2-7. Источники электропитания оборудования ЦРРС. Преобразователи АС/DC, DC/DC. Методы повышения надежности источников питания.
2-7. Источники электропитания оборудования ЦРРС. Преобразователи АС/DC, DC/DC. Методы повышения надежности источников питания. |
|
Источники питания во многом определяют надежность работы всей системы радиорелейной связи. В систему электропитания входят следующие основные элементы: первичный источник электроэнергии, устройства для стабилизации напряжения, устройства резервирования электроэнергии и модули питания отдельных элементов оборудования. Основным первичным источником энергии является местная сеть переменного тока или, при ее отсутствии, автономная электростанция. Как правило, питание современного радиорелейного оборудования, которое потребляет мощность всего в несколько десятков ватт, осуществляется от однофазной сети с напряжением 220 В. Переменное напряжение источника подается на преобразователь AC/DC (преобразователь переменного тока в постоянный) и стабилизируется, формируя таким образом, первичное постоянное напряжение 30 - 70 В, которое и поступает к различным узлам оборудования (рис. 2-7-1). Напряжение источника переменного тока резервируется при помощи автономной электростанции. В качестве автономной электростанции чаще всего применяются бензо- или дизель-генераторы. В некоторых случаях могут быть применены ветроэлектрогенераторы, малые гидроэлектрогенераторы и пр. Постоянное напряжение 30 - 70 В также резервируется при помощи устройств ИБП (источников бесперебойного питания). Основу ИБП составляют аккумуляторные батареи и контроллер, предназначенный для обслуживания и подзарядки аккумуляторов.
Рис. 2-7-1
Как правило, в современном оборудовании, выполненном в микросхемной технологии, требуется несколько питающих напряжений разной полярности. Требуемый набор напряжений формируется из первичного постоянного напряжения при помощи устройств преобразования постоянного тока в постоянный (DC/DC), которые устанавливаются в различных узлах оборудования.
Рис. 2-7-2
Преобразователи напряжений в оборудовании прежних выпусков строились по схемам, состоящим из силового понижающего трансформатора, выпрямителя и стабилизатора (рис. 2-7-2-а). Основной недостаток таких преоюбразователей - это применение дорогого, нетехнологичного и громоздкого трансформатора. Поэтому в современном оборудовании применяются импульсные преобразователи напряжения. Вариант структурной схемы преобразователя AC/DC показан на рис 2-7-2-б. Здесь напряжение переменного тока электрической сети выпрямляется и питает импульсный генератор, работающий на частотах в несколько десятков кГц . Нагрузкой генератора является импульсный трансформатор на ферритовом сердечнике и так как этот трансформатор работает на высокой частоте его габариты, вес и число витков в обмотках во много раз меньше, чем у силовых трансформаторов, работающих по схеме, изображенной на рис. 2-7-2-а. Напряжение, снимаемое с понижающих обмоток трансформатора, выпрямляется и фильтруется. Для стабилизации выходного напряжения применяется цепь обратной связи, которая управляет широтно-импульсным генератором, запускающим ключевой каскад преобразователя.
Преобразователи DC/DC выполняются по аналогичным схемам (рис. 2-7-2-в), но при значительно более низких питающих напряжений.
Хотя за последние годы преобразователи напряжения получили новую схемотехнику и элементную базу, надежность их, особенно преобразователей AC/DC, все еще достаточно низкая. Рассмотрим основные потенциальные причины неисправностей преобразователей AC/DC на примере типовой схемы выпрямителя сетевого напряжения (рис. 2-7-3).
Рис. 2-7-3
В этой схеме сетевое переменное напряжение 220 В выпрямляется диодным мостиком и фильтруется конденсатором C. Сделаем простой анализ этой схемы. В момент включения диоды работают, практически, в режиме короткого замыкания, так как в этот момент сопротивление незаряженного конденсатора C близко к нулю. Поэтому через диоды мостика протекает очень большой ток (в десятки ампер). Для ограничения этого тока используется резистор R, сопротивление которого находится в пределах 5 - 10 Ом. Продолжительность и величина броска тока в момент включения зависит от емкости конденсатора C. Обычно, емкость конденсатора выбирается не больше 100 мкф, а диоды мостика должны допускать перегрузку по току в несколько десятков раз превышающую средний ток нагрузки. Допустимое рабочее напряжение конденсатора должно быть не меньше 400 - 450 В, не смотря на то, что выпрямленное сетевое напряжение 220 В составляет 310 В. Запас на допустимое напряжение необходим из-за возможной нестабильности сетевого напряжения в разных регионах России.
Еще одна потенциальная причина неисправностей преобразователей связана с разделительными конденсаторами, которые могут находиться в цепях обратной связи. Обычно емкость этих конденсаторов несколько десятков микрофарад (часто - 47 мкф) и они являются элементами частотно-задающих цепей генератора преобразователя. Плотность монтажа преобразователей очень высокая и разделительные конденсаторы располагаются в непосредственной близости от ключевых транзисторов преобразователя. Конденсаторы (как правило, электролитического типа) нагреваются от тепла работающих ключевых транзисторов, электролит подсыхает, и емкость конденсаторов уменьшается. Рабочая частота генератора преобразователя увеличивается, ключевые транзисторы нагреваются сильнее, емкость конденсаторов еще уменьшается и т.д. Возникает лавинообразный процесс, в результате которого ключевые транзисторы генератора преобразователя могут выти из строя. Поэтому в надежных источниках питания электролитические конденсаторы должны быть теплостабильными.
В последние годы разработано много систем бесперебойного питания, которые вполне можно использовать для работы радиорелейного оборудования. В таблице приведены параметры некоторых подобных систем для электропитания. Помимо электрических аккумуляторных батарей в системах возможно применение механических аккумуляторов (выполненных с использованием маховиков) и суперконденсаторов. Параметры некоторых подобных устройств приведены здесь.
В ряде регионов, где присутствуют постоянные ветры, возможно в качестве альтернативного первичного источника питания применять ветроэлектрогенераторы. Параметры и структурную схему таких систем можно оценить по данным, показанным на рис. 2-7-4. Постоянно совершенствуются и все чаще применяются в разных областях техники источники питания на солнечных батареях. Насколько целесообразно использовать солнечную энергию для питания оборудования в разных районах России можно оценить по таблице соляризации, приведенной здесь.
Рис 2-7-4
