Источники питания аппаратуры радиоконтроля..

Источники питания аппаратуры радиоконтроля..

БЕЛЯКОВ Андрей Леонидович,
ГЛАДКИХ Александр Викторович

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ АППАРАТУРЫ РАДИОКОНТРОЛЯ

Кратко рассмотрены варианты электропитания аппаратуры радиоконтроля, ее особенности в плане выполнения требований электромагнитной совместимости с источниками питания, а так же возможность и необходимость применения импульсных источников питания.

1. Общая характеристика аппаратуры радиоконтроля

Аппаратура радиоконтроля (АРК) охватывает широкий диапазон технических средств, в основе которых, как правило, лежит радиоприемное устройство (РПУ). Помимо РПУ в состав АРК обычно входит одно или несколько антенно-фидерных устройств (АФУ) и устройство обработки/отображения информации. Независимо от назначения конкретного комплекта АРК, в его состав входит источник питания (ИП) в том или ином виде. Это может быть встроенный в РПУ стабилизатор напряжения для питания от химического источника тока (ХИТ), блок питания для работы от сети переменного тока, внешний или внутренний, универсальный источник питания с возможностью работы от резервного аккумулятора и т.д.

Следует отметить, что надежность работы АРК, как и другой радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), в значительной степени определяется надежностью источника питания, так как при неполадках или выходе его из строя аппаратура становится полностью непригодной к эксплуатации. В тоже время, при дефектах или сбоях в других узлах, или при наличии ошибок программного обеспечения, аппаратура может функционировать без внешних проявлений неисправности для пользователя, пока тот не воспользуется определенными ресурсами

Наиболее существенным требованием к источникам питания средств АРК с учетом ее сверхширокого – от единиц килогерц до десятков гигагерц – диапазона рабочих частот следует считать электромагнитную совместимость (ЭМС). Жесткие требования по уровню радиоизлучений проистекают из того факта, что ИП АРК находится непосредственно в составе аппаратуры, предназначенной для приема и анализа радиосигналов, к которым в полной мере относятся помехи и паразитные излучения различной электро- и радиоаппаратуры. Отметим, что из-за жестких требований по уровню помех в значительной части измерительной и связной аппаратуры до сих пор сильно ограничено применение высокочастотных импульсных стабилизаторов и преобразователей питающего напряжения, несмотря на их преимущество в КПД и производных от него параметрах.

В состав АРК, как и любой другой функционально сложной радиоаппаратуры, входят узлы и блоки различного назначения, напряжения питания которых, потребляемая мощность и требования к качеству питающего напряжения сильно различаются. То есть, в составе АРК обычно имеется своего рода иерархическая структура источников питания с диапазоном мощностей от единиц милливатт до (в ряде случаев) сотен Ватт. Часто возникает необходимость применения термостабильных микромощных стабилизаторов напряжения для стабилизации рабочей точки, например, полевых СВЧ транзисторов входных каскадов РПУ или каскадов автоматической регулировки усиления. Другая “крайность стабилизирующие преобразователи напряжения для ПЭВМ, входящих в состав комплексов АРК, которые располагаются на транспортных средствах. В этих ИП главное – не точность стабилизации напряжения в пределах долей процента, а поддержание выходного напряжения с довольно большим допуском (до 20%) при колебаниях бортового напряжения до 50% и временном пропадании последнего. В бортовых ИП обычно предусмотрено аварийное электропитание от аккумуляторной батареи комплекса АРК и ее автоматический подзаряд от бортовой сети.

2. Первичные источники электроэнергии для питания АРК

Аппаратура радиоконтроля, как и любая радиоэлектронная аппаратура получает энергию для функционирования от первичного источника (следует учитывать, что источник вторичного электропитания (ИВЭП) в изделии может быть конструктивно отделен от потребителя). Под первичными источниками электроэнергии принято понимать такие, в которых она получается непосредственно из какого-либо другого вида энергии. Это может быть химическая, тепловая, механическая и другая энергия. В нашем случае смысл термина несколько нарушен. Например, сеть переменного тока 220 В не является первичной по определению, так как это напряжение обычно получается в результате нескольких преобразований электрической энергии в электрическую (повышение и понижение напряжения трансформаторами). С другой стороны, электросети переменного тока для конечного пользователя являются первичным источником электроэнергии, как и обычный солевой элемент, ввиду определенности по параметрам и распространенности.

