Графический дисплей

Введение

Целью данной работы является проектирование низковольтного малогабаритного зарядного устройства.

Устройства, предназначенные для снабжения электрической энергией потребите-лей, называются источниками питания (ИП). Все ИП условно можно разделить на две большие группы:

– первичные;

– вторичные.

Первичный источник питания (ПИП) является преобразователем одного из видов неэлектрической энергии в электрическую. К ПИП относятся электрогенераторы, хими-ческие источники тока, солнечные батареи и т. д.

Электроэнергия, вырабатываемая ПИП, не всегда может быть непосредственно использована для питания потребителя (нагрузки). Несоответствие рода тока, частоты или уровня напряжения ПИП требованиям нагрузки вынуждает устанавливать между ними преобразователи электрической энергии (согласующие устройства), которые при-водят энергию ПИП к величине и виду, необходимым нагрузке. Такие промежуточные преобразователи получили название вторичных источников питания (ВИП) или источни-ков вторичного электропитания (ИВЭП). Таким образом, ИВЭП непосредственно не вы-рабатывают электроэнергию, они ее лишь преобразуют, при этом преобразование мо-жет идти не по одному каналу (не на одну нагрузку), а сразу по нескольким каналам (многоканальные ИВЭП).

Одними из важнейших показателей современных ИВЭП для радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) являются масса и габариты. Особенно важна миниатюризация ИВЭП, предназначенных для работы на различных видов летательных аппаратах, переносных и подвижных установках. Кроме того, массогабаритные показатели косвенно определя-ют коэффициент полезного действия (КПД) и надежность устройства и могут служить достаточно обоснованным и наиболее общим критерием для выбора и сравнения лю-бых ИВЭП.

Большое влияние на массогабариты ИВЭП оказывает и КПД нагрузки. Учитывая, что КПД нагрузки в большинстве случав составляет 0,6 … 0,7, и что в реальных услови-ях он вряд ли будет выше 0,7 … 0,75, ИВЭП будет иметь размеры меньше нагрузки только при его КПД порядка 0,85 и более, что достигается совсем не элементарно.

При этом развитие современной микроэлектроники обуславливает непрерывные попытки микроминиатюризации нагрузки. Микроэлектронные приборы и устройства по-стоянно и существенно изменяются качественно, неуклонно усложняются их функции, расширяется круг их возможностей и решаемых ими задач, повышаются требования к точности их выходных параметров, увеличивается и потребляемая мощность. Поэтому неуклонно усложняются и ужесточаются требования, предъявляемые к ИВЭП.

Современная радиоаппаратура нередко требует для своей нормальной работы до 20 номиналов напряжений, в основном постоянного тока. Здесь требуются, как пра-вило, низковольтные и сильноточные ИП с достаточно высокой степенью стабилизации. Большое внимание уделяется таким вопросам, как динамика ИВЭП, защита нагрузки и ПИП от аварийных режимов и некорректного использования. Дополнительные трудности в построении современных ИВЭП вызывают жесткие требования к уровню пульсаций выходных напряжений и пульсациям, наводимым в питающую сеть, а также обязатель-ное требование гальванической развязки входных и выходных цепей.

Современные переносные и карманные радиоприемники, как правило, рассчита-ны на питание от любого источника со стабилизированным напряжением 3 … 5 В и до-пустимым током до 0,2 А. Такое же напряжение необходимо и для питания многих дру-гих устройств. Однако стационарный источник питания не всегда может заменить акку-мулятор. Для зарядки же аккумуляторов требуются низковольтные зарядные устройства.

Выпрямительные устройства, или выпрямители, являются одними из самых рас-пространенных функциональных блоков систем электропитания постоянного тока и за-рядных устройств. Применение выпрямителей открыло возможность создания заряд-ных устройств с широким токовым диапазоном. Выпрямительные зарядные устройства имеют свои специфические особенности, связанные с обеспечением жестких пределов регулируемого напряжения и номинальных режимов работы полупроводниковых прибо-ров, с трудностями выбора систем управления регулирующими устройствами и т. д.

Низкие напряжения, малые токи нагрузки и необходимость обеспечить малые пульсации напряжения и тока в нагрузке создали сложности получения высокого КПД и малых габаритов низковольтных зарядных устройств. Стремление получить малогаба-ритные зарядные устройства заставило изменить сложившийся десятилетиями взгляд на них как на элементарное сочетание простейших компонентов: трансформаторов, вы-прямителей, сглаживающих фильтров и стабилизаторов непрерывного действия. По-требовался переход в построении ИВЭП на качественно новый уровень, соответствую-щий современным условиям.

