 10-10. Здесь высокочастотный инвертор выполнен в виде полумостового автогенератора с ненасыщающимся силовым трансфор-матором Тр и нелинейным насыщающимся дросселем ДН в базовых цепях силовых транзисторов. Такой инвертор характеризуется тем, что напряжение, приложенное к каждому из его транзисторов

f О mh- .

Рис. -10-10. Схема ИВЭ с бестрансформаторным входом, выполненного на базе полумостового нерегулируемого автогенератора.

72 или Гз, не превышает значения напряжения на входе инвертора, а габаритная мощность силового трансформатора оказывается наименьшей. В полумостовом инверторе отсутствует подмагничивание силового трансформатора постоянным током, поэтому дополнительное усложнение его~~схемы с целью исключения коммутационных перегрузок силовых транзисторов не- требуется. Возможная несимметрия схемы инвертора в этом случае приводит к различию в длительностях и амплитудах импульсов на обмотках силового трансформатора и некоторому увеличению уровня пульсаций выходного напряжения ИВЭ.

Состояние насыщения каждого из силовых транзисторов обеспечивается током базовых обмоток , расположенлых на сило-

BOM трансформаторе. В момент насыщения нелинейного дросселя ДН к базе ранее' открытого транзистора прикладывается запирающее смещение от обмотки Шос, в результате чего этот транзистор закрывается, происходят переключение транзисторов инвертора и смена полярности его выходного напряжения. Цепочка Ri, Cs, Ди служит для начального запуска инвертора.

Ко вторичной обмотке силового трансформатора W2 подключен выпрямитель с фильтром (Дю, Ди, Се, Дрг, С?), который преобразует переменное напряжение прямоугольной формы повышенной частоты в требуемое для питания радиоэлектронной аппаратуры напряжение постоянного тока. Напряжение на входе инвертора стабилизируется с помощью импульсного стабилизатора с регулирующим транзистором Ti и сглаживающим фильтром Др1, Сз, Ct. Последние выполняют также роль емкостного делителя напряжения, включенного в одно из плеч полумостового инвертора.

Схема управления регулирующим транзистором импульсного стабилизатора состоит из двух функциональных узлов СУ, и СУ2, электрически изолированных один от другого с помощью оптрона, состоящего из излучающего диода ИД и фотодиода ФД. Каждый из указанных узлов получает питание от изолированных источников, образованных дополнительными выпрямителями, подключенными к вспомогательным обмоткам силового трансформатора (на рис. 10-10 выпрямители не показаны, чтобы не усложнять ИВЭ).

Узел СУ; содержит в своем составе делитель напряжения, источник опорного напряжения, усилитель постоянного тока в интегральном исполнении и транзисторный каскад в режиме переключения, нагрузкой которого является излучающий диод ИД. Узел СУ2 состоит из усилителя постоянного тока в' интегральном исполнении, работающего в режиме большого сигнала, и эмиттерного повторителя на транзисторах разного типа проводимости, кото1)Ый управляет регулирующим транзистором Т,. Цепочка R С2, Д^ служит для облегчения начального запуска импульсного стабилизатора. Стабилитрон Да ограничивает напряжение на входе инвертора в момент его запуска; в установившемся режиме ток через цепочку Rl, С% Дг и стабилитрон Дд не протекает.

Основные параметры разработанного ИВЭ: напряжение пита- ния 200-240 В; частота' переменного напряжения О-400 Гц; частота переключения Т, 20 кГц; частота переменного напряжения на выходе Тр 10 Krrf; выходное напряжение 6,0±0,1 В; ток нагрузки О-12,5 А; амплитуда пульсаций выходного напряжения, не более 50 мВ; объем ИВЭ 225 см; масса 650 г; к.п.Д. 80%; Сз=С4= =2,2 мкФ; Сб=50 мкФ; С7=100 мкФ.

Источник вторичного электропитания выполнен на бескорпусных дрейфовых транзисторах типа КТ809 и бескорпусных импульсных диодах, размещенных на керамической подложке.