В АРК можно отметить большое разнообразие применяемых первичных источников электропитания, что обусловлено широким спектром решаемых задач и условий применения. Рассмотрим кратко наиболее часто применяемые.

2.1. Сеть переменного тока.

Обычно используется для электропитания стационарно установленной аппаратуры. Допуск на величину эффективного значения обычно принимается равным ±10%, хотя для надежной работы аппаратуры от реальных электросетей следует закладывать в техническое задание на разработку блока питания допуск ±20% на длительные отклонения от номинального значения. В электросетях общего пользования всегда есть потребители, создающие мощные импульсные помехи. Обычный бытовой холодильник, например, имея мощность потребления в стационарном режиме всего 100 – 150 Вт, при пуске компрессора потребляет до 4 – 10 кВт. Снижение напряжения сети в момент включения имеет характер импульса с уровнем до 100 В. На переходе в стационарный режим и при выключении компрессора в сети возникают затухающие колебательные процессы различной частоты и длительности с пиковым напряжением в десятки и сотни Вольт. Кратковременные снижения напряжения возможны также при включении телевизоров, компьютеров и другой РЭА (заряд входных емкостей источника питания и работа петли размагничивания кинескопа и т.п.).

Из сказанного следует, что при разработке источников вторичного электропитания, работающих от сети переменного тока, надо учитывать не только изменение эффективного или амплитудного значения напряжения, но и наличие импульсных помех с большой энергией.

2.2. Бортовая сеть автомобилей 12 В.

Исторически сложившийся мировой стандарт бортового напряжения легковых и грузовых (небольшой грузоподъемности) автомобилей. Возник в связи с применением на автотранспорте свинцовых аккумуляторов, которые при низкой стоимости, относительной простоте конструкции и легком обслуживании имеют хорошие электрические параметры. Главное преимущество свинцовых аккумуляторов на автотранспорте большой кратковременно допустимый ток, необходимый для пуска двигателя электростартером. Условная цифра 12 В обозначает номинальное напряжение свинцового аккумулятора из шести соединенных последовательно элементов под нагрузкой. Она близка также к сумме потенциалов (12,6 В) шести элементов в наиболее электрохимически равновесном состоянии.

При работающем двигателе автомобиля напряжение бортовой сети определяется, в основном, характеристиками примененного в силовом агрегате генератора. Максимальное напряжение бортовой сети определено равновесным потенциалом полностью заряженного аккумулятора и составляет 14?14,5 В. Т.е., выходное напряжение генератора ограничено встроенным регулятором этой величиной, в ряде случаев корректируемой автоматически с изменением температуры окружающей среды. Если аккумулятор был сильно разряжен, то на начальной стадии его заряда от генератора напряжение бортовой сети может быть ограничено (до 10?12 В) величиной потенциала аккумулятора и его низким внутренним сопротивлением. Пониженное до 10?12 В бортовое напряжение может наблюдаться при работающем генераторе в случае повышенной нагрузки. Например, в ночное время и при плохой погоде, когда в автомобиле включено много штатных потребителей электроэнергии (обдув радиатора печи, стеклоочиститель, фары, электрообогреватель заднего стекла и т.д.). В таких условиях возможна частичная работа бортовых потребителей от аккумулятора и некоторый его разряд.

Функционирование бортовой сети 12 В при неработающем двигателе определяется характеристиками аккумулятора, сопротивлением бортовых цепей и величиной потребляемого тока. Предельные напряжения : 14?14,5 В – при полностью заряженном аккумуляторе и первые минуты после отключения зарядки, 9?10 В – полный разряд (потенциал без нагрузки, или с малой нагрузкой), 7?8 В – кратковременно, при пуске двигателя.

За указанные пределы напряжение бортовой сети может выходить лишь при неисправном электрооборудовании автомобиля. Кроме того, как и во всяких проводных сетях, возможны импульсные просадки и выбросы напряжения от работы различных потребителей, например, стоп-сигналов.

2.3. Бортовая сеть автомобилей 24 В.

