Семенов Б.Ю., ведущий инженер ОАО "НПФ "Меридиан", г.Санкт-Петербург
"Всякая работа требует больше времени, чем вы думаете" Закон Мерфи.
Читатели, вы наверняка вспомнили бессмертную книжку Артура Блоха о "законах бутерброда". опубликованную приблизительно двадцать лет тому назад в детском "Юном технике". А многие из вас, без сомнения, иногда в шутку цитируют из нее отрывки, весьма, кстати, близкие к реальной жизни. Но при чем здесь закон Мерфи? Вспомните недавнее крушение экономики нашей страны, когда с отечественно рынка стремительно исчезли электронные компоненты, закрылись заводы, остановились научно-технические разработки. Хочется верить, что эти времена навегда ушли в прошлое. Ныне мы, в общем-то переживая последствия кризиса, пытаемся налаживать нормальную производственную жизнь. Появляется отечественная продукция, имеющая в своем составе новые радиоэлементы, восстанавливаются исследования, инженерная профессия вновь набирает популярность, молодеет. К сожалению, разрушительный экономический ураган нанес огромный вред не только производству, но и системе профессионального образования. Студенты-технари, вынужненные жить на крохотные стипендии, ищут способы подработать, зачастую весьма далекие от техники. Результат - пробелы в знаниях. Но, как говорится, что имеем, то имеем.
Сегодняшний стиль работы в конструкторских бюро дает минимум времени молодому специалисту на "раскачку", освоение предмета работы, почти сразу заставляет "впрягаться" в серьезный производственный процесс, сразу разрабатывать работоспособные и экономически выгодные, надежные конструкции. И нельзя сказать, чтобы область разработки источников питания чем-то отличалась от других областей электроники. Это действительно особый мир, который может обеспечить профессионала куском хлеба с маслом на всю оставшуюся жизнь. Но - заметьте - только профессионала! Мир электропитания таит в себе множество специфических тонкостей, "подводных камней", знание которых приходит лишь с опытом.
Какие специфические особенности еще имеются в области разработки источников электропитания? Сегодня подавляющее большинство схем возможно моделировать на компьютере, с помощью таких программ, как, например, MicroCAP, OrCAD, DesignLab. Разработку же источника питания нельзя заканчивать простым рисованием электрической схемы. Прежде чем заниматься разработкой внешнего облика конструкции, нужно проверить все теоретические расчеты, даже если они были отмоделированы, на экспериментальном макете. Этот макет желательно изготавливать и испытывать собственноручно (или под своим чутким наблюдением).
Схемотехника и элементная база источников питания - вообще отдельный долгий разговор. Существует много как классических, так и новых схем вторичных источников, существуют и часто пересекаются направления конструирования источников с принципами непрерывного и импульсного действия. Зарубежные фирмы уже давно считают своим долгом выпускать удобные в применении специализированные микросхемы для данной области, выпускаются такие микросхемы и у нас (правда, в гораздо меньших объемах). В последние годы все чаще говорят о такой области технической науки, как силовая электроника...
Вот мы и подошли к самой главной дилемме нашего времени - к необходимости обладания профессиональным опытом, который нужно получать как можно быстрее. В условиях же конкуренции, когда опытом просто так не делятся, или, в крайнем случае, делятся за определенную оплату, основным источником повышения профессионального уровня молодых становятся книги и научно- технические журналы. Автор провел достаточно подробное исследование в области библиографии и с горечью отметил, что большинство книг, изданных более десяти лет назад, во многом потеряли свою актуальность. В последнее десятилетие издавалось много компьютерной и художественной литературы, а вот книги технические почти не выходили. Также почти нет "переводных" книг, а иностранные языки знают далеко не все.
Значительная часть интересных практических материалов рассыпана по научно-техническим журналам, и разыскивать такие публикации даже энергичным людям трудно, в основном из-за классического графика работы. Очень часто предприятия экономят на приобретении технических журналов, так что собственные технические библиотеки давно устарели.
Столкнувшись с подобной проблемой, автору ничего не оставалось, как написать собственную книгу, в которой собрать передовой мировой опыт разработки импульсных источников электропитания, рассказать простым и доходчивым языком о новой элементной базе, о практических конструкциях, в какой-то мере снять проблему дефицита актуальной литературы [Л]. В книге, кроме того, приводится много полезных спецальных сведений, которые едва ли можно найти в институтских учебниках.