Функции стабилизации выходного напряжения и преобразования напряжения постоянного тока в напряжение переменного с последующим обратным преобразованием могут быть совмещены в регулируемых преобразователях постоянного тока, выполненных на базе регулируемых высокочастотных инверторов. В качестве примера на рис. 10-11 приведена схема ИВЭ радиоэлектронной аппаратуры с бестрансформаторным входом, выполненная на базе регулируемого полумостового инвертора.

Силовая часть данного ИВЭ содержит мостовой выпрямитель (Д1-Д4), фильтр Сь Дри Cs, Сз, регулируемый инвертор с независимым возбуждением на транзисторах Т, и Тг, выполненный по

полумостовой схеме (конденсаторы и Сз выполняют не только роль конденсаторов фильтра, но и образуют одно из плеч инвертора), выходной выпрямитель Дз, Дэ с фильтром Др% Cg. Управление силовыми транзисторами инвертора осуществляется переменным напряжением прямоугольной формы с выхода внешнего задающего генератора Тр. В качестве последнего использован транзисторный автогенератор, выполненный по одной из схем, приведенных в гл. 8 настоящей книги.

Помимо указанных управляющих сигналов, обеспечивающих поочередное переключение транзисторов 7 i и Т^, к их базам относительно эмиттеров одновременно подаются запирающие сигналы с выходных обмоток Грз через диоды Д12, Д13 и резисторы R\s, Ris. Эти запирающие сигналы появляются в момент открывания транзистора Tj и вызывают одновременное закрывание обоих транзисторов Ti и Т2. С помощью изменения длительности открытого состояния транзистора Т-, можно осуществить регулирование длительности интервала, в течение которого оба транзистора в инверторе закрыты, и напряжение на выходной обмотке силового трансформатора равно нулю. При этом происходит регулирование или стабилизация выходного напряжения ИВЭ.

Регулирование напряжения на обмотке силового трансформатора с помошью изменения длительности открытого состояния транзистора Ту осуществляется ждущим мультивибратором на транзисторах Т^ и Tg,. синхронизируемым короткими импульсами с выхода задающего генератора через диод Дц- Управление мультивибратором осуществляет усилитель постоянного тока на транзисторах Гз и Тц. Ко входу усилителя (между базой и эмиттером Гз) приложена разность двухнапряжений - напряжения на нагрузке

Рис. 10-11. Схема ИВЭ с бестрансформаторным входом, влшолнен-ного на базе полумостового регулируемого инвертора с независимым возбуждением.

Rh и опорного напряжения, снимаемого с части резистора Rn, включенного менаду базой Т'з и общей минусовой шиной выходного напряжения: При увеличении выходного напряжения ИВЭ под воздействием какого-либо-дестабилизирующего фактора токи коллекторов транзисторов Гз и Г4 будут уменьшаться, при его уменьшении, наоборот, увеличиваться.

Изменение тока коллектора транзистора Г4 лриводит к соответствующему изменению скорости перезаряда конденсатора С7, определяющего длительность открытого состояния транзисторов Tj и Tj. Вследствие этого происходит обратное изменение выходного напряжения ИВЭ, в результате чего оно остается стабильным при различных возмущающих воздействиях - изменении тока нагрузки, изменении напряжения питания или температуры окружающей среды. Сравнительно низкое выходное напряжение (5 В) требует для создания источника опорного напряжения и питания усилителя постоянного тока принятия мер по повышению напряжения. В рассматриваемом устройстве питание указанных каскадов осуществляется от удвоителя напряжения на диодах Де, Дг и конденсаторах С4 и Се. Напряжение на выходе такого удвоителя (Се) примерно в 1,6-1,8 раза превышает напряжение на выходе ИВЭ.

Ос1ювные параметры данного ИВЭ: выходное напряжение 5 В; ток нагрузки 10 А; частота преобразования 10 кГц; относительная нестабильность выходного напряжения -1-0,8 и -1,5% при изменении напряжения питания соответственно на -Ь10 и -20 %i и -f 1% при изменении тока нагрузки от 10 до 1 А; к.п.д. составляет 65%; масса 3 кг; объем 2,5 дм.Источник вторичного электропитания выполнен на дискретных электрорадиоэлементах в.-их стандартных корпусах.