Принципиально ничем, кроме удвоенного напряжения, не отличается от бортовой сети 12 В. Применяется для уменьшения тока в цепях на большегрузных грузовых автомобилях и тяжелой спецтехнике, где больше потребителей электроэнергии и больше потребляемая ими мощность. Отметим тот факт, что в современном легковом автомобилестроении начался переход к бортовому напряжению в стандарте 36 В. Повышение напряжения позволяет существенно снизить вес медных проводов в автомобиле за счет снижения тока потребления при той же мощности. В серийно выпускаемых автомобилях с этим напряжением бортсети на переходный период установлена вспомогательная сеть стандарта 12 В, предназначенная, в основном, для дополнительных устройств типа магнитол и т.п.

2.4. Бортовая сеть летательного аппарата (ЛА) =27 В/~115 В, 400 Гц.

Согласно ГОСТ 19705-89 напряжение постоянного тока бортовой сети ЛА может быть в пределах от 21 В до 31,5 В (кроме аварийного режима). Отдельно оговорены кратковременные просадки этого напряжения вплоть до 13 В при автономном запуске двигателя и выбросы до 53,5 В при коммутации силового оборудования (длительность до 200 мс). Для временных интервалов порядка 10 – 100 мс выбросы напряжения и просадки могут иметь еще большие значения. Для переменного напряжения с номинальными параметрами 115 В (эффективное) и частотой 400 Гц установившееся значение напряжения должно находиться в пределах 100-127 В.

2.5. Химические источники тока.

Значительная часть аппаратуры радиоконтроля предназначена для автономной работы от встроенных или внешних, входящих в состав АРК, химических источников в тока. В этом классе приборов обычно применяются аккумуляторные батареи. Основную долю применяемых ХИТ составляют свинцовые необслуживаемые аккумуляторы с гелеобразным кислотным электролитом. Они имеют ряд преимуществ перед другими типами аккумуляторов, главные из которых — это низкая стоимость при способности отдавать большой ток без потери емкости. Данное свойство позволяет без проблем использовать батарею небольшой емкости в качестве аварийного буфера при питании аппаратуры с большим потреблением энергии. Особенно часто их применяют в составе источников бесперебойного питания ПЭВМ, когда при пропадании сетевого напряжения необходимо поддержать работоспособность системы хотя бы несколько минут для аварийного сохранения данных. Свинцовые аккумуляторы, к тому же, не обладают эффектом памяти к режиму заряд-разряд и позволяют без сложных схемотехнических решений обеспечить длительную циклическую работу батареи.

До последнего времени в автономной аппаратуре со сравнительно небольшой мощностью потребления (0,1 – 5 Вт) преобладало использование герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов, что обусловлено технологическими трудностями изготовления малогабаритных свинцовых батарей. Сейчас стали доступны для применения более компактные и энергоемкие аккумуляторы никель-металл-гидридного и литий-йонного типа. Последние, помимо высокой плотности запасаемой энергии, предпочтительны для применения в связи с отсутствием у них эффекта памяти к зарядно-разрядному циклу.

3. Источники вторичного электропитания

Под источниками вторичного электропитания в данной статье мы подразумеваем все типы преобразователей, стабилизаторов и регуляторов напряжения, обеспечивающих составные части радиоаппаратуры электроэнергией с нормированными характеристиками. Ниже мы рассматриваем основные классы источников вторичного электропитания, их особенности, достоинства и недостатки.

3.1. Линейные регуляторы и стабилизаторы напряжения в АРК

Практически ни одно радиотехническое устройство, в том числе и аппаратура радиоконтроля, не обходится без применения в своем составе линейного регулятора или стабилизатора напряжения. Причем в АРК линейные регуляторы напряжения находятся в привилегированном положении, поскольку они принципиально не создают электромагнитных помех. Рассмотрим положительные аспекты применения линейных регуляторов напряжения:

• отсутствие электромагнитных излучений как указано выше, принципиальное и основное преимущество перед импульсными и другими типами регуляторов;
• отсутствие помех внутреннего происхождения по цепям питания (входным и выходным);
• простота схемных и конструктивных решений;
• малые габариты ИП на интегральных микросхемах (ИМС), без учета, однако, теплоотводящих элементов (радиаторов, вентиляторов и т.д.);
• низкая стоимость;
• минимальные затраты времени и средств на разработку электроники ИП.