Итак, о том, что вошло в книгу.
- Свойства магнитных материалов и их доля в импульсном электропитании. Перед разработчиком всегда остро становится вопрос, какие материалы лучше использовать для проектирования индуктивных элементов. Нужно иметь четкое представление о том, какими свойствами обладают электротехнические стали, пермаллои, ферриты, альсиферы и другие магнитодиэлектрики. Неправильный выбор материала может "на корню" загубить разработку.
- Теория и практика дросселей и трансформаторов. Правильный выбор материала для магнитопровода индуктивного элемента - только первый шаг на пути создания источника питания с высокими техническими характеристиками. Нужно выбрать также конструктивное исполнение индуктивного элемента, рассчитать витки, уложить их на магнитопроводе, свести к минимуму паразитные параметры (межвитковую емкость, индуктивность рассеяния, тепловые потери). Особое внимание в книге уделено необходимости введения в накопительные индуктивные элементы немагнитного зазора для снижения остаточной индукции. Как показывает практика, немагнитный зазор - единственный простой метод снижения остаточных явлений в магнитпроводе.
- Элементная база. Это второй шаг на пути создания источника электропитания. Как показало исследование, классический биполярный транзистор хорошо описан в отечественной литературе, поэтому ему отведено нескольк страниц - главным образом об использовании составных транзисторов и об их параллельной работе. Основное же внимание уделено новым элементам - полевым транзисторам MOSFET и биполярным транзисторам с изолированным затвором IGBT. Эти приборы отрывочно описаны в русскоязычной литературе, почти нет рекомендаций по их практическому применению. Одна из существенных проблем при проектировании импульсных источников - паразитные индуктивные выбросы на силовых элементах, могущие приести к выходы последних из строя. Вопросам защиты от опасного влияния выбросов и защитным элементам также уделено особое внимание. Описаны также удобные интегральные микросхему управления, на основе которых можно строить недорогие и надежные источники питания и стабилизаторы. Как показывает практика, направлению создания микросхем "все в додном корпусе" уделяется в мире достаточно много внимания. В книге также рассказывается о том, зачем в импульсной силовой технике нужны диоды с быстрым временем обратного восстановления.
- Тепловые расчеты. Не будем также забывать, что источник питания является основной "печкой" прибора. Недаром притчей во языцех стал раздражающий окружающих звук вентилятора БП в персональном компьютере. Чтобы источник питания не выходил из строя по причине перегрева, нужно уметь рассчитать тепловые режимы его элементов, спроектировать радиаторы, правильно разместить их в конструкции.
- Схемотехника импульсных источников. Рассатриваются основные схемы построения импульсных источников питания: понижающая (чоппер), повышающая (бустер). инвертирующая (бак-бустер), с гальванической развязкой от питающей сети и накопительным дросселем (фли-бак), двухтактная со средней трансформаторной точкой (пуш-пул), двухтактный полумост (халф-бридж), двухтактный мост (фул-бридж). И, что самое главное, описаны не только принципы работы, но даны и рассчетные соотношения, а также практические конструкции, с помощью которых можно попробовать себя в роли экспериментатора, научиться макетировать импульсные схемы. Несколько страниц уделено прогрессивному методу синхронного выпрямления, позволяющего создавать низковольтные источники питания с высоким КПД.
- Методы управления силовыми ключами. Это новое направление разработки элементной базы для силовой техники, целью которгоьявляется создание удобных драйвером для управления ключевыми элементами. Не секрет, что до недавнего времени требовалось самостоятельно разрабатывать достаточно сложные управляющие схемы. Теперь в мире выпускаются микросхемы, позволяющие отказаться от данной сложной разработки, сократить время проектирования. Не за горами появление драйверов и у нас в стране.
- Нестандартные профессии силовой техники. Сюда вошли рассказы о корректорах коэффициента мощности и об электронных балластах для люминесцентных ламп дневного света. Вопросы сбережения электроэнергии приобретают сегодня все большее значение, а значит, силовая электроника будет занимать здесь ведущее положение.
- Мини-обзор конструктивов промышленных источников питания. Здесь приводятся некоторые сведения о внешнем облике современных источников, которые нельзя не учитывать при разработке собственных конструкций. Такие правила диктует рынок.
В заключение хочется отметить, что книга не претендует на роль научной монографии, написанная инженером-практиком, лишь помогает молодому и неискушенному читателю по возможности быстро и неутомительно войти в процесс проектирования.
