[ Б А К А Л А В Р И А Т
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ИСТОЧНИКОВ
ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
ЭЛЕКТРОННОЙ
АППАРАТУРЫ
Под редакцией доктора технических наук,
профессора В.А. Шахнова
Четвертое издание, переработанное и дополненное
Рекомендовано УМО вузов Российской Федерации
по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям «Проектирование и технология радиоэлектронных средств»
и «Проектирование и технология электронно-вычислительных средств»
направления «Проектирование и технология электронных средств»
КНОРУС • МОСКВА • УДК 621.314(075.8) ББК 31.264.5я П Рецензенты:
С.Б. Беневоленский, заведующий кафедрой «Электроника и информатика»
«МАТИ» — РГТУ им К.Э. Циолковского, д-р техн. наук, проф., В.Д. Шашурин, заведующий кафедрой «Технологии приборостроения» Московского государственного технического универститета им. Н.Э. Баумана, д-р техн.
наук, проф.
Проектирование источников электропитания электронной П79 аппаратуры : учебное пособие / О.К. Березин, В.Г. Костиков, Е.М. Парфенов и др. ; под ред. В. А. Шахнова. — 4-е изд., перераб.
и доп. — М. : КНОРУС, 2013.— 532 с.
ISBN 978-5-406-00230- Рассмотрены вопросы схемотехнического и конструкторского проектирования низковольтных и высоковольтных источников электропитания электронной аппаратуры различного назначения, а также их особенности, определяемые характеристиками систем автономного электроснабжения, характером нагрузки и условиями эксплуатации. Приведены справочные данные для курсового и дипломного проектирования.
Четвертое издание дополнено результатами исследований и разработок источников электропитания на базе полевых и биполярных транзисторов с изолированным затвором, примерами расчетов.
Содержание учебного пособия соответствует курсу лекций, который авторы читают в МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Для студентов, изучающих электротехнику, электронику и конструкторское проектирование электронной аппаратуры.
УДК 621.314(075.8) ББК 31.264.5я Березин Олег Константинович, Костиков Владимир Григорьевич, Парфенов Евгений Михайлович, Скрипко Анатолий Афанасьевич, Шахнов Вадим Анатольевич
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
Сертификат соответствия № РОСС RU. АЕ51. Н 16208 от 04.06.2012.Изд. № 6756. Формат 6090/16.
Гарнитура «PetersburgC». Печать офсетная.
Усл. печ. л. 33,5. Уч.-изд. л. 31,0. Тираж 200 экз. Заказ № 6239.
ООО «КноРус».
127015, Москва, ул. Новодмитровская, д. 5а, стр. 1.
Тел.: (495) 741-46-28.
E mail: [email protected] http://www.knorus.ru Отпечатано в ОАО «ИПК «Ульяновский Дом печати».
432980, г. Ульяновск, ул. Гончарова, 14.
© Коллектив авторов, ISBN 978-5-406-00230-8 © ООО «КноРус», Бывшим, настоящим и будущим студентам Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана посвящается
ПРЕДИСЛОВИЕ
Электроника, электронные средства и электронная аппаратура широко используются во всех сферах деятельности человека. Быто вая техника, транспорт, системы автоматизированного проектиро вания и производства, здравоохранение, оборонная техника, кос мос – далеко не полный перечень возможного использования элек тронной аппаратуры (ЭА). Столь широкое распространение ЭА определяет большой объем технических, эксплуатационных и эко номических требований как к ней самой, так и к ее составным узлам и устройствам. Одним из таких устройств, входящих практически во все виды ЭА, является источник электропитания. Только правиль но спроектированный и сконструированный источник электропита ния способен обеспечить нормальную работу ЭА на всех этапах ее жизненного цикла.Согласно государственным стандартам, источник электропи тания (ИЭП) – устройство, преобразующее поступающие от сис темы электроснабжения в ЭА напряжение и ток до оговоренных в технической документации номиналов, показателей стабильности и надежности. Источники электропитания, использующие хими коэлектрические гальванические элементы, электрохимические аккумуляторы, биохимические и биологические элементы, атом ноэлектрические устройства, в книге не рассматриваются ввиду специфичности их проектирования.
В учебнике отражены современные тенденции схемотехниче ской и конструкторской разработки ИЭП с использованием совре менной элементной базы. Приведены наиболее общие сведения по этим проблемам, по мнению авторов, достаточные для схемотехни ков, конструкторов и технологов. Содержание книги основано на ре зультатах исследований и разработок, выполненных авторами на предприятиях радиопромышленности, а также на учебных курсах «Источники электропитания РЭС» и «Источники электропитания ЭВС», которые авторы читают студентам МГТУ им. Н.Э. Баумана, проходящим подготовку по направлению «Проектирование и техно логия электронных средств» и специальностям «Проектирование и технология электронновычислительных средств» и «Проектирова ние и технология радиоэлектронных средств».