В то же время у линейных стабилизаторов и регуляторов напряжения имеются и недостатки, главный из которых – низкий КПД, особенно при больших допусках на входное питающее напряжение.

Второй из существенных недостатков – это принципиальная невозможность повышения напряжения и гальванической развязки выходных цепей от входных.

Из первого отрицательного свойства линейных ИП непосредственно вытекают проблемы конструкторско-технологического плана по отводу тепла от регулирующего элемента и обеспечению максимального времени работы от автономного источника тока.

Так, например, при питании аппаратуры от ХИТ, напряжение на клеммах которого меняется на 30% по мере разряда (типовое значение), время работы изделия может составить менее 50% от возможного теоретически со стабилизатором без потерь. Это обусловлено не только прямыми потерями энергии в виде тепла на регулирующем элементе линейного регулятора, но и зависимостью емкости ХИТ от величины тока потребления. Для многих электрохимических систем падение емкости с увеличением тока в два раза может составлять до 20%.

3.2. Высокочастотные импульсные стабилизаторы и преобразователи напряжения

Как уже отмечалось в первом разделе, основным фактором, сдерживающим применение импульсных блоков питания (ИБП) в АРК, являются вырабатываемые ими помехи в радиочастотном диапазоне. Эти помехи непосредственно излучаются элементами схемы в эфир, а так же передаются из модуля питания в другие блоки изделия и в питающую сеть по силовым проводам и цепям управления. Спектр помех от современных ИБП, работающих на частотах до 1 МГц, может простираться до 200 – 300 МГц. Его огибающая обычно имеет классический для импульсного сигнала вид, примерно, следующий (рис. 1):

Рис. 1.
A – амплитуда спектральных составляющих;
F – частота;
f1, f2, f3,… fN – частоты гармоник помехи.

Однако повышение частоты преобразования в ИБП последних лет реализации привело к парадоксальному на первый взгляд факту, который заключается в некотором облегчении борьбы с помехами. Первая причина этого заключается в упрощении борьбы с магнитной составляющей помех. С ростом частоты преобразования уменьшается проникновение электромагнитного поля в материал экрана за счет скин-эффекта. В результате для подавления излучения помех не требуются толстостенные пермаллоевые экраны, как для ИБП, работающих на частотах порядка 100 – 10000 Гц. Спектр помех от ИБП при устойчивом режиме работы не содержит субгармоник и начинается с основной частоты преобразования (чаще всего 50 – 100 кГц), распространяясь исключительно вверх по частоте. Повышение частоты преобразования энергии позволило также уменьшить габариты дросселей и фильтров по входным и выходным цепям ИБП, не снижая качества фильтрации.

С учетом того, что элементная база ИБП в современной микроэлектронике получила широкое развитие, а так же в связи с необходимостью создания аппаратуры с пониженным энергопотреблением (особенно автономной), пренебрегать указанным выше фактом было бы неразумно. В связи с этим разработчики сделали ставку на применение ИБП во всех узлах выпускаемой АРК.

В качестве примера практической реализации ИБП малой мощности можно привести блок панорамно-технического анализа (ПТА). Он представляет собой тракт усиления и фильтрации промежуточной частоты с ее переносом. Внутренние напряжения питания: +5 В и -5 В при токе потребления 100 мА. Внешнее питание 8?16 В, нестабилизированное. Полоса пропускания тракта – 2 МГц, центральная частота по входу – 10,7 МГц, по выходу – 1,6 МГц. Чувствительность по входу в режиме панорамы – 0,3 мкВ (по уровню шумов). В этом изделии наличие импульсного блока питания не определяется на спектре при закороченном входе. Внешний вид блока приведен на фото 1. Спектр принимаемого (с генератора Г4-164) сигнала с эффективным значением -50 дБВ – на рис. 2 и 3. На рис. 2 приведен спектр сигнала при не установленных экранах блока питания, на рис. 3 – спектр того же сигнала при полностью смонтированной плате.

Фото 1. Блок панорамно-технического анализа.

