Устройства поддержания напряжения на основе модулей питания МДМ

№ 8’2014
PDF версия
В статье рассматриваются вопросы повышения устойчивости работы авиационной радиоэлектронной аппаратуры во время переходных процессов в системах электроснабжения и при кратковременном пропадании напряжения питания. Представлена схемотехника конкретных узлов на основе серийно выпускаемых модулей серии МДМ, позволяющая обеспечить работоспособность аппаратуры и существенно уменьшить размеры и емкость буферного конденсатора.

Задача поддержания работоспособности радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) во время переходных процессов и при кратковременном пропадании напряжения питания актуальна во многих областях применения. Для авиационной бортовой РЭА в аварийном режиме работы системы электропитания важно сохранить бесперебойное функционирование приемников электроэнергии I категории. Зачастую для решения этой задачи применяют простую схему с буферным конденсатором (рис. 1).

Устройство поддержания напряжения с буферным конденсатором на входе

Рис. 1. Устройство поддержания напряжения с буферным конденсатором на входе

На рис. 1 нагрузка RН питается стабилизированным напряжением от модуля питания МП с буферным конденсатором С на входе, который подключен к шине питания UП через развязывающий диод V. При пропадании питания на шине UП модуль МП стабильно работает некоторое время Т, используя заряд конденсатора С. Время работы зависит в основном от мощности, потребляемой нагрузкой, минимального входного напряжения модуля МП и емкости конденсатора С.

Недостаток схемы состоит в том, что емкость конденсатора С необходимо выбирать исходя из минимального рабочего напряжения шины UПmin с учетом падения напряжения на диоде V, а его рабочее напряжение — исходя из максимального — UПmax. Для авиационной бортовой сети в соответствии с ГОСТ Р 54073-2010 минимальное установившееся значение напряжения шины электропитания в аварийном режиме составляет UПmin = 18 В, максимальное в переходных режимах UПmax = 80 В. Имеют место провалы напряжения до 8 В в течение нескольких секунд, а также кратковременные пропадания напряжения до 80 мс. Система электропитания должна допускать бессбойную работу в указанных пределах изменения напряжения. Однако при таких параметрах сети размеры буферного конденсатора могут значительно превышать размеры и вес собственно МП.

Вначале получим формулы для расчета емкости буферного конденсатора С. Работа А, совершаемая электрическим током при разряде конденсатора С с напряжения UСmax до напряжения UСmin, описывается уравнением:

Формула

C другой стороны, справедливо выражение для работы А электрического тока:

А = P×Tгде Р — мощность, потребляемая от конденсатора при его разряде за время Т.

Объединяя эти выражения, получаем:

Формула

Отсюда определим емкость С, обеспечивающую указанный перепад напряжений на конденсаторе за время Т:

Формула

Применяя формулу (3) для схемы, представленной на рис. 1, необходимо учесть, что:

Р = РВЫХ/η где η — КПД модуля МП;

UСmax = UПminUV, где UV = 0,7 В — падение напряжения на открытом диоде V;

UСmin = UВХmin — минимальное входное напряжение для модуля МП, при котором обеспечивается стабилизация выходного напряжения.

Тогда в окончательном виде выражение (3) будет выглядеть следующим образом:

Формула

Теперь по формуле (4) оценим параметры буферного конденсатора С для мощности нагрузки РВЫХ = 40 Вт при пропадании напряжения питания на время Т = 100 мс. Предположим, что в качестве модуля МП работают модули питания со средним значением КПД η = 0,8 и напряжением UВХmin = 12 В. Для перечисленных выше параметров схемы при UПmin = 18 В получаем буферный конденсатор емкостью 64 400 мкФ с рабочим напряжением 100 В.

При повышении напряжения UПmin время Т также увеличивается, однако ориентироваться при расчете необходимо на его минимальное значение. Следует также заметить, что большая емкость буферного конденсатора практически устраняет негативные последствия при кратковременных провалах напряжения шины до 8 В, что повышает надежность работы системы электропитания в целом. Применяя схему на рис. 1, разработчик должен смириться с тем, что размеры и вес буферного конденсатора в несколько раз превышают аналогичные параметры модулей МП.

Несколько лучшие массогабаритные характеристики будет иметь устройство поддержания напряжения, реализованное по схеме на рис. 2.