Рассмотренные в настоящем параграфе ИВЭ обладают следующими преимуществами.

1. Низкочастотные пульсации на выходе сетевого выпрямителя подавляются не с помощью громоздких низкочастотных реактивных фильтров (как в случае традиционных выпрямительных устройств), а посредством стабилизации выходного напряжения источника питания.

2. Данные устройства нечувствительны к частоте питающего напряжения и позволяют осуществлять питание одной и той же радиоэлектронной аппаратуры как от промышленной сети переменного тока с частотой 50 Гц, так и от специальных энергетических се-

- тей переменного тока с более высокими частотами (например, 400 Гц) что делает их более универсальными по сравнению с обыкновенными выпрямителями.

3. Для данных ИВЭ существует принципиальная возможность подключения их не только к питающей сети переменного тока, но и к автономному источнику постоянного тока без каких-либо коммутаций силовых цепей.

4. Масса и габариты подобных ИВЭ примерно в 2--4 раза меньше, .чем у традиционных выпрямительных устройств.

Поэтому, несмотря на значительную сложность ИВЭ с бестрансформаторным входом и дополнительные потери мощности в . каскаде высокочастотного пре&бразования энергии, такие устройства, по мнению специалистов, являются перспективными и в значительной степени позволяют решить задачу миниатюризации ИВЭ в случае питающей сети переменного тока, s

10-4. Миниатюризация элементной базы

источников вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры

Как было отмечено в § 10-1, элементная база ИВЭ в настоящее время значительно устарела и по своим массо-габаритным характеристикам не удовлетворяет современным требованиям. Мощные транзисторы, тиристоры и диоды, являющиеся основными типами полупроводниковых элементов, осуществляющих коммутацию токов и усиление мощности в преобразовательных устройствах, как правило, выполняются в тяжелых и громоздких корпусах явно устаревшей конструкции. Большое количество разнообразных дискретных электрорадиоэлементов, используемых в схемах управления мощными преобразовательными каскадами (импульсными и непрерывными стабилизаторами, инверторами, регуляторами переменного напряжения и регулируемыми выпрямителями), приводит к тому, что габариты и масса управляющих устройств также становятся значительными и в свою очередь увеличивают массу и габариты ИВЭ.

В настоящее время в ИВЭ радиоэлектронной аппаратуры, выполненных на дискретных электрорадиоэлементах, масса и объем полупроводниковых приборов составляют примерно 20-25% общей массы и объема данных устройств. Поэтому миниатюризация элементной базы должна рассматриваться как. важное средство при решении задачи миниатюризации ИВЭ.

Пути миниатюризации элементной базы ИВЭ>

1. Применение мощных полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов, тиристоров) в бескорпусном исполнении или в легких и плоских пластмассовых корпусах.

2. Использование интегральных микросхем широкого применения, в первую очередь, операционных усилителей, диодных матриц и сборо1{, транзисторных сборок и т. п., в цепях управления силовыми каскадами.

3. Разработка на базе бескорпусных мощных полупроводниковых приборов и практическое внедрение специальных микросхем, представляющих собой функционально законченные узлы ИВЭ, не содержащие силового трансформатора, дросселей и конденсаторов фильтров. К таким микросхемам следует отнести схемы управления Импульсных стабилизаторов, стабилизаторы иапряжения постоянного тока на различные напряжения и токи нагрузки, силовые диодные микросхемы для выпрямителей, маломощные задающие генераторы, а также малогабаритные силовые сборки, состоящие из мощных транзисторов и диодов в сочетаниях, характерных для ИВЭ радиоэлектронной аппаратуры.