Элементы импульсного блока питания видны слева на заднем плане. Экран не установлен

Рис. 2. Спектр немодулированного сигнала с частотой 10,76 Мгц и уровнем -50 дБВ, подаваемого на вход блока ПТА. Экран блока питания не установлен. Хорошо видны регулярные спектральные составляющие помех от блока питания с шагом ~ 69 кГц

Рис. 3. Спектр немодулированного сигнала с частотой 10,76 Мгц и уровнем -50 дБВ, подаваемого на вход блока ПТА при полностью смонтированной плате

В качестве примера другого масштаба можно привести универсальный блок питания АРК-УБП предназначенный для питания комплекса радиоэлектронной аппаратуры различного назначения, в частности вертолетного комплекса СКРК-В. Блок питания представляет собой многоканальное устройство, позволяющее обеспечить стабилизированным напряжением до 9 нагрузок, и имеющее 9 выходов не стабилизированного сквозного питания, коммутируемого электронными ключами. Блок питания имеет разъём для подключения аккумуляторной батареи и автоматически переходит на резервное питание при сбоях или пропадании основной питающей сети. В состав блока питания входит автоматическое зарядное устройство для обеспечения работоспособности аккумуляторной батареи. Для защиты от ложных включений/выключений в условиях повышенной вибрации предусмотрена программная защита клавиши “БОРТ СЕТЬ” от случайных нажатий. Блок питания имеет звуковую сигнализацию неправильной полярности входного напряжения.

В состав АРК-УБП входят собственно блок питания, пульт дистанционного управления, сирена аварийных режимов работы и кабели для подключения пульта и сирены.

Основные технические параметры АРК-УБП:

Внешний вид блока питания со стороны ячеек приведен на фото 2.

Фото 2. Внешний вид блока питания АРК-БП
для вертолетного комплекса

Приведенные выше примеры не означают полного отказа от применения линейных источников питания. Например, не имеет никакого смысла встраивать стабилизированный ИБП в антенный усилитель, расположенный непосредственно у вибраторов приемной антенны, хотя он и потребляет ток в десятки миллиампер. Доля этого тока в общем потреблении мала, а применение ИБП не только создаст помехи непосредственно рядом с чувствительным элементом, но и может внести искажения в диаграмму направленности антенны.

В ряде случаев, особенно если изделие питается исключительно от сети переменного тока и мощность потребления не превышает 1 – 2 Вт, применение линейного интегрального стабилизатора напряжения может заметно снизить стоимость изделия.

Однако, обойтись без применения ИБП иногда довольно проблематично. В мобильный комплексе АРК-МК1М на базе автомобиля класса Газель” номинальное напряжение бортовой сети 12,6 В, реальное – от 10 до 14 В с выбросами в нормальных условиях до 16 – 18 В, а при коммутации электромагнитных устройств электрооборудования (при запуске двигателя) – с просадками до 7 – 8 В. В таких условиях практически невозможно обеспечить стабильную работу устройства с внутренним напряжением питания 9 В, применяя линейный стабилизатор напряжения. Если же потребляемая изделием (блоком) мощность составляет порядка 20 Вт, к полезной мощности потребления добавляется еще около 10 Вт, рассеиваемые стабилизатором напряжения. При жестких климатических требованиях к аппаратуре применение линейного стабилизатора, как мы видим, создает проблемы конструкторского плана с отводом дополнительного тепла.

Не менее нагляден следующий пример. Бортовая сеть 24 В. В составе АРК шесть изделий с номинальным напряжением питания 12 В. Мощность потребления каждого из них – 20 Вт. Бортовое напряжение может колебаться в пределах от 18 до 28 В. Учитывая хороший запас по входному напряжению можно применить линейный стабилизатор напряжения, при этом проблем с помехами не будет. Но в результате ток потребления от бортовой сети будет иметь значение около 10 А независимо от напряжения, что само по себе величина немалая (это не более 10 часов автономной работы при емкости аккумуляторов 100 А? ч). Кроме того, тепловыделение на стабилизаторе напряжения составит: 10 А? (28 В 12 В) = 160 Вт (пиковое значение). Без применения принудительного обдува для рассеяния такой мощности потребуется радиатор площадью 0,8 м2 при перепаде температуры 20 ° С. В то же время применение в данном случае понижающего ИБП с КПД 90% позволит:

• почти вдвое снизить потребляемый из бортовой сети ток;
• примерно до 12 Вт снизить рассеиваемую стабилизатором мощность при любом допустимом входном напряжении;
• увеличить время автономной работы примерно вдвое.