1 Теоретическая часть

1.1 Обзор направлений решения структурных задач ИВЭП

На современном этапе выделяются несколько основных направлений решения структурных задач ИВЭП. Одним из таких направлений является совмещение несколь-ких функций в одном структурном элементе: преобразование энергии и стабилизацию, преобразование и сглаживание пульсаций, преобразование и защиту. Другим направле-нием можно считать исключение отдельных звеньев структуры из преобразовательного тракта. Сюда можно отнести и схемы с совмещением функций, и непосредственно с ис-ключением элементов, например, сетевого трансформатора. Находит применение и структура, где последовательно включаются несколько стабилизирующих звеньев, на-пример, импульсный стабилизатор для предварительной стабилизации (для повышения КПД системы) и непрерывный стабилизатор (для повышения стабильности и снижения пульсаций напряжения в нагрузке). Такие схемы находят применение при значительных колебаниях напряжения питания и потребляемого тока.

Дальнейшее развитие структуры с последовательным включением звеньев при-вело к децентрализации отдельных схем ИВЭП. Маломощные ИВЭП, распределенные по каналам нагрузки, позволяют обеспечить необходимую стабильность, а также вклю-чение и отключение отдельных цепей нагрузки и их защиту, обеспечивая при этом се-лективность защиты. Появление специализированных непрерывных стабилизаторов в интегральном исполнении в виде единого электронного блока дало возможность распо-лагать их в непосредственной близости к нагрузке, что позволяет создавать разветвлен-ную и рассредоточенную по объему аппаратуры систему параллельных электрических каналов стабилизации. Такое построение ИВЭП позволяет не только улучшить его каче-ственные показатели, повысить помехоустойчивость и электрическую развязку узлов на-грузки по питанию, но и снизить уровни мощности в каждом канале, т. е. создать условия для более широкого использования в них интегральных схем. Кроме того, децентрали-зация ИВЭП способствует рассредоточению мощности тепловых потерь по возможно большей площади. С учетом предварительной импульсной стабилизации становится возможным использование интегральных стабилизаторов в качестве активных фильт-ров, что облегчает миниатюризацию за счет замены реактивных элементов микросхе-мами.

Одним из основных приемов структурного построения в последнее время стало дробление элементов и узлов ИВЭП на менее мощные с различными способами их со-единения между собой, что позволяет значительно повысить частоту работы, снизить массогабариты и улучшить характеристики ИВЭП.

Одним из современных способов структурного решения задачи миниатюризации является способ разделения всего ИВЭП на два блока, где мощный нерегулируемый блок передает в нагрузку большую часть мощности. Его выход «подвешен» относитель-но общей шины через стабилизированный преобразователь, осуществляющий регули-рование напряжения на нагрузке. КПД устройства составляет 0,9 … 0,95. В отечествен-ной литературе этот способ получил название «стабилизация с помощью вольтдобав-ки».

Одним их важнейших направлений оптимизации структур ИВЭП является созда-ние условий для реализации всех узлов методами микроэлектроники и силовой инте-гральной техники. Это возможно при использовании новых элементов, высоких напря-жений, многофазных и ячейковых структур совместно с оптимальной децентрализацией, что позволяет снизить токи и уровни мощности в каждом канале и упростить условия для использования интегральных микросхем или создания на их основе микромодулей. Целесообразно уменьшать мощность отдельных устройств путем дробления еще и по-тому, что уменьшение размеров конструкции увеличивает отношение поверхности к объему, а это способствует повышению теплоотдачи, т. е. снижению удельной мощно-сти ИВЭП.

1.2 Выбор и обоснование структурной схемы

Задача построения низковольтного зарядного устройства с заданными характери-стиками может быть решена несколькими способами.

На рисунке 1 представлена структурная схема ИВЭП с бестрансформаторным входом.

Рисунок 1 - Структурная схема зарядного устройства с бестрансформаторным входом

Здесь напряжение сети вначале выпрямляется мостовым выпрямителем (кото-рый можно подключить непосредственно в сеть) и предварительно (грубо) фильтруется. Затем это напряжение поступает на инвертор с трансформатором, работающий на вы-сокой частоте. Пониженное напряжение выпрямляется вторым выпрямителем и фильт-руется выходным фильтром. Стабилизация выходного напряжения осуществляется в инверторе с помощью широтно-импульсного регулирования.

Из-за высокого напряжения сети и малой потребляемой мощности потери в вы-прямителе В1 оказываются пренебрежимо малыми и он может быть реализован средст-вами микроэлектроники. При малом нагрузочном токе входным фильтром Ф1 может быть всего один конденсатор