Следует отметить, что под термином «электронная аппаратура»
авторами подразумевается любой вид радиоэлектронной, электрон новычислительной и управляющей аппаратуры, построенной с ис пользованием полупроводниковой и микроэлектронной элементной базы. В современной учебной и научнотехнической литературе ши роко применяются термины «радиоэлектронная аппаратура», «ком пьютер», «электронная вычислительная машина – ЭВМ», «элект ронновычислительная аппаратура – ЭВА», «электронновычисли тельные средства – ЭВС», «радиоэлектронные средства – РЭС».
Принципиальных различий между этими терминами с точки зрения конструкторскосхемотехнического проектирования нет. Поэтому в дальнейшем изложении авторы используют термин «электронная аппаратура» (ЭА).
Используемые в ЭА полупроводниковые приборы, интеграль ные микросхемы, конденсаторы, резисторы, реле и другие компо ненты в научнотехнической литературе также называются пораз ному: элементы, компоненты, электрорадиоэлементы – ЭРЭ. Прин ципиальных отличий между этими терминами, по мнению авторов, также нет. В предлагаемой вниманию читателя книге отдается пред почтение термину «компонент».
Учебное пособие рассчитано на студентов, изучающих элект ротехнику, электронику, конструкторское проектирование ЭА и др.
Ограниченный объем не позволил охватить все вопросы, связан ные с созданием ИЭП, в частности, не рассмотрен столь важный раз дел, как организация производства ИЭП и обеспечение их качества в процессе производства. Эти проблемы достаточно подробно при ведены в учебнометодической и технической литературе по ЭА.
Выражаем благодарность сотрудникам кафедры «Проектиро вание и технология производства электронной аппаратуры» МГТУ им. Н.Э. Баумана, оказавшим помощь в подготовке издания, а также рецензентам: кафедре «Конструирование и технология радиоэлек тронных средств» Московского государственноего авиационнотехнологического университета (МГАТУ—МАТИ) (зав. кафедрой — доктор технических наук, профессор С.Б. Беневоленский) и кафедре «Технологии приборостроения» Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (зав. кафедрой — доктор технических наук, профессор Шашурин В.Д.).
Авторы будут признательны читателям за все замечания по содержанию учебного пособия, которые просим направлять по адресу:
129110, Москва, ул. Большая Переяславская, 46, стр. 7, ООО «Издательство КноРус».
АБ — аккумуляторная батарея АБЭ — агрегат бесперебойного электроснабжения AM — амплитудная модуляция БНК — базовая несущая конструкция БТИЗ — биполярный транзистор с изолированным затвором ВАХ — вольт-амперная характеристика ВИЭП — высоковольтный источник электропитания ВТВМ — высоковольтный трансформаторно-выпрямительный модуль ГОМ — генератор отбора мощности ГТИ — генератор тактовых импульсов ДП — диагностические параметры ЗИП — запасные инструмент и приборы (запасные детали и комплектующие изделия) ИМС — интегральная микросхема ИОН — источник опорного напряжения ИОУ — идеальный операционный усилитель ИС — интегральная схема (микросхема) ИШИМ — интегральная широтно-импульсная модуляция ИЭП — источник электропитания КПП — коммутационная печатная плата МДП — полупроводниковая структура металл — диэлектрик — полупроводник МОП — полупроводниковая структура металл — окисел — полупроводник МП — микропроцессор МПК — микропроцессорный контроллер ОТД — объект технического диагностирования ОУ — операционный усилитель ПЭВМ — персональная ЭВМ РЛС — радиолокационная станция РЭС — радиоэлектронное средство РУ — регулирующее устройство САЭС — система автономного электроснабжения СВЧ — сверхвысокая частота СТД — система технического диагностирования СЭП — система электропитания ТВМ — трансформаторно-выпрямительный модуль ТД — техническое диагностирование ТКН — температурный коэффициент напряжения ТТЛ — транзисторно-транзисторная логика ТЭЗ — типовой элемент замены УОС — устройство обратной связи УПТ — усилитель постоянного тока ФИМ — фазоимпульсная модуляция ФК — функциональный контроль ФРП — фильтр радиопомех ЧИМ — частотно-импульсная модуляция ЧШИМ — частотно-широтно-импульсная модуляция ШИМ — широтно-импульсная модуляция ЭА — электронная аппаратура ЭВС — электронно-вычислительное средство ЭЛТ — электронно-лучевая трубка ЭМС — электромагнитная совместимость ЭРИ — электрорадиоизделия
ВВЕДЕНИЕ
Электронная аппаратура (ЭА), в основу функционирования ко торой положены принципы электроники, строится на базе электрон ных компонентов различного назначения (микросхем, резисторов, конденсаторов и др.) с помощью коммутационных (печатных) плат, разъемных и неразъемных соединений, несущей конструкции и т. п.В зависимости от функциональной сложности ЭА различают следующие уровни ее разукрупнения: электронная система, элек тронный комплекс, электронный блок, электронный функциональ ный узел. Для разных видов и уровней ЭА требуется создание раз личных по схемотехническим и конструкторским решениям источ ников электропитания (ИЭП).