В данном примере, довольно типичном для комплексов АРК, наглядны преимущества ИБП. Отметим, что импульсные понижающие стабилизаторы напряжения, удовлетворяющие требованиям данного примера, довольно широко представлены специализированными микросхемами. Интегральные микросхемы этого назначения могут иметь минимальную обвязку дискретными элементами. Десятилетний опыт применения ИБП в АРК показал, что залогом успешной борьбы с паразитными излучениями в первую очередь является правильный подход к проектированию печатных плат изделия и конструкции его экранов, следующий из общефизических законов распространения электромагнитной энергии.

Представляет интерес тот факт, что помехи от импульсных блоков питания существенны для аппаратуры, работающей в диапазоне частот до 100 – 200 МГц. Для АРК более высокочастотных диапазонов больше проблем создают излучения цифровой части. К ней относятся схемы аналого-цифрового преобразования (АЦП), все виды сигнальных и управляющих процессоров, микросхемы программируемой и жесткой логики, а также устройства отображения и обработки, например, ПЭВМ. Все эти составные части АРК работают на тактовых частотах от единиц до сотен мегагерц, а спектр гармоник и шумов, ими вырабатываемый, простирается до нескольких гигагерц. Бороться с помехами от цифровой части сложнее, чем с помехами от ИБП, несмотря на меньший размах напряжений и токов первой гармоники. Это связано с очень высокой скоростью переключения современных цифровых микросхем, на порядки более высокой, чем у силовых элементов ИБП.

В качестве иллюстрации на рис. 4 приведены спектры радиосигналов, принимаемых цифровым РПУ АРК-ЦТ1 в диапазоне частот 20 – 1620 МГц. Прием велся антенной в виде отрезка провода длиной 7 см, вставленного непосредственно в антенное гнездо ЦРПУ. Для уменьшения внешних индустриальных помех измерения проводились в лаборатории на окраине города в воскресный день. Электропитание управляющей ПЭВМ осуществлялось от аккумуляторов. Целью измерений была доработка изделия по уровню собственных излучений от блока питания и цифровой части.

Анализ показывает, что последовательные действия (четыре) по экранировке и заземлению элементов конструкции привели к заметному снижению уровня собственных излучений, в которых явно преобладали составляющие цифровой части изделия в диапазоне 200 – 800 и 1300 – 1450 МГц. Практически все видимые на четвертой “зарисовке” спектральные составляющие принадлежат системам связи и вещания региона. На всех спектрах отсутствуют составляющие от ИБП, располагающиеся обычно ниже 100 Мгц. Проведение подобных измерений в неэкранированном помещении в рабочий день невозможно, так как очень высок уровень помех от работающих компьютеров, особенно от их блоков питания.

Рис. 4. 

4. Заключение

Достижение малых габаритов и снижение потребляемой мощности тесно взаимосвязаны между собой и с потребительскими качествами аппаратуры радиоконтроля. И первое и второе невозможно без применения ИБП, что следует из общих тенденций развития электронной техники. Проблемы электромагнитной совместимости создают определенные трудности при создании изделий АРК, включающих ИБП. Однако, как показывает опыт, правильный выбор схемотехники и конструкторских решений позволяет эффективно бороться с помехами. Достигаемый при этом выигрыш во времени работы изделий от автономных источников питания трудно, а иногда и невозможно, достичь другими способами. При большой мощности потребления аппаратуры снижение массы от использования ИБП достигается не только за счет возможного снижения емкости аккумулятора, но и за счет уменьшения размеров теплоотводящих элементов.

Наибольшие трудности возникают при создании АРК, рабочий диапазон частот которой включает в себя основную частоту ИБП и первые ее гармоники, особенно при низких частотах преобразования. В этих случаях сложнее реализовать хорошее экранирование магнитной составляющей помех. Переход на частоты преобразования выше 100 кГц (вплоть до единиц мегагерц) позволяет в значительной степени преодолеть эти трудности.

Быстрое развитие элементной базы ИБП также способствует успешному их внедрению в АРК, как и во все прочие изделия электронной техники. Это позволяет рассчитывать на дальнейшее улучшение потребительских свойств аппаратуры, определяемых параметрами источников питания.