Громоздкий и тяжелый .металлостеклянный корпус мощного полупроводникового прибора, обеспечивающий защиту полупроводниковой структуры от внешних воздействий и отвод тепла, выделяемого в ней в процессе ее работы, по своим массе и объему в десятки раз превосходит массу и объем самой полупроводниковой структуры, которая определяет все электрические характеристики данного прибора. Так, например, масса мощных транзисторов типов ГТ806А, ГТ806В, КТ803А, КТ805А, :КТ805Б, КТ908А, КТ908Б, КТ903А, КТ903Б и других им Подобных состав-

ляет 22-25 г, масса стандартного металлического накидного фланца - 10 г. В то же время собственно полупроводниковая структура данных транзисторов имеет массу, примерно равную 0,5 г. Габаритные размеры данных транзисторов и их полупроводниковой структуры приведены на рис. 10-12. Аналогичная картина имеет место для мощных диодов и тиристоров.

Переход от устаревших стандартных корпусов полупроводниковых приборов к более совершенным позволяет значительно уменьшить их массу и габариты. Так, например, применение облегченного металлостеклянного. корпуса из алюминияв транзисторах типа ГТ905А и ГТ905Б позволило уменьшить его массу до 4,5 г-(масса

. 1,0

п

Рис. 10-12. Сравнительные габаритные размеры силового дрейфового транзистора (я) и его полупроводниковой структуры ().

накидного фланца-1,5 г). Для сравнения масса широко применяемых транзисторов типов П213-П215, имеющих примерно те же электрические параметры, составляет 16,5 г., т. е. почти в 3,7 раза больше.

Наиболее заметен выигрыш в массе и габаритах полупроводниковых приборов иа примере перехода от -стандартных металлостек-лянньтх корпусов к пластмассовым. Так, например, масса силового выпрямительного диода типа КД213А [4] свставляет всего 4 г, объем, занимаемый этим диодом, равен 0,62 см, его максимальная высота -4 мм. Диоды типов Д214, Д215, Д242, Д243, 2Д201 и др., имеющие примерно те же электрические параметры, имеют массу 18 г, максимальную высоту 44 мм и занимают объем во много раз больший, чем диод КД213А. На рис. 10-13 приведен внешний вид сравниваемых диодов.

Еще больший эффект в части уменьшения массы и габаритов элементной базы ИВЭ радиоэлектронной аппаратуры дает переход к полупроводниковым приборам в бескорпусном исполнение При этом появляется реальная возможность объединения нескольких мощных полупроводниковых приборов в малогабаритных силовых сборках, а за счет выбора нх оптимальных электрических нагрузок удается значительно уменьшить потери мощности в полупроводниковых приборах.

В качестве примера в [30] произведено определение оптимал)}-ного числа параллельно включенных бескорпусных транзисторов типа КТ908А, входящих в малогабаритную сборку. Показано, что оптимальным является параллельное включение восьми идентичных полупроводниковых структур данного типа. При этом по сравнению с одиночным транзистором КТ908А для случая /j =10 А

падение напряжения в насыщенном состоянии уменьшалось до значения 0,16 вместо 0,6 В, требуемый ток базы уменьшался до 0,5 вместо 1,0 А, потери мощности в открытом состоянии (включая потери мощности в пепях управления) уменьшались до 2,6 вместо 8,0 Вт.

Описанная транзисторная сборка конструктивно выполнена на пластине из окиси бериллия а имеет размеры 34x34x5 мм. Для обеспечения, нормальной работы данной сборки при температуре окружающей среды --50°С (/j =10 А) требуется радиатор в виде металлической пластины размером 50x50x8 мм. В случае одиночного транзистора того же типа необходимая поверхность радиатора за счет возрастания потерь мощности в нем возрастает примерно в 3 раза.

Значительное улучшение энергетических характеристик- силовых полупроводниковых приборов неизбежно связано с затратами большого количества полупроводниковых приборов, -что является

о

Рис. 10-13. Сравнительные габаритные размеры мощного выпрямительного диода в стандартном корпусе {а) и аналогичного ему по своим электрическим параметрам диода в керамическом корпусе (б).

