Рубрики
Электрическая сопоставимость

Эволюция импульсных источников питания: от прошедшего к будущему. Часть 1

Эволюция импульсных источников питания: от прошедшего к будущему. Часть 1 Саркис Эраносян Владимир Ланцов В данной статье в коротком изложении дается история развития импульсных источников

Эволюция импульсных источников питания: от прошедшего к будущему. Часть 1 Саркис Эраносян
Владимир Ланцов

В данной статье в коротком изложении дается история развития импульсных источников питания. Анализируются особенности построения импульсных источников питания по мере их развития: структуры блоков питания, схемотехнические решения, компонентная электрическая база, конструктивно-технологические решения. Обращается внимание на общие закономерности и подводятся итоги развития импульсных источников питания начиная с 1950 года. Подчеркивается, что неизменное улучшение характеристик блоков питания в части массо-габаритных характеристик, экономичности и надежности есть итог их исторического развития. Это стало может быть, в главном, благодаря применению в импульсных источниках питания более совершенных изделий электрической техники. Сформулированы выводы о тенденциях развития импульсных источников питания.

Все статьи цикла:

  • Эволюция импульсных источников питания: от прошедшего к будущему. Часть 1
  • Эволюция импульсных источников питания: от прошедшего к будущему. Часть 2
  • Эволюция импульсных источников питания: от прошедшего к будущему. Часть 3
  • Эволюция импульсных источников питания: от прошедшего к будущему. Часть 4
  • Эволюция импульсных источников вторичного электропитания: от прошедшего к будущему. Часть 5
  • Эволюция импульсных источников вторичного электропитания: от прошедшего к будущему. Часть 5.1
  • Эволюция импульсных источников вторичного электропитания: от прошедшего к будущему. Часть 5.2

В текущее время импульсные источники вторичного электропитания (ИВЭ) получили обширное распространение. Они занимают фактически 90% мирового рынка всех изготавливаемых ИВЭ. Преобладающее воздействие в этом направлении оказали и продолжают оказывать потребности бурно развивающихся отраслей: телекоммуникаций, компьютерной техники и компьютерных технологий, силовой электроники, автоматических систем управления технологическими процессами (АСУ ТП), различного промышленного оборудования и аппаратуры военного предназначения. Повсевременно улучшаются разные характеристики предназначения импульсных ИВЭ: вырастают выходная мощность, коэффициент полезного деяния (КПД), надежность, улучшаются и массо-габаритные характеристики, электрическая сопоставимость. А именно, в текущее время спектр выходных мощностей современных импульсных ИВЭ с сетевым входом (сокращенно ЛС/БС) составляет от 5-10 Вт до 5-10 кВт и поболее. Величина КПД реально добивается 70-90% зависимо от структуры (однотактные AC/DС либо двухтактные AС/DС) и типа первичного питания (однофазовая либо трехфазная сеть переменного тока). Наибольшие значения удельной мощности («энергетической плотности») рv по объему у AС/DС преобразователей составляют рv &#8805 250-500 Вт/дм3, а по массе — рm =200-400 Вт/кг.

Для анализа состояния импульсных ИВЭ и прогноза на будущее целенаправлено за ранее коротко ознакомиться с историей их развития. Главные этапы развития импульсных источников питания

Разглядим кратко эволюцию импульсных ИВЭ с момента их зарождения. При описании главных шагов развития импульсных источников основное внимание будет уделено эволюции российских ИВЭ, очевидцами и участниками которой были и создатели истинной статьи. Не считая того, при изложении материала более тщательно подвергнутся рассмотрению главные этапы развития AС/DС-преобразователей. Это связано с тем, что преобразователи неизменного напряжения в неизменное (DС/DС) — это составная часть AС/DС, а последние, в свою очередь, являются составной частью более сложных систем и источников электропитания, к примеру источников гарантированного либо бесперебойного питания. Для общности изложения оценку и приводимые примеры будем в основном соотносить с основной массой серийно выпускаемых (не заказных) AС/DС-преобразователей коммерческого и/либо промышленного предназначения с питанием от сети переменного тока напряжением ~220/230 В частоты 50/60 Гц. Сделав такое короткое введение, перебегаем к изложению главных шагов эволюции импульсных ИВЭ.

По инфы создателей, упоминания о неких видах импульсных ИВЭ (переключательных источниках питания, либо Switch Mode Power Supplies — SMPS), относятся к 1940-м годам [1]. В то время, а именно, в маломощных источниках с электропитанием от гальванических батарей и аккумов в качестве ключей употреблялся электрический прерыватель-вибратор. На его базе создавались вибрационные преобразователи (ВБ) [2]. ВБ рабо
тали от аккумов (напряжением до 24 В на мощность до 250 Вт) и от сети переменного тока (на мощность до 750 Вт). В большинстве случаев вибраторы изготавливались на частоту 100 Гц, но время от времени и на завышенную частоту (200-400 Гц). По собственной структуре ВБ представляли собой главные преобразователи либо инверторы, созданные для получения более высочайшего напряжения неизменного либо переменного тока. Естественно, их массо-габаритные характеристики и надежность были низкие. В то время радиоэлектронная аппаратура (РЭА), включая электронно-вычислительные машины (ЭВМ), была выполнена на электрических лампах. Аппаратура на лампах добивалась для собственного электропитания источники с напряжением в сотки вольт, но при сравнимо маленьких токах (10-ки миллиампер, время от времени единицы ампер). В 1950-х годах в источниках питания завышенной и большой мощности с фуррором использовались регуляторы и преобразователи на тиратронах, которые работали уже на завышенной частоте: сотки герц — единицы килогерц. Тиратрон — трехэлектродный управляемый ионный прибор дугового разряда с положительной пусковой чертой. В качестве диодов использовались селеновые и электровакуумные (кенотроны) выпрямители. В данном случае КПД, массо-габаритные характеристики и надежность также не были высочайшими.

После разработанного южноамериканским физиком Шокли [3] в 1953 году биполярного плоскостного транзистора и раскрытия «тайн» p-n-перехода полупроводникового прибора началась эра их массового внедрения. Благодаря этому в РЭА заместо электрических ламп стали все более обширно употребляться полупроводниковые транзисторы и диоды: сначала германиевые, а потом кремниевые. Применение полупроводниковых устройств потребовало конфигурации номенклатуры источников питания, которые обеспечивали бы на выходе низкие напряжения (до 60 В), но на огромные токи (единицы — 10-ки ампер). Развитие импульсных источников питания в 1950-1960 гг.

Более всераспространенные в этот период массивные германиевые PNP-транзисторы по технологии производства были сплавными. По характеристикам они были низковольтными (наибольшее неизменное напряжение коллектор — эмиттер UCE0 = -45.. .-60 В) и низкочастотными (граничная частота в схеме с общей базой, ОБ, — менее100-150 кГц). Величина наибольшего коллекторного тока LС составляла 5-15 А. Потому, не считая линейных стабилизаторов, они в главном использовались в понижающих импульсных (главных) стабилизаторах напряжения (КСН) и в преобразователях от сети 12-27 В. Из российских транзисторов тех пор укажем германиевые низкочастотные РЫР-транзисторы типа П210, П216, П217, также кремниевые транзисторы типа П302-П304 на напряжение 40-80 В и ток до 0,4 А [4]. Хотя эти транзисторы были универсальными, предназначенными в том числе и для использования в переключающих устройствах, все же, в справочных данных не приводились значения характеристик их быстродействия. Потому разработчику приходилось самому экспериментально определять характеристики быстродействия этих транзисторов.

Развязка от сетевого переменного напряжения ~115 В / ~220 (230) В частоты 50 (60, 400, 1000) Гц выполнялась при помощи низкочастотного сетевого трансформатора с следующим низковольтным выпрямителем (выпрямителями). Частота коммутации силового транзистора в сначало составляла 3-5 кГц. Импульсные стабилизаторы производились как релейного типа, так и по схеме с ШИМ либо частотным управлением. В схемах управления использовались маломощные дискретные транзисторы и диоды, также импульсные трансформаторы. На подвижных объектах специального предназначения (к примеру, в авиации и на флоте) для первичного электропитания применялось также сетевое напряжение ~115 В / ~220 (230) В завышенной частоты (400, 500, 1000 Гц), что позволяло существенно сделать лучше удельные массо-габаритные характеристики источников питания.

Для варианта блоков питания большой мощности в регулируемых выпрямителях и инверторах в качестве силовых ключей ранее употреблялся тиратрон [5]. Позже стали использовать сначала магнитные усилители, а потом тиристоры, которые могли коммутировать напряжения в сотки вольт и токи в единицы -десятки ампер и поболее. Это, естественно, было шагом вперед и позволяло создавать импульсные блоки питания с современной структурой: сетевой выпрямитель — инвертор — низковольтный выпрямитель. Главные недочеты преобразователей на тиристорах — это низкая частота переключения (менее единиц килогерц), непростая схема управления, из-за заморочек с запиранием при работе в звене неизменного тока, такж