Устройство поддержания напряжения с ограничителем выбросов напряжения

Рис. 2. Устройство поддержания напряжения с ограничителем выбросов напряжения

Здесь вместо развязывающего диода V на входе системы электропитания устанавливается ограничитель напряжения (ОН), основная задача которого — защитить модули МП и буферный конденсатор С от выброса напряжения амплитудой 80 В, ограничив его на безопасном уровне максимального входного напряжения UВХmax. Обычно UВХmax = 36 В. Для оценки емкости буферного конденсатора можно пользоваться той же формулой, заменив падение напряжения на открытом диоде UV на падение напряжения на ограничителе напряжения UОН. В этом варианте исполнения рабочее напряжение буферного конденсатора можно уменьшить до 50 В, что вдвое сократит его размеры и вес. Величина же емкости останется практически той же.

Предприятие «Александер Электрик источники электропитания» серийно выпускает унифицированные модули питания серии МДМ, МДМ-П и МДМ-ЕП, применение которых позволяет значительно улучшить параметры рассматриваемого устройства. Во‑первых, минимальное входное напряжение упомянутых серий модулей, при котором сохраняется режим стабилизации напряжения на выходе, значительно меньше UПmin = 18 В [1]. Во‑вторых, они устойчиво работают при кратковременном повышении входного напряжения вплоть до 80 В, а модули питания серии МДМ-ЕП к тому же допускают уменьшение входного напряжения до 8 В [2]! Так, применение в схеме на рис. 1 в качестве МП модуля типа МДМ-ЕП позволяет увеличить время работы Т на 10%.

Значительно уменьшить размеры и вес буферного конденсатора позволяет устройство поддержания напряжения, представленное на рис. 3. Здесь вместо развязывающего диода V включен модуль питания серии МДМ-ЕП с выходным напряжением UВЫХ МДМ-ЕП = 36 В. Ограничительный резистор RОГР фиксирует ток заряда буферного конденсатора С на уровне не более максимального выходного для модуля МДМ-ЕП. После пропадания напряжения шины UП диод V обеспечивает подключение буферного конденсатора на вход модуля МП.

Устройство поддержания напряжения с модулем питания МДМ-ЕП в качестве ограничителя напряжения

Рис. 3. Устройство поддержания напряжения с модулем питания МДМ-ЕП в качестве ограничителя напряжения

При такой структуре устройства выбросы напряжения сети до 80 В и провалы до 8 В «отрабатывает» первый модуль. Он также поддерживает буферный конденсатор С в заряженном состоянии. Поскольку выходное напряжение первого модуля UВЫХ МДМ-ЕП = 36 В, в качестве модуля МП уже может работать любой модуль с максимальным входным напряжением UВХmax = 36 В. Однако рекомендуется использовать модуль с возможно меньшим значением минимального входного напряжения также серии МДМ-ЕП, поскольку он обеспечивает нормальную работу нагрузки при напряжении на входе вплоть до 8 В. К тому же модули этой серии обеспечивают повышенный КПД до 0,9. Емкость буферного конденсатора для рассматриваемого устройства необходимо рассчитывать, учитывая, что UПmin = 36 В, а UВХmin = 8 В. Для перечисленных выше параметров схемы получаем буферный конденсатор емкостью 8500 мкФ с рабочим напряжением 50 В!

Несмотря на впечатляющие результаты по миниатюризации рассмотренной системы электропитания, габариты буферного конденсатора можно еще уменьшить! Для этого необходимо модуль питания МДМ-ЕП выбрать с бóльшим выходным напряжением, например с UВЫХ = 70 В, а модуль питания МП взять той же серии, но на входную сеть И (от 18 до 72 В — установившееся значение входного напряжения, от 15 до 84 В — переходные отклонения). Учитывая, что средний КПД модуля МП η = 0,9 при UПmin = 70 В и UВХmin = 15 В из выражения (4) получаем емкость буферного конденсатора 1940 мкФ! Это конденсатор 2000 мкФ с рабочим напряжением 100 В.

В рассматриваемой структуре значительно уменьшены размеры и вес буферного конденсатора, а время работы Т при пропадании напряжения уже не зависит от входного напряжения в диапазоне от 8 до 80 В.

Литература
  1. Плоткин И. Р., Миронов А. А., Кравченко М. Н. Модули питания МДМ в бортсетях вертолетов и самолетов // Электронные компоненты. 2013. № 3.
  2. Твердов И. В., Кравченко М. Н. Модули питания с высоким КПД и широким диапазоном входных напряжений // Электронные компоненты. 2012. № 8.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *