Разработка импульсного источника питания

      1.3 Принцип работы стабилизированного  выпрямителя блока Т-27М ЗСУ-23-4М 

      Принцип работы стабилизатора рассмотрим на примере субблока У27-11 (приложение 2).

      Управление  регулирующей лампой осуществляется усилителем постоянного тока с собственным источником опорного напряжения (усилитель постоянного тока второй группы). Для получения опорного напряжения в схеме усилителе постоянного тока используется стабилитрон, который включён в катодную цепь лампы Л1. Конденсатор С2 шунтирует стабилитрон и уменьшает пульсации входного напряжения вследствие уменьшения внутреннего (динамического) сопротивления источника опорного напряжения.

      Для повышения стабильности усилителя  применена связь по входному напряжению через резистор R10. Потенциометром R7 делителя R6, R7, R8, R9 устанавливается требуемое выходное напряжение путём изменения смещения на управляющей сетке лампы Л1.

      Для повышения устойчивости схемы стабилизатора  напряжения к самовозбуждению на её выходе включён конденсатор С27-7. Схема электронного стабилизатора  работает следующим образом: регулирующая лампа, включённая последовательно с нагрузкой, выполняет роль переменного сопротивления, величина которого изменяется в зависимости от изменения выходного напряжения. Регулирование напряжения по управляющей сетке лампы Л10-1, а следовательно, и изменение величины её внутреннего сопротивления осуществляются автоматически через цепь обратной связи, в которую входит усилитель постоянного тока. При увеличении напряжения сети или уменьшении тока нагрузки возрастает потенциал на управляющей сетке и анодный ток лампы Л1. Увеличение анодного тока вызовет увеличение отрицательного напряжения на сетке регулирующей лампы, а следовательно, и падение напряжения на ней. Это падение напряжения увеличится настолько, насколько увеличилось напряжение на входе стабилизатора. В результате напряжение на выходе стабилизатора почти не изменяется. Аналогично понижение входного напряжения снизит падение напряжения на регулирующей лампе, а величина выходного напряжения практически не изменится.  
 

      1.4 Расчёт надёжности стабилизатора  напряжения блока Т-27М.

      Показатели надёжности и её расчёт 

      Надёжность  определяется как вероятность безотказной  работы P(t) в течении заданного промежутка времени t_p.

      

      Надежность  устройств электропитания является одним из важнейших эксплуатационных показателей. Под надежностью понимается способность устройств выполнять определенные функции и сохранять заданные характеристики в течение заданного времени в определенных условиях эксплуатации. Утрата этой способности называется отказом устройства.

      В зависимости от возникновения различают  внезапные (или полные) и постепенные (или допусковые) отказы. При внезапном  отказе устройства электропитания утрачивает свою способность выполнять заданные функции. При постепенном отказе происходит сравнительно медленной изменение характеристик  показателей устройства, в результате чего один или несколько показателей выходит за допустимые границы, хотя устройство продолжает функционировать.

      Таким образом, одно из основных свойств надежности – это безотказность в работе, то есть сохранение работоспособности в течение определенного времени работы без вынужденных перерывов.

      Отказ – это событие случайное, т. е. нельзя точно предсказать появление  отказа в любой интересующей нас  момент времени. Можно лишь говорить о вероятности появления отказа. Поэтому количественные характеристики надежности носят вероятностный характер.

         Рассмотрим некоторые из характеристик  надежности:

         Вероятность безотказной работы  P(t) определяется:

      

,

      где N – общие число одинаковых устройств, находящихся в эксплуатации;

      n(t) – число устройств, отказавших за время t.

      Для точного определения вероятности  безотказной работы  p(t) необходимо, чтобы выполнялось условие .

      Применительно к одному устройству физический смысл p(t) сводится к тому, что имеется 100 случаев из 100 возможных, что за время t устройство не откажет.

      Интенсивность отказов  определяется как

        

                                                                               1/ч,

        где  - число отказавших устройств на момент времени .

         Среднее время наработки на  отказ определяется по формуле:

      

      Во  многих случаях можно считать, что не зависит от времени. Поэтому интенсивность отказов является удобной характеристикой надежности, поскольку в отличие от p(t) она является не функцией, а некоторым числом. В тоже время, как вытекает из последнего соотношения, однозначно определяет вероятность безотказной работы:

      

      Устройство  электропитания состоит из связанных  компонентов (функциональных узлов, блоков, отдельных конструктивных элементов), каждый из которых имеет свои характеристики надежности и . В большинстве случаев у таких называемых не резервированных устройств полные отказы отдельных узлов, блоков и элементов приводят к отказу устройства электропитания в целом. При этом вероятность безотказной работы всего устройства будет определятся согласно выражению:

      

      Из  данного выражения следует, что  с ростом числа компонентов k вероятность безотказной работы p(t) весьма быстро уменьшается. Поэтому сложные многокомпонентные устройства электропитания могут иметь весьма низкую надежность, несмотря на высокую надежность отдельных компонентов.  