одним из недостатков данного направления миниатюризации современных ИВЭ радиоэлектронной аппаратуры. К другим недостаткам следует отнести необходимость герметизации бескорпусных элементов в силовой полупроводниковой сборке, решение вопроса о выборе подходящей теплопроводной подложки и соединения полупроводниковых приборов с этой подложкой, т. е. необходимость решения полного комплекса вопросов, связанных с технологией производства силовых гибридных микросхем частного применения.

Вообще следует отметить, что специальные микросхемы для ИВЭ в настоящее время находятся на начальном этапе своего развития. Электронной промышлейностью начато освоение выпус-

ка Низковольтных маломощных стабилизаторов напряжения постоянного тока непрерывного действия и схем управления импульсных стабилизаторов, силовых транзисторно-диодных и выпрямительных сборок, предназначенных для использования в силовых каскадах стабилизаторов, инверторов, регуляторов и преобразователей постоянного тока. Однако силовые полупроводниковые приборы и узлы ИВЭ в микросхемном исполнении на сегодняшний день являются остродефицитными и практически недоступными для широких масс разработчиков устройств электропитания и радиолюбителей.

10-5. Проблемы эффективного отвода тепла в источниках вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры

Вопросы охлаждения, силовых полупроводниковых приборов в ИВЭ радиоэлектронной аппаратуры всегда занимали важное место при разработке данных устройств. Для них характерны большое значение выделяемой мощности, повышенный нагрев силовых полупроводниковых приборов, сравнительно компактное расположение силовых элементов, широкий температурный диапазон работы.

До недавнего времени задача обеспечения допустимого тепло--вого режима электрорадиоэлементов в ИВЭ з основном решалась с помощью металлических радиаторов различной конструкции. На этих радиаторах размещаются мощные транзисторы, тиристоры, диоды, а в ряде случаев и силовые трансформаторы.

Радиаторы за счет лучеиспускания и естественной конвекции тепла передают тепловой поток от силовых элементов ИВЭ в окружающую среду и обеспечивают их эффективное охлаждение. Основ- ные конструкции радиаторов, получившие наиболее широкое применение на практике, показаны на рис. 10-14.

По мере миниатюризации элементной базы ИВЭ и перехода к высоким частотам преобразования в них электрической энергии относительная доля . массы и габаритов радиаторов в общей массе и габаритах ИВЭ будет возрастать. Это обусловлено тем, что, с одной стороны, уменьшаются размеры всех силовыГ элементов - трансформаторов, дросселей и конденсаторов фильтров, мощных полупроводниковых приборов, а с другой стороны, потери мощности в них остаются по-прежнему высокими. В результате этого размеры охлаждающих радиаторов сохраняются значительными, а сами радиаторы становятся тормозом на пути эффективной миниатюризации ИВЭ радиоэлектронной аппаратуры. В этом смысле возможности обычных радиаторов к настоящему времени полностью исчерпаны.

В мощных ИВЭ применяются также охлаждающие системы с движущимся теплоносителем, в которых по замкнутым контурам движется теплоноситель, передающий тепловую энергию от силовых элементов к внешним охлаждающим устройствам. Такие охлаждающие системы оказываются весьма сложными, содержат электродвигатели и насосы, потребляют сравнительно большую энергию для передвижения теплоносителя. Их, как правило, используют для охлаждения ИВЭ и радиоэлектронной аппаратуры сравнительно ограниченного круга специальных автономных объектов.

Задачи эффективного охлаждения и передачи тепловой энергии к внешним охлаждающим устройствам от силовых элементов и ИВЭ в целом весьма просто решаются с помощью'устройств, получивших название тепловых труб. В последнее время интерес специалистов к давно открытым (в начале XIX века) тепловым трубам резко возрос, и на сегодняшний день эта область теплотехники переживает период своего бурного развития. Основное преимущество тепловых труб, которому они обязаны своим интенсивным развитием, заключается в их практической изотермичности, т. е. неизменности температуры по всей длине данного устройства. Это свойство позволяет с их помощью передавать тепловую энергию

J

1 и т С1

Рис. 10-14. Основные конструкции теплоотводящих радиаторов, используемых в ИВЭ.