За прошедшие более чем 100 лет с момента появления первого электронного аппарата (радио А.С. Попова) до наших дней сменилось несколько поколений ЭА, имеющих принципиальные отличия друг от друга по функциональным возможностям, применяемой компо нентной базе, конструктивнотехнологическим решениям и т. п. Это в равной мере относится как к радиоэлектронной аппаратуре бытового назначения, так и к системам управления сложными техническими объектами, такими как воздушные лайнеры, космические аппараты и др. Однако в каждом из видов ЭА, будь то вычислительная машина или калькулятор, CDпроигрыватель или радиолокационная стан ция, узел управления холодильником или электрокардиографом, имеется система, устройство или компонент, выполняющие одну и ту же функцию: обеспечение электропитанием всех входящих в данную аппаратуру компонентов (электронных ламп, транзисторов, микро схем и др.). Поэтому ИЭП в полной мере можно назвать самым массо вым узлом современной ЭА. Кроме того, разные типы ИЭП, серийно выпускаемые промышленностью, могут применяться для энерго снабжения различных видов ЭА, что позволяет назвать их одним из самых унифицированных узлов современной ЭА.
Наличие в той или иной ЭА, какой бы сложной она ни была, ис точника электропитания настолько очевидно, что на общей функ циональной электрической схеме этой аппаратуры он зачастую не указывается. При этом оговаривается лишь перечень номиналов на пряжений, мощность по выходу каждого канала и стабильность (если это необходимо). А между тем любая ЭА или средство, даже если они состоят только из одного транзистора, требуют очень вни мательного отношения к ИЭП.
При создании ЭА определенного класса и назначения (элект ронновычислительная, медицинская и бытовая электронная техни ка, средства автоматизации) источник или система электропитания могут быть подобраны из серийно выпускаемых промышленностью унифицированных ИЭП. В некоторых странах, в том числе и в Рос сии, существуют фирмы, специализирующиеся на промышленном выпуске ИЭП, и потребитель может выбрать наиболее ему подходя щий. Однако, если по эксплуатационным, конструктивным или дру гим соображениям серийно выпускаемые ИЭП не удовлетворяют потребителя, необходимо разработать новый ИЭП с учетом всех правил и ограничений, специфичных для этого вида ЭА.
Если рассматривать ЭА как устройство, потребляющее электри ческую энергию, то в общем виде оно может состоять из двух частей:
системы или источника электропитания и нагрузки. Если ЭА разме щается на подвижном объекте, то в ее состав входит также система ав тономного электроснабжения, которая преобразует различные виды энергии (механическую, тепловую, световую, химических реакций и др.) в электрическую. Система электропитания обеспечивает по за данной программе электропитанием все цепи ЭА, а источники элек тропитания – отдельные цепи или самостоятельные приборы.
Системы и источники электропитания содержат функциональные узлы, которые в зависимости от назначения выполняют функции вы прямления, фильтрации, усиления, стабилизации, защиты, коммута ции, сигнализации и др. В зависимости от качества выходного напряже ния различают стабилизирующие и нестабилизирующие ИЭП. Стаби лизирующие ИЭП обеспечивают постоянство выходного напряжения на заданном уровне при воздействии, например, изменений входного напряжения, выходного тока, температуры окружающей среды и др.
В их состав входит функциональный узел, осуществляющий стабили зацию выходного напряжения. В нестабилизирующих ИЭП функцио нальный узел стабилизации напряжения отсутствует.
Важной задачей при разработке ЭА является снижение массы и габаритных размеров ИЭП. Это достигается выбором принципа их действия, схемы, режима работы, элементной базы, конструкции.
Конструктивное исполнение ИЭП определяет технологию его изго товления. Таким образом, при создании ИЭП перед разработчиком стоит ряд взаимосвязанных задач, которые зависят от его знания особенностей работы ИЭП, путей выбора рациональных схемного и конструктивных исполнений с заданными параметрами для задан ных условий эксплуатации.
Развитие микроэлектроники оказало существенное влияние и на ИЭП: ужесточились требования к стабильности номинальных значений напряжений и токов, намного уменьшились масса и габа ритные размеры, повысились требования по надежности, безопасно сти, экономичности. Комплексному рассмотрению вопросов схемо технического и конструкторского проектирования как основных в общем процессе создания источников электропитания ЭА и посвя щено предлагаемое учебное пособие.
«