      Из  вышеуказанного следует, что для  обеспечения высокой надежности устройства электропитания в целом  при его проектировании необходимо использовать высоконадежные компоненты.

      Результаты расчёта надёжности стабилизатора напряжения блока Т-27М, произведенные в приложении Microsoft Excel, представлены в таблице 1.

      Из  полученных расчётов видно, что надёжность стабилизатора блока Т-27М достаточно низкая и вероятность безотказной работы на 10000 часов составляет 0,54.

 

       Таблица 1.

 

 

    Вывод

    Анализ  структуры и устройства вторичных  источников питания РЛС ЗСУ-23-4М  «Шилка» показывает, что их основу составляют линейные электронные стабилизированные  источники питания компенсационного типа. Несмотря на достаточно высокий коэффициент стабилизации, данные стабилизаторы обладают очень низкими КПД, долговечностью и надёжностью, тем не менее ни один из этапов модернизации не затронул системы вторичных источников электропитания.

    С целью повышения надёжности и  других характеристик целесообразно  электронные (ламповые) стабилизаторы  заменить на транзисторные с релейным регулированием.

 

    2.  Выбор и обоснование структурной схемы блока Т-27М ЗСУ-23-4М на новой элементной базе 

    Большинство источников электропитания не обеспечивают заданной стабильности напряжения и  тока в нагрузке без использования  стабилизаторов. Это обусловлено  тем, что нормальная работа большинства  радиоэлектронных средств невозможна без обеспечения постоянства  напряжения питания с определенной степенью точности. Поэтому для обеспечения вторичных источников питания заданной стабильности напряжений и токов, между источником электропитания, например выпрямителем, и нагрузкой включаются стабилизаторы напряжения (тока).

    Стабилизатором  напряжения (тока) называется устройство, которое предназначено для автоматического  поддержания постоянства напряжения (тока) в нагрузке при изменении  напряжения питающей сети, величины нагрузки, температуры окружающей среды и  при воздействии других дестабилизирующих факторов.

    Режим, обеспечивающий поддержание напряжения или тока на выходе электропитающих  установок с заданной степенью точности при воздействии различного рода дестабилизирующих факторов называется режимом стабилизации.

    Условно по стабильности питающего напряжения все радиоэлектронные средства можно  подразделить на три группы:

    малой стабильности (2…5%);

    средней стабильности (0,5…2%);

    высокой стабильности (менее 0,5%)

    Классификация стабилизаторов осуществляется по следующим признакам:

1. По роду тока – стабилизаторы постоянного и переменного тока;
2. По принципу работы – параметрические, компенсационные, комбинационные;
3. По виду регулирования – непрерывного и импульсного;
4. Мощности – маломощные (до 100 Вт), средней мощности (до 500 Вт), мощные (500-5000 Вт).

    Широкое применение в современной радиоэлектронной аппаратуре получили вторичные источники  электропитания с импульсным регулированием. Это объясняется, в первую очередь, их высокими энергетическими и объемно-массовыми  показателями. Они строятся в основном на базе однотактных и двухтактных транзисторных преобразователей напряжения. Транзисторы в преобразователях работают в режиме переключения: это и объясняет высокие энергетические показатели источников с импульсным  регулированием.

    Применение  современной элементной базы позволяет  осуществлять преобразование энергии  на частотах до нескольких сотен килогерц, а в ряде случаев и выше.

    Работа  устройств  на повышенных частотах позволяет уменьшить объём и  массу электромагнитных элементов и ёмкость конденсаторов, тем самым повысить удельные объемно-массовые показатели.

    В импульсных источниках применяются  три способа регулирования:

1. Широтно-импульсный – период коммутации постоянен, а время нахождения транзистора в области насыщения (отсечки) изменяется;
2. Частотно-импульсный – период коммутации не постоянен, а время нахождения транзистора в области насыщения (отсечки) постоянно;
3. Двухпозиционный (релейный) – период и относительное время, когда транзистор находится в области насыщения (отсечки), изменяются.

    Однотактные и двухтактные преобразователи  подразделяются на регулируемые и нерегулируемые.

    В зависимости от типа преобразователя  вход и выход его могут быть гальванически связаны или развязаны  через трансформатор.

    Однотактные регулируемые преобразователи с гальванической связью входа и выхода широко применяются как импульсные стабилизаторы постоянного напряжения и тока. В зависимости от построения силовой части преобразователи (стабилизаторы) можно подразделить: на схемы с последовательным включением дросселя и регулирующего транзистора; с последовательным включением дросселя и параллельным включением транзистора; с последовательным включением транзистора и параллельным включением дросселя.

    Схема преобразователя с последовательным включением дросселя и регулирующего транзистора, представленная на рисунке 2.1, позволяет получить на выходе напряжение меньше напряжения на входе.