а - с двухсторонней ребристой ловерхностью; б - с односторонней ребристой поверхностью; в - односторонний игольчатый; г - состоящий из нескольких плоских пластин.

В любую требуемую точку объема, занимаемого аппаратурой. При такой передаче потери теплового потока ничтожны, а надежность и ресурсы работы тепловых труб значительно выше, чем у охлаждающих систем с движущимся теплоносителем.

Эффективная теплопроводность тепловых труб в десятки тысяч раз больше, чем теплопроводность таких металлов, как медь; серебро, алюминий. С их помощью можно передавать почти в 500 раз больш'е тепла на единицу массы, чем- это позволяют твердые теплопроводники при том- же поперечном сечении [31].

Тепловая труба (рис. 10-15) представляет собой герметично закрытый сосуд, по внутренним стенкам которого размещается наполнитель с капиллярной системой. Внутри такого устройства находится некоторое количество жидкого теплоносителя, (например, воды, спирта и т. п.). При нагреве одного из концов тепловой трубы внутри него происходит интенсивное испарение теплоносителя. Его пары через зону переноса (средний участок тепловой трубы, где практически не происходит теплообмена с окружающей средой) переносят тепловой поток от зоны нагрева (иначе эта зона называется зоной испарения) к зоне охлаждения или зоне конденсации. В последней происходит конденсация паров теплоносителя, сопровождающаяся отдачей тепла внешнему охладителю. Затем .теплоноситель по системе капилляров опять возвращается в зону испарения.

принципиально зона переноса в тепловой трубе, так- же как и внешний охладитель, может отсутствовать. В этом случае зона Конденсации будет отдавать тепловую энергию непосредственно в окружающую среду. Подключение внешнего радиатора к зоне конденсации позволяет значительно повысить эффективность охлаждения силовых полупроводниковых приборов и ИВЭ в целом. В ка-.честве внешнего. радиатора может быть использован корпус ИВЭ или корпус радиоэлектронного устройства, а в ряде случаев даже корпус всего объекта, содержащего в своем составе большое количество разнообразных радиоэлектронных и других устройств. При этом зона конденсации тепловой трубы соединяется с соответствующим корпусом, и через него осуществляется сброс выделяемого в аппаратуре тепла в окружающую среду.

Следует обратить внимание, что технология использования тепловых труб в современных ИВЭ радиоэлектронной аппаратуры в настоящее время находится на стадии начального изучения. По существу исследуются пар аметры первых опытных тепловых труб, изучаются возможности размещения на их поверхности мощных

Теплоизоляция

	ООО *-о - -О - -О - -о v,
		э-а- о-= о-э . Ч q с
		-*-0 - -Ю. -s-0 >

Металлический корпус

Наполнитель * с капиллярной системой

Зона нагреби оереиоса охлаждения

(зона испарения) (зона конденсации)

о-*. Направление тепломассрперенвссс

Рис. 10-15. Схематическое изображение тепловой 1рубы в разрезе.

полупроводниковых приборов и электромагнитных элементов, исследуется поведение тепловых труб в различных условиях эксплуатации, изыскиваются их оптимальные конфигурации, отрабатывается технология их производства.

Наметившийся в настоящее фремя переход к малогабаритным и легким полупроводниковым приборам в бескорпусном исполнении в значительной степени позволит облегчить задачу практического использования тепловых труб в ИВЭ радиоэлектронной апарату-ры. Такие приборы можно приклеивать к поверхности тонкостенных тепловых труб с помощью электроизоляционных теплопроводящих клеев, обеспечивающих хороший тепловой контакт и электрическую изоляцию этих приборов от поверхности тепловой трубы. Широкое практическое использование тепловых труб в ближайшем будущем должно явиться важным средством комплексной миниатюризации силовых преобразовательных устройств- и в том числе ИВЭ радиоэлектронной аппаратуры.

1 ... 18 19 